建筑工程大體積混凝土裂縫成因及控制技術(shù)研究

【摘要】基于大體積混凝土裂縫問題對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的影響，文章分析了水化熱、外界溫度變化和混凝土收縮變形等因素的作用機(jī)制。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目提出了通過優(yōu)化混凝土配合比、合理選擇材料、加強(qiáng)施工過程中的溫控和濕養(yǎng)護(hù)等措施來有效控制裂縫的產(chǎn)生。研究結(jié)果表明，通過綜合性措施的應(yīng)用，能夠顯著降低裂縫風(fēng)險(xiǎn)，并提高混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；大體積混凝土；裂縫成因

【中圖分類號(hào)】TU755.7 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2025）02-0153-03

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和建筑工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超高、大體量建筑已成為現(xiàn)代工程建設(shè)中的重要組成部分。大體積混凝土（DBV）作為廣泛應(yīng)用于各類建筑工程中的重要材料，良好的經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)良的工程性能使其在建筑結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。隨著施工難度的增加，尤其是在大體積混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)過程中，裂縫的產(chǎn)生已成為影響其結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的重要因素。外界溫度變化、水泥水化熱、收縮變形等是造成裂縫形成的主要因素，這些因素會(huì)導(dǎo)致混凝土的性能劣化，進(jìn)而影響工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此，本文對(duì)大體積混凝土裂縫成因進(jìn)行深入分析，并制定了切實(shí)可行的預(yù)防與控制對(duì)策。

1 建筑工程大體積混凝土裂縫類型

1.1 干縮裂縫型

建筑工程大體積混凝土施工中，混凝土的水灰比和水泥用量與干縮裂縫的形成息息相關(guān)，這主要源于內(nèi)部水分蒸發(fā)所引起的體積收縮。干縮裂縫通常表現(xiàn)為表面細(xì)微的平行或網(wǎng)狀裂紋，寬度一般在0.05～0.2 mm之間[2]。這些裂縫的發(fā)生不僅與混凝土材料的固有特性有關(guān)，還顯著受到環(huán)境因素的影響。水灰比是影響干縮性能的重要因素，較高的水灰比雖能改善混凝土的工作性和強(qiáng)度，但也會(huì)增加其體積收縮，進(jìn)而提高干縮裂縫的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，水泥用量的變化直接關(guān)系到水化熱的釋放，這會(huì)影響混凝土的溫度變化和干縮行為。水泥用量過高會(huì)導(dǎo)致水化熱增加，從而使裂縫更加顯著。為有效控制干縮裂縫的產(chǎn)生，除了在配合比設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化水灰比和水泥用量外，還應(yīng)在施工階段加強(qiáng)水分管理，控制水分蒸發(fā)速率，并合理安排養(yǎng)護(hù)措施。通過采取有效的防控措施，避免過快的水分蒸發(fā)和均勻分布水分，能夠顯著降低干縮裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 溫度裂縫型

大體積混凝土在澆筑過程中會(huì)產(chǎn)生水泥水化熱，這一過程導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度迅速上升，而外部環(huán)境溫度較低導(dǎo)致溫差過大會(huì)使混凝土發(fā)生膨脹和收縮不均勻，從而引發(fā)裂縫。溫度裂縫常出現(xiàn)在混凝土澆筑后的初期，特別是在外界氣溫較低且混凝土厚度較大時(shí)，溫差更為明顯。溫度裂縫通常表現(xiàn)為沿混凝土表面或內(nèi)部的縱向或橫向裂紋，裂縫寬度可達(dá)0.3 mm以上，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體性[3]。

1.3 沉陷裂縫型

沉陷裂縫是由于混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中或施工后發(fā)生不均勻沉降所引起的裂縫。在澆筑過程中，大體積混凝土由于重力作用和土層的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域的沉降速度較快，從而產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。特別是在軟土地基或基礎(chǔ)不均勻沉降的情況下，沉陷裂縫的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。沉陷裂縫通常表現(xiàn)為水平裂縫，沿著沉降較大區(qū)域的邊緣或中部發(fā)展，且裂縫寬度較大，通常達(dá)到1 mm以上。研究結(jié)果表明，沉陷裂縫的產(chǎn)生不僅與混凝土的性質(zhì)有關(guān)，還與基礎(chǔ)地質(zhì)條件、施工方法以及施工過程中是否采取適當(dāng)?shù)恼駬v措施密切相關(guān)。對(duì)于大體積混凝土工程而言，進(jìn)行合理的地基處理和沉降監(jiān)測(cè)可有效防止沉陷裂縫。

2 建筑工程大體積混凝土裂縫成因分析

2.1 水化熱因素

在大體積混凝土中，由于水化熱過程中熱量難以迅速散逸，其內(nèi)部溫度會(huì)顯著上升。這種溫度的升高導(dǎo)致內(nèi)外溫度梯度增大，進(jìn)而因材料熱膨脹系數(shù)的不同，可能引發(fā)超出混凝土抗拉強(qiáng)度極限的熱應(yīng)力，促使裂縫的生成。研究數(shù)據(jù)顯示，由水化熱引起的裂縫通常寬度在0.1～0.3 mm，深度可達(dá)混凝土總厚度的60%～80%，長(zhǎng)度則可能擴(kuò)展至數(shù)米。水化熱的增加同樣促使混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)，進(jìn)一步提高了裂縫發(fā)生的概率?；炷了療岙a(chǎn)生的裂縫如圖1所示。

2.2 外界氣溫變化

在大體積混凝土（DBV）的施工過程中，由于內(nèi)部溫度的變化滯后于外部環(huán)境的波動(dòng)，常導(dǎo)致溫差效應(yīng)產(chǎn)生熱應(yīng)力。在環(huán)境溫度快速變化的情況下，大體積混凝土（DBV）的表面與內(nèi)部之間由于膨脹或收縮導(dǎo)致速率存在顯著差異。研究結(jié)果表明，當(dāng)日氣溫波動(dòng)達(dá)到20 ℃時(shí)，混凝土表層與內(nèi)部的溫度差可能達(dá)到10 ℃[4]?？紤]到混凝土的線性膨脹系數(shù)約為10-5 ℃ ，這一溫度梯度可能引發(fā)約0.1‰的形變。從混凝土的抗拉強(qiáng)度來看，一旦形變達(dá)到該水平，裂縫生成的可能性顯著提高。溫差引起的應(yīng)力積累與混凝土彈性極限之間的相互作用，決定了裂縫生成的可能性。

對(duì)于DBV而言，溫度急劇變化時(shí)，裂縫寬度和深度將隨溫差的增加而增大。尤其在冬季低溫環(huán)境中，凍融循環(huán)的作用加劇了混凝土裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，這一現(xiàn)象使得外界溫度的變化不僅影響到裂縫的生成，還加速了裂縫的擴(kuò)展。外界溫度變化對(duì)混凝土裂縫的影響如表1所示。

2.3 冷縮變形

在大體積混凝土（DBV）施工的初凝階段，混凝土對(duì)外界溫度變化尤為敏感，尤其是在氣溫驟降時(shí)，冷縮變形成為裂縫形成的主要誘因。冷縮是由于溫度下降導(dǎo)致的混凝土體積收縮現(xiàn)象，特別是在大體積混凝土（DBV）中更為明顯。DBV由于較大的體積和高熱容，使其內(nèi)部溫度對(duì)外界氣溫的變化反應(yīng)緩慢，從而導(dǎo)致內(nèi)外部之間存在顯著的溫度差異。這種差異引起表面區(qū)域迅速收縮，而內(nèi)部由于溫度較高而收縮滯后，顯著的溫度梯度產(chǎn)生應(yīng)力差異，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，使裂縫的形成成為可能。在混凝土初凝階段，材料尚未完全固化，對(duì)抗冷縮引起的應(yīng)力的能力相對(duì)較低，因此在這一階段裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)尤為突出。冷縮變形對(duì)混凝土裂縫的影響參數(shù)見表2。隨著溫度的降低，冷縮變形引發(fā)的裂縫寬度和深度增加，表明冷縮是導(dǎo)致DBV結(jié)構(gòu)裂縫形成的一個(gè)重要因素。

2.4 收縮變形

大體積混凝土（DBV）在初凝階段，水分蒸發(fā)和水泥水化反應(yīng)的體積收縮作用，常成為裂縫產(chǎn)生的主要原因?；炷恋捏w積收縮通常呈現(xiàn)不均勻性，尤其在內(nèi)部與表面溫濕度差異較大的情況下，這種不均勻的收縮加劇裂縫的形成[5]。初凝階段的收縮變形通常為0.05‰～0.1‰ ，當(dāng)變形超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫便可能出現(xiàn)。為有效控制由超過混凝土抗拉強(qiáng)度的變形引起的裂縫，建議采取減少水泥用量，添加礦物摻合料，以及使用緩凝劑來延長(zhǎng)混凝土的初凝時(shí)間。結(jié)合使用保濕覆蓋物和實(shí)施濕養(yǎng)護(hù)程序可以進(jìn)一步穩(wěn)定混凝土結(jié)構(gòu)，減少收縮變形，以此最大限度地減少水分流失，從而降低裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

3 建筑工程大體積混凝土裂縫控制技術(shù)

3.1 混凝土材料控制技術(shù)

混凝土裂縫的有效控制和材料的精確選擇與合理配比密切相關(guān)。水泥的類型是影響混凝土性能的重要因素，選用具有低收縮性和微膨脹性的水泥，可有效抵抗因溫度波動(dòng)和徐變效應(yīng)所引起的內(nèi)部應(yīng)力，從而提升抗裂能力。微膨脹效應(yīng)能夠補(bǔ)償混凝土因溫度變化或濕度波動(dòng)所導(dǎo)致的體積變化，減少裂縫生成的可能性。此外，骨料的物理性質(zhì)，如彈性模量和線膨脹系數(shù)，直接影響到混凝土的熱膨脹行為，選用低彈性模量和小膨脹系數(shù)的骨料有助于降低整體熱膨脹系數(shù)，進(jìn)一步改善抗裂性能。減少混凝土中的水用量也是控制裂縫的重要手段，通過使用高效減水劑可在保持良好施工性能的同時(shí)，顯著降低水的用量，減輕水化熱帶來的溫度應(yīng)力，并在一定程度上減少水泥用量，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的雙重優(yōu)化。

3.2 冷卻水降溫控制技術(shù)

冷卻水降溫控制技術(shù)能夠有效調(diào)控混凝土內(nèi)部溫度，從而避免因內(nèi)外溫差過大而引起裂縫的產(chǎn)生。該技術(shù)在混凝土終凝后啟動(dòng)，冷卻水循環(huán)流動(dòng)，有助于快速降低內(nèi)部溫度并緩解溫度應(yīng)力的積聚。通過精確調(diào)整冷卻水的流量和循環(huán)速度，可確保溫度均勻分布，減少溫度梯度所帶來的裂縫風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 設(shè)計(jì)控制技術(shù)

在大體積混凝土施工中，科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是防止裂縫的根本措施。對(duì)于形態(tài)特殊的結(jié)構(gòu)部位，如外挑和內(nèi)收區(qū)域，應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)以降低約束度，避免應(yīng)力集中引發(fā)裂縫。此外，鋼筋保護(hù)層厚度和合理的配筋方案至關(guān)重要，增設(shè)構(gòu)造鋼筋，尤其在結(jié)構(gòu)高低錯(cuò)落或交接部位，有助于增強(qiáng)這些易裂區(qū)域的抗裂性能。同時(shí)，合理設(shè)置暗梁并增加配筋，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的整體抗裂能力。

3.4 澆筑控制技術(shù)

混凝土在大體積結(jié)構(gòu)中由于其強(qiáng)度要求和大體積積聚的水化熱，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，這對(duì)混凝土的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生潛在影響。因此，合理的澆筑控制技術(shù)不僅能提升混凝土的整體性，還能有效抑制溫度應(yīng)力，減少裂縫的發(fā)生。在澆筑過程中，采用分區(qū)定點(diǎn)澆筑策略并嚴(yán)格控制澆筑順序，是保證混凝土施工質(zhì)量的有效措施。通過將澆筑區(qū)域劃分為多個(gè)部分，結(jié)合一定的坡度和澆筑順序，能實(shí)現(xiàn)施工的均勻性和連續(xù)性，避免因澆筑不均勻而產(chǎn)生的溫度梯度差異。采用一次性澆筑至最終高度的做法，有利于控制溫度變化，減少內(nèi)外應(yīng)力差，從而有效降低裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

混凝土表面和鋼筋的處理同樣是減少裂縫的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。在大體積混凝土澆筑過程中，混凝土的坍落度較大，鋼筋下部容易積水，而上部則由于溫差和水泥水化反應(yīng)不均勻而形成裂縫。因此，在混凝土初凝之前和預(yù)沉后進(jìn)行二次抹面壓實(shí)，是增強(qiáng)混凝土密實(shí)度和均勻性的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。這一工藝不僅有助于減少表面裂縫的形成，還能優(yōu)化混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其抗裂性能。完成二次抹面壓實(shí)后，及時(shí)進(jìn)行覆蓋保溫處理，可以保證混凝土在硬化過程中保持均勻溫度、緩慢而穩(wěn)定硬化的關(guān)鍵步驟，有效避免因溫度波動(dòng)過快而引發(fā)裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土施工中的裂縫問題涉及多個(gè)因素，包括水化熱、外部溫度變化、收縮變形等。在這些因素的共同作用下，裂縫的形成不僅影響了混凝土的結(jié)構(gòu)完整性，還對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性形成了潛在威脅。因此，合理的裂縫控制策略和施工技術(shù)尤為重要。通過優(yōu)化混凝土配合比、采用適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂拼胧⒓訌?qiáng)施工過程中的養(yǎng)護(hù)管理，以及運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)混凝土性能進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，可以有效減小裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)大體積混凝土裂縫成因和控制技術(shù)的研究將進(jìn)一步深化，為建筑工程的安全性、耐久性提供更加堅(jiān)實(shí)的保障。

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[作者簡(jiǎn)介]王文慶（1989—），男，山東臨沂人，本科，工程師，研究方向：建筑工程。