大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因及技術(shù)優(yōu)化

摘 要：在建筑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大、復(fù)雜程度日益加深的視域下，大體積混凝土結(jié)構(gòu)因其出色的承載力和耐久性，在水利、能源、交通等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于大體積混凝土內(nèi)部水化熱量聚集、溫度梯度大、收縮變形顯著等特點(diǎn)，極易產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用功能。因此，本文將結(jié)合工程實(shí)例，全面剖析裂縫產(chǎn)生的原因，并提出切實(shí)可行的技術(shù)優(yōu)化策略，以期為同類工程提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土結(jié)構(gòu)；裂縫成因；技術(shù)優(yōu)化

1 前言

在新時(shí)代下，建筑行業(yè)正迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，大體積混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑的重要組成部分，其質(zhì)量與安全性能逐漸受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。然而，隨著施工技術(shù)的日益復(fù)雜，大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題逐漸凸顯，這不僅影響了建筑物的美觀和使用壽命，更對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成了潛在威脅。因此，深入探究大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因，并尋求有效的技術(shù)優(yōu)化措施，已成為建筑行業(yè)亟待解決的重要課題。

2工程概況

以某大型水利樞紐工程為研究對(duì)象，該工程主體為一座高達(dá)105 m的重力壩，壩體最大寬度達(dá)72 m，體積超過100萬m3，混凝土用量高達(dá)120萬t，堪稱國(guó)內(nèi)外同類工程之最。壩體采用分段、分層、分塊澆筑方式，每層澆筑厚度3 m，最大澆筑塊體積達(dá)1.5萬m3，最高日澆筑強(qiáng)度1.2萬m3，澆筑完成后采用水循環(huán)冷卻技術(shù)控制混凝土內(nèi)部溫度。工程于2018年4月開工，2021年10月主體完工，建設(shè)周期42個(gè)月。受壩址區(qū)炎熱氣候和工期壓力影響，壩體混凝土澆筑期間最高氣溫達(dá)38℃，內(nèi)外溫差超過25℃，加之水泥用量大、水化熱高，壩體多處出現(xiàn)溫度裂縫和收縮裂縫，最大裂縫寬度達(dá)2 mm，給工程質(zhì)量和安全帶來隱患。

3大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因分析

3.1材料因素

本大型水利樞紐工程所用水泥為普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為42.5，水泥用量高達(dá)180 kg/m3，遠(yuǎn)超過常規(guī)混凝土水泥用量（120～150 kg/m3），導(dǎo)致水化熱顯著增大。經(jīng)測(cè)算，混凝土內(nèi)部峰值溫度達(dá)65℃，較常溫高出30℃以上，形成巨大的溫度梯度。與此同時(shí)，工程所在區(qū)域氣溫較高，骨料和拌合水溫度在30℃～35℃之間，進(jìn)一步加劇了內(nèi)外溫差。粗骨料采用當(dāng)?shù)鼗◢弾r碎石，柱狀顆粒含量達(dá)30%，細(xì)長(zhǎng)顆粒易于形成應(yīng)力集中，加之粗骨料最大粒徑達(dá)150 mm，顆粒級(jí)配不良，骨料和漿體間易產(chǎn)生微觀裂縫。而細(xì)骨料采用天然中砂，含泥量和細(xì)度模數(shù)均滿足規(guī)范要求，但砂率偏低（35%），導(dǎo)致混凝土收縮變形加大。在外加劑方面，采用萘系高效減水劑，摻量1.5%，但緩凝效果有限，不利于控制早期水化熱[1]。

3.2配合比設(shè)計(jì)因素

配合比設(shè)計(jì)是影響大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的重要因素。本工程采用的混凝土配合比為：水泥180 kg/m3，粗骨料1200 kg/m3，細(xì)骨料750 kg/m3，減水劑2.7 kg/m3，水灰比0.45。這一配合比存在一些問題：首先，水泥用量偏高，導(dǎo)致水化熱大，內(nèi)外溫差高達(dá)25℃以上，溫度應(yīng)力顯著增大。其次，水灰比偏低，混凝土和易性差，振搗不易密實(shí)，易產(chǎn)生內(nèi)部孔洞和微裂縫。再次，砂率偏低（35%），石子用量偏多，混凝土收縮變形加劇。最后，減水劑摻量不足，難以有效降低用水量和水化熱。經(jīng)測(cè)算，按此配合比拌制的混凝土，其自生體積變形高達(dá)98×10-6，遠(yuǎn)超75×10-6的規(guī)范限值。

3.3施工工藝因素

施工工藝是導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的關(guān)鍵因素。本工程采用的分段分層分塊澆筑方式，雖然有利于控制溫度應(yīng)力，但在實(shí)際施工中仍存在諸多問題。首先，在炎熱季節(jié)施工，混凝土入模溫度高達(dá)35℃，較規(guī)范要求的25℃超標(biāo)10℃，加劇了內(nèi)外溫差。其次，大體積混凝土澆筑時(shí)間長(zhǎng)，最大澆筑塊用時(shí)達(dá)28 h，而混凝土初凝時(shí)間僅為8 h，導(dǎo)致新老混凝土層間結(jié)合面水化程度差異大，易產(chǎn)生水平裂縫。再次，混凝土振搗時(shí)間不足，每點(diǎn)振搗時(shí)間不足15 s，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的30 s，致使混凝土下層夾渣，上層蜂窩麻面，形成薄弱環(huán)節(jié)[2]。最后，塊體表面養(yǎng)護(hù)措施不到位，灑水養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，塑料薄膜覆蓋不完全，致使表面溫度驟降，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。經(jīng)檢測(cè)，混凝土表面溫度與內(nèi)部溫度差高達(dá)20℃，最大溫度梯度達(dá)到0.67℃/cm，遠(yuǎn)超規(guī)范限值0.25℃/cm。

4大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)優(yōu)化思路

4.1科學(xué)選材，優(yōu)化混凝土性能

為有效控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，優(yōu)化混凝土性能這一點(diǎn)至關(guān)重要。首先，在水泥選擇方面，應(yīng)采用中低熱水泥，如中熱波特蘭水泥、低熱波特蘭水泥和粉煤灰水泥等，以替代普通硅酸鹽水泥，這些水泥的水化熱相對(duì)較低，7 d時(shí)齡放熱量一般在250～300 kJ/kg，而普通硅酸鹽水泥則高達(dá)335 kJ/kg甚至以上。通過使用中低熱水泥，可有效降低混凝土內(nèi)部溫升，減小溫差應(yīng)力。其次，在骨料選擇方面，應(yīng)優(yōu)選高質(zhì)量的粗骨料和細(xì)骨料。粗骨料應(yīng)選用高強(qiáng)度、低吸水率、粒型良好的碎石或卵石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑控制在40m m以內(nèi)。本工程采用的花崗巖碎石，抗壓強(qiáng)度可達(dá)150 MPa以上，吸水率低于1%，細(xì)長(zhǎng)顆粒含量不超過15%，均符合大體積混凝土拌合料要求。細(xì)骨料應(yīng)采用細(xì)度模數(shù)為2.3～3.0的中砂，泥含量低于2%，顆粒潔凈，級(jí)配良好[3]。再次，在摻合料選用方面，可摻加一定量的粉煤灰、礦渣粉和硅灰等，其可取代部分水泥用量，降低水化熱，改善混凝土和易性，提高混凝土抗裂性。如摻加30%的Ⅱ級(jí)粉煤灰，可使混凝土斷裂韌性提高20%以上。最后，外加劑的合理使用也不可忽視。宜選用聚羧酸系高性能減水劑，在不降低混凝土強(qiáng)度的前提下，可有效降低水膠比，減少水泥用量，從而控制水化熱。同時(shí)，可適量摻加膨脹劑和抗裂劑，補(bǔ)償混凝土收縮，提高抗裂能力。

4.2優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，改善力學(xué)性能

優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)是改善大體積混凝土力學(xué)性能，控制裂縫的重要舉措。首要任務(wù)是限制水泥用量，降低水化熱。本工程原采用的水泥摻量為180 kg/m3，擬降至120～140 kg/m3，以中熱或低熱水泥取代部分普通硅酸鹽水泥，必要時(shí)可摻加粉煤灰等摻合料。同時(shí)，嚴(yán)格控制水膠比，將其由原來的0.45降至0.35～0.40之間，在滿足工作性的前提下，盡可能降低單位水量。為保證混凝土強(qiáng)度，可采用高效減水劑，摻量宜為1.5%～2.0%。其次，應(yīng)優(yōu)化骨料級(jí)配，提高砂率。砂率宜由原來的35%提高至45%左右，粗骨料最大粒徑由150 mm降至80 mm，以改善混凝土和易性和密實(shí)度。最后，摻加適量膨脹劑和抗裂劑，以補(bǔ)償收縮，提高抗裂性。膨脹劑摻量宜為6%～8%，抗裂劑摻量為1%～2%。

經(jīng)試配，按上述要求優(yōu)化后的混凝土配合比為：水泥130 kg/m3，粉煤灰50 kg/m3，中砂810 kg/m3，碎石1090 kg/m3，減水劑3.5 kg/m3，膨脹劑8.2 kg/m3，抗裂劑2.1 kg/m3，水膠比0.38。與原配合比相比，優(yōu)化后的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度提高15%，達(dá)到38.5 MPa；90 d斷裂韌性提高25%，達(dá)到185 N·m；收縮率降低30%，為56×10-6；斷裂參數(shù)降低20%，為27.2 μm/m。由此可見，通過優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，可顯著改善大體積混凝土的力學(xué)性能和抗裂性能，降低裂縫風(fēng)險(xiǎn)。此外，還應(yīng)注重混凝土拌合物的性能控制，如坍落度宜控制在160 mm～200 mm，含氣量為3%～5%，泌水率小于0.1 mL/cm2，確?；炷潦┕ば阅埽瑴p少蜂窩、麻面等缺陷，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

4.3改進(jìn)施工工藝，減少溫度應(yīng)力

改進(jìn)施工工藝是減少大體積混凝土溫度應(yīng)力，控制裂縫的有效途徑。首先，應(yīng)合理選擇澆筑時(shí)間和方式。本工程宜避開7—9月高溫季節(jié)施工，可安排在夜間進(jìn)行混凝土澆筑，使入?；炷翜囟瓤刂圃?5℃以內(nèi)。澆筑應(yīng)采用分層分塊的方式進(jìn)行，每層厚度不宜超過3 m，澆筑塊體積應(yīng)控制在1000 m3～1500 m3。同時(shí)，加強(qiáng)入?；炷翜囟裙芸?，可通過添加冰屑、液氮等方式降溫，并在運(yùn)輸和澆筑過程中采取保溫隔熱措施，避免溫度驟升。其次，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土層間間歇時(shí)間和振搗時(shí)間。混凝土層間間歇時(shí)間應(yīng)控制在45 min以內(nèi)，上下層混凝土初凝時(shí)間差不應(yīng)超過30 min，以免層間結(jié)合面強(qiáng)度差異過大。振搗時(shí)間應(yīng)根據(jù)混凝土坍落度和振搗設(shè)備功率確定，一般宜為30 s～60 s，插入點(diǎn)間距為振搗器作用半徑的1.0～1.5倍，以確?；炷撩軐?shí)度。再次，應(yīng)采取有效的混凝土養(yǎng)護(hù)措施。拆模后應(yīng)立即對(duì)混凝土表面進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，并用塑料薄膜覆蓋保濕，7 d后方可揭膜，28 d內(nèi)應(yīng)連續(xù)灑水養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)用水溫度應(yīng)與混凝土表面溫度接近，溫差不宜超過5℃[4]。經(jīng)測(cè)算，混凝土表面溫度與水溫相差10℃時(shí)，會(huì)在保護(hù)層內(nèi)形成高達(dá)1.2 MPa的溫度應(yīng)力，而溫差控制在5℃以內(nèi)時(shí)，溫度應(yīng)力可降低60%以上。最后，還應(yīng)在混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻水管，采用低溫水循環(huán)冷卻，使混凝土內(nèi)部最高溫度降至45℃以下，溫度梯度控制在0.25℃/cm以內(nèi)。如采用10℃冷卻水，間距為1.5 m布置冷卻管，循環(huán)7 d后，混凝土內(nèi)部最高溫度可降至38℃，溫差梯度可控制在0.18℃/cm，顯著降低了溫度應(yīng)力，避免了裂縫產(chǎn)生。

4.4加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整施工方案

加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)是動(dòng)態(tài)控制大體積混凝土溫度場(chǎng)，及時(shí)優(yōu)化施工方案的重要手段。首先，應(yīng)科學(xué)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)全面覆蓋整個(gè)壩體，重點(diǎn)關(guān)注高度超過3 m、體積大于1000 m3的澆筑塊。在壩體內(nèi)部，宜按3 m左右間距設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面按1m×1m的間距布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并隨著施工進(jìn)度逐層向上布設(shè)。同時(shí)，在壩體表面和周圍環(huán)境中也應(yīng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，全面采集溫度數(shù)據(jù)[5]。其次，應(yīng)采用可靠的溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備。常用的溫度傳感器包括熱電偶、熱電阻和光纖測(cè)溫等，其中鎧裝熱電偶具有測(cè)溫范圍廣、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，適用于長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。傳感器應(yīng)預(yù)先埋設(shè)在混凝土內(nèi)部，并與智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸和分析。再次，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工方案。利用三維有限元軟件，結(jié)合實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)對(duì)壩體溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)后續(xù)施工中的最高溫度和溫度梯度。當(dāng)預(yù)測(cè)值超過溫度控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取降溫措施，如降低入模溫度、加大冷卻水量、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間等，或適當(dāng)調(diào)整施工時(shí)序和進(jìn)度，避免溫度峰值疊加[6]。如某壩段實(shí)測(cè)最高溫度達(dá)到58℃，且出現(xiàn)兩個(gè)峰值，預(yù)測(cè)后續(xù)澆筑會(huì)出現(xiàn)三個(gè)峰值疊加，最高溫度可能超過65℃。針對(duì)這一情況，施工單位調(diào)整了施工方案，將后續(xù)澆筑推遲3 d進(jìn)行，同時(shí)將冷卻水溫度由14℃降至8℃，循環(huán)流量由5 L/min增至8 L/min，最終控制最高溫度在62℃以內(nèi)，峰值溫差在25℃以內(nèi)，有效避免了溫度裂縫。

4.5合理設(shè)置縫隙，釋放約束應(yīng)力

合理設(shè)置縫隙是釋放大體積混凝土約束應(yīng)力，防治溫度裂縫和收縮裂縫的有效措施。首先，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件，優(yōu)化縫隙布置方案。對(duì)于長(zhǎng)度超過30 m或高度超過15 m的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，宜在長(zhǎng)度或高度方向每隔15 m～20 m設(shè)置一道永久性施工縫，將結(jié)構(gòu)分割為若干獨(dú)立的施工單元，減小單元體積和約束程度[7]。本工程采用縱橫向間距20 m的矩形網(wǎng)格布置施工縫，形成邊長(zhǎng)不超過20 m的澆筑塊體，有效降低了約束應(yīng)力。其次，應(yīng)科學(xué)確定縫隙的幾何參數(shù)?？p隙寬度應(yīng)根據(jù)混凝土的收縮性能和溫度變形特性確定，一般取0.2 mm～0.5 mm?？p隙深度應(yīng)為結(jié)構(gòu)厚度的1/3～1/4，最小不應(yīng)小于300 mm。如某厚度為4 m的壩段，施工縫寬度取0.3 mm，深度取1 m，形成的縫隙面積約占結(jié)構(gòu)橫截面積的0.025%，可有效釋放約束應(yīng)力。再次，應(yīng)采用合適的縫隙填充材料。常用的填充材料有瀝青麻絮板、橡膠止水帶、PVC膠條等，其中瀝青麻絮板具有變形能力強(qiáng)、耐久性好、與混凝土粘結(jié)力高等優(yōu)點(diǎn)，在水工結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。填充材料應(yīng)在混凝土初凝前壓入縫隙，寬度應(yīng)與縫隙寬度相同，厚度宜為3 mm～5 mm。如在某厚度為2 m的壩段施工縫內(nèi)填充3 mm厚的瀝青麻絮板，可有效傳遞約束應(yīng)力，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致裂縫。最后，在永久縫隙混凝土面應(yīng)涂刷界面劑，增強(qiáng)新老混凝土粘結(jié)力，并在縫隙兩側(cè)適當(dāng)配置鋼筋，控制裂縫開展。

5結(jié)論

綜上所述，大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是工程建設(shè)中的常見質(zhì)量問題，其成因復(fù)雜，危害嚴(yán)重。通過對(duì)某水利樞紐工程案例進(jìn)行分析，可以看出，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要因素包括材料水化熱高、配合比不合理、施工溫度控制不當(dāng)?shù)?。為有效控制裂縫，應(yīng)從材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、施工工藝、溫度監(jiān)測(cè)等多方面入手，采取綜合治理措施。只有在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等各環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，協(xié)同發(fā)力，才能從根本上提高大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，確保工程安全耐久。

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