大體積混凝土裂縫成因及溫控抗裂措施

□陳文權(quán)（河南省水利第一工程局）

一、大體積混凝土的定義與特點(diǎn)

（一）大體積混凝土的定義

大體積混凝土一般是指結(jié)構(gòu)體積較大，又就地澆筑、成型、養(yǎng)護(hù)的混凝土?；炷恋臏厣蜏夭钆c表面系數(shù)有關(guān)，單面散熱的結(jié)構(gòu)斷面最小厚度在75cm以上，雙面散熱的結(jié)構(gòu)斷面最小厚度在100cm以上，水化熱引起的混凝土內(nèi)外最大溫差預(yù)計超過25℃，應(yīng)按大體積混凝土施工。

由于大體積混凝土工程的條件比較復(fù)雜，施工情況各異，再加上混凝土原材料的材性差別較大，因此，控制溫度變形裂縫是涉及結(jié)構(gòu)計算，構(gòu)造設(shè)計，材料組成，物理力學(xué)性能及施工工藝等綜合性問題。目前，新的觀點(diǎn)指出：所謂大體積混凝土是指其結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)大至必須采取相應(yīng)技術(shù)措施，妥善處理內(nèi)外溫度差值，合理解決溫度應(yīng)力，并按裂縫開展控制的混凝土。

（二）大體積混凝土的特點(diǎn)

大體積混凝土的最主要特點(diǎn)是以大區(qū)段為單位進(jìn)行澆筑施工，每個施工區(qū)段的體積比較大，由此帶來的問題是水泥水化熱引起結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度升高，冷卻時如果不采取一定技術(shù)措施控制，則容易出現(xiàn)裂縫。為防止裂縫的發(fā)生，必須采取切實(shí)可行的技術(shù)措施。如使用水化熱較小的水泥，摻加適量的粉煤灰，使用單位用水泥用量最少的配合比，控制一次澆筑高度和澆筑速度，以及人工冷卻控制溫度等。

二、大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫，是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變；另一方面是結(jié)構(gòu)的外約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)約束阻止了這種應(yīng)變，一旦溫度應(yīng)力超過混凝土能承受的極限抗拉強(qiáng)度，就會產(chǎn)生不同程度的裂縫?？偨Y(jié)大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的工程實(shí)例，產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下幾個方面。

（一）水泥水化熱的影響

水泥在水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量的熱量，這是大體積混凝土內(nèi)部溫升的主要熱量來源。由于大體積混凝土截面尺寸大，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散發(fā)，所以會引起混凝土內(nèi)部急劇升溫。水泥水化熱引起的絕熱溫升與混凝土結(jié)構(gòu)的厚度、單位體積的水泥用量和水泥品種等有關(guān)?；炷两Y(jié)構(gòu)的厚度越大，水泥用量越多，水泥早期強(qiáng)度越高，混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部升溫越快。大體積混凝土測溫試驗(yàn)表明：水泥水化熱在1～3d內(nèi)放出熱量最多，大約為總熱量的50%；混凝土澆筑后的3～5d內(nèi)，混凝土內(nèi)部的溫度最高。

大體積混凝土因水泥水化熱引起的裂縫主要有2種形式：第一種表面裂縫：在水泥水化初期，由于混凝土表面和內(nèi)部的散熱條件不同，形式外低內(nèi)高的溫差，使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)混凝土表面產(chǎn)生的抗應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，大體積混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。這種裂縫特點(diǎn)是裂縫比較分散，裂縫寬度、深度小。另一種貫穿裂縫：當(dāng)大體積混凝土的水泥水化熱基本上釋放完畢后，大體積混凝土開始逐漸降溫，在大體積混凝土降溫階段，由于混凝土的收縮，受到地基或結(jié)構(gòu)的其他部分約束，大體積混凝土就會產(chǎn)生很大溫度變形和溫度應(yīng)力，從而易產(chǎn)生貫穿性裂縫。

（二）內(nèi)外約束條件的影響

各種混凝土結(jié)構(gòu)在變形變化中，必須受到一定的約束，阻礙變形的因素，稱為約束條件，約束分為內(nèi)約束和外約束，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形變化時，不同結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的約束稱為外約束，結(jié)構(gòu)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生的約束稱為內(nèi)約束。外約束分為自由體，全約束和彈性約束3種。

大體積混凝土與地基澆筑在一起，當(dāng)溫度變化時受到下部地基的限制，產(chǎn)生外部約束應(yīng)力?；炷猎谠缙跍厣A段，產(chǎn)生的膨脹受到約束面的約束而產(chǎn)生壓應(yīng)力，此時混凝土的彈性模量小，徐變和應(yīng)力松弛均較大，混凝土與基層連接不太牢固，因而壓應(yīng)力很小。但在混凝土溫度下降時，則產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，若超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，混凝土將會出現(xiàn)垂直裂縫。由此可見，降低混凝土的內(nèi)外溫差和改善其約束條件是防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的重要措施。

（三）外界氣溫變化的影響

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對防止大體積混凝土開裂有重大影響。在混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度的疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也越高，如果外界氣溫下降，會增加混凝土的溫度梯度，特別是氣溫驟然下降，會大大增加混凝土內(nèi)外溫差，因而會造成過大的溫度應(yīng)力，使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。因此采取合理的溫控措施，控制混凝土表面溫度與外界氣溫的溫差，是防止混凝土裂縫產(chǎn)生的一個重要措施。

三、溫控抗裂的技術(shù)措施

（一）混凝土配合設(shè)計

大體積混凝土的裂縫絕大多數(shù)是由溫度裂縫原因而產(chǎn)生的，大體積混凝土的配合比設(shè)計主要應(yīng)考慮降低水化熱，減小混凝土絕熱溫升為基本準(zhǔn)則。

1.水泥品種

應(yīng)選用中、低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，大體積混凝土施工所用水泥其3d的水化熱不宜＞240kJ/kg，7d的水化熱不宜＞270kJ/kg，當(dāng)混凝土有抗?jié)B要求時，所用水泥的C3A含量不宜＞8%。

2.水泥用量

在滿足混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級前提下，利用混凝土60d或90d強(qiáng)度作為混凝土立方體強(qiáng)度，減少水泥用量。水泥用量與大體積混凝土最高溫升有直接關(guān)系，降低水泥用量是非常有效的溫控措施。

3.摻加適量的活性摻合材料

在大體積混凝土中摻加活性摻合材料，既可降低水泥用量，又可以降低大體積混凝土的水化熱溫升。由于活性摻合料的火山灰活性效應(yīng)，增加混凝土的后期強(qiáng)度，使混凝土強(qiáng)度保證率提高。由于摻合料的顆粒型態(tài)效應(yīng)，改善混凝土的施工性能。

4.改善混凝土的體積穩(wěn)定性，提高混凝土的抗裂性能

保證一定量的粗骨料含量可以有效地改善混凝土的抗裂能力，在滿足強(qiáng)度和施工性的前提下，采用盡量低的砂率。

5.摻加外加劑

在滿足混凝土和易性要求下，降低水膠比。

（二）施工控制措施

1.采用“跳倉法”施工

通過跳倉澆筑混凝土以釋放混凝土的溫度收縮應(yīng)力，減少一次澆筑帶來的結(jié)構(gòu)超長效應(yīng)，控制混凝土出現(xiàn)早期開裂的危險。跳倉間隔施工的時間不宜＜7d，跳倉接縫處應(yīng)按施工縫的要求設(shè)置和處理。

2.降低混凝土入模溫度

混凝土原材料的預(yù)冷卻，不僅可以降低混凝土的澆筑溫度，而且還可以削減混凝土內(nèi)部水化熱峰值，減少混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度的差值，從而減少溫度變形和溫度應(yīng)力。按美國混凝土學(xué)會207委員會的建議，避免在大體積混凝土中熱開裂的最大因素之一就是控制澆筑溫度。一般當(dāng)混凝土從塑性狀態(tài)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)時，澆筑溫度越低則越少出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3.采用二次振搗技術(shù)

在混凝土澆筑后即將凝固前，在適當(dāng)?shù)臅r間和位置給予再次振搗，以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部造成的水分和孔隙，增加混凝土的密實(shí)度，減少內(nèi)部微裂縫，提高混凝土強(qiáng)度和抗裂性。振搗時間長短應(yīng)根據(jù)混凝土的流動性大小而定。

4.加強(qiáng)保溫措施

保溫養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。加強(qiáng)保溫養(yǎng)護(hù)，一是通過減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，從而降低大體積混凝土澆筑體的內(nèi)部溫差值，降低混凝土澆筑的自約束應(yīng)力；其次是降低大體積混凝土澆筑體的降溫速率，延長散熱時間，充分發(fā)揮混凝土強(qiáng)度的潛力和材料的松弛特性，利用混凝土的抗拉強(qiáng)度，以提高混凝土承受外約束應(yīng)力時的抗裂能力。

四、結(jié)束語

大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的根源是溫差與約束。做好混凝土配合比設(shè)計，加強(qiáng)施工控制措施，嚴(yán)格施工管理，可有效地減少或預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。