大体积混凝土防裂探讨

摘要：大体积混凝土开裂后，其性能与原状混凝土性能相差很大，尤其是对耐久性(渗透性)的影响更大，而混凝土渗透反过来又会加速和促使混凝土的进一步恶化，严重影响结构的长期安全和耐久运行。而裂缝大多又是在早期产生的，因此，探讨裂缝产生的原因和防止裂缝的出现就显得格外重要。通过对大体积混凝土裂缝产生的原因和类型的论述，从各个环节提出了预防裂缝的综合措施。

关键词：大体积混凝土;裂缝;耐久性;过境力学性能;早期热裂缝

大体积混凝土结构开裂一直是工程界所密切关注的课题。过去，几乎都采用“温控防裂设计准则”来控制混凝土裂缝。然而，近期的研究结果表明，“温控防裂准则”并不能完全真实地反映混凝土早期热应力和热应力发展情况，温度已不是唯一影响早期混凝土温度诱导裂缝的决定性因素。人们认识到早期混凝土变形“约束度”和硬化混凝土的“过境力学性能”的重要性，并实际考虑应用各种试验或监测手段，通过“过境材料性能”特性研究和借助先进的计算机模拟技术，估计和预测早期混凝土的温度应力和裂缝情况。国外从十年前就已开始系统研究如何避免混凝土早期热裂缝，有些大型实验机构或实验室都开发和研制裂缝试验架和温度—应力试验机(简称TST装置)。

1 大体积混凝土裂缝的原因和主要类型

产生裂缝风险的原因很多，归纳起来主要包括三类：结构设计不合理引起的裂缝;混凝土自身性能(力学、变形及热学性能)引起的裂缝;外部环境因素和约束条件引起的裂缝，三者既相互关联又相互影响。

混凝土早期开裂是极其关键的，因为后期开裂是在早期开裂或早期潜在开裂的基础上,受外力(荷载、外环境侵蚀等)作用而使混凝土的耐久性遭受破坏后发展和演变而来。混凝土早期开裂分为早期沉降裂缝、早期表面干缩裂缝和早期热裂缝。早期沉降裂缝是在泌水和沉陷较大且沉降物受到约束的情况下产生的，可通过配合比优化设计，减少泌水，降低沉陷趋势和复振等方法消除或避免。早期表面干缩裂缝主要是在高温、低湿度和高风速等恶劣气候条件下，骨料和模板吸水、水分蒸发损失以及水泥—水系统体积减少引起混凝土表面开裂。它可以通过加湿骨料与模板，设置临时屏风减小混凝土表面的风速，设置临时遮阳篷降低混凝土表面的温度，降低混凝土初始温度，用聚乙烯薄膜或麻袋临时覆盖混凝土表面以最大限度的减少水分蒸发，抹面后进行喷雾或涂抹养护剂等消除或避免。可见前两种早期开裂是可以消除或避免的，只有早期热裂缝是较难预测和控制的。?

2 避免和减少混凝土裂缝的途径和方法

既然裂缝的产生与混凝土的温度变化和受约束程度有关，那么避免和减少混凝土开裂的途径应该围绕提高混凝土的抗裂能力、削减温度变化因素、减少混凝土结构中的约束应力和变形、尽量防止环境因素的影响等进行探讨。

2.1 提高混凝土的综合抗裂能力?

2.1.1 优选混凝土各种原材料?

在选择大体积混凝土用水泥时，在条件许可的情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期(1～5 d)可产生一定的预压应力，而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力，减少混凝土内的拉应力，提高混凝土的抗裂能力。为此，水泥熟料中的碱含量应低且适宜，熟料中MgO含量在3.0%～5.0%，石膏与C3A的比值尽量大些，C3A、C3S和C2S含量应分别控制在5.0%以内、50.0%左右和20.0%左右，这种熟料比例的水泥具有长期稳定的微膨胀抗裂性能【1】。

骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%～83%，因此，在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。

砂除满足骨料规范要求外，应适当放宽石粉或细粉含量，这样不仅有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密实性、耐久性和抗裂性。有研究表明，砂子中石粉比例一般在15%～18%之间为宜。

粉煤灰只要细度与水泥颗粒相当，烧失量小，含硫量和含碱量低，需水量比小，均可掺用在混凝土中使用。混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，减少新拌混凝土的泌水等。这些诸多好处均将有利于提高混凝土的抗裂性能。

高效减水剂和引气剂复合使用对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用，也是混凝土向高性能化发展的不可或缺的重要组分。

2.1.2 精心设计混凝土配合比?

混凝土配合比设计时，在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能的降低混凝土的单位用水量，采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。

2.2 加强混凝土早期性能和过渡区性能发展的研究?

2.2.1 借助先进的声光仪器研究混凝土微观结构?

以往，人们过多的集中在研究混凝土的宏观力学和变形性能上，对水泥—矿物掺和料—外加剂体系水化过程和过渡区界面形成及结构的研究较少。众所周知，凝胶体和骨料的形态和结构都比较致密，但它们混合组成混凝土后，在骨料和凝胶体间形成很薄的过渡区，而恰恰是过渡区的微观结构影响着混凝土的性能，尤其是早期抗裂性和抗渗透性。因此，借助先进的声光仪器，对优化混凝土组分体系和改善混凝土性能进行研究是今后的课题之一。事实上，进行过渡区研究的目的就是要找出裂缝产生的缘由并依此制订避免裂缝的措施及具体方案和办法。

2.2.2 注重混凝土早期性能研究?

早期性能对混凝土的影响不容忽视。大体积混凝土早期极易开裂，这是因为大体积混凝土在2～5 d水化放热温升很高(一般在1～3 d内温升达最终温升的1/2以上)，但这期间混凝土的强度和杨氏模量很低。国外Byfors和Umehera等人已做过一些试验研究，早期性能和后期性能之间存在“拐点”，这就是前面我们提到的“过境力学性能”的概念，见图1。因此，加强混凝土早期强度、弹性模量、自身体积变形、干缩变形以及绝热温升等的发展演变对进一步认识和了解混凝土早期性能，提高和改善混凝土的各项性能都有着重要的指导意义。

另外，还应该模拟现场情况，通过早期开裂试验架和力学模型研究、分析和评价早期热裂缝及其热裂缝风险。图2中，Tz1为第一零应力温度;Tz2为第二零应力温度;Tc为开裂温度。

2.3 加强原形观测，提高和改进设计?

笔者在某工程现场工作时，曾向业主提出，在完整坚硬的砂岩地基上，厂房44 m不分缝和泄洪闸30 m分缝的设计不合理，混凝土浇筑后经过一个冬季后均发现不同程度的细裂缝。尤其是第一个枯水季节施工的三孔泄洪闸裂缝的分布和形式是极其相似的，是系统原因造成，而且裂缝暗示结构设计的不合理性。后来，业主聘请有经验的设计和施工专家进行复核设计和咨询，将泄洪闸30 m分缝改为15 m分缝，至今没有发现结构性裂缝。

2.4 采用综合措施，控制混凝土初始温度

混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝是极其敏感的。当混凝土从零应力温度T2降低到混凝土开裂的温度Tt时，t时刻的混凝土拉应力σt超过了t时刻的混凝土极限拉应力σtu。因此，通过降低混凝土内的水化热温度(主要通过掺用高效减水剂减少用水，减少胶凝材料，多掺粉煤灰和矿物掺和料)和混凝土初始温度(通过骨料水冷和风冷降温、加冰和加冷却水拌和、各生产环节加强保温以免冷量损失等措施，降低混凝土初始温度)，减少和避免裂缝风险。

2.5 人工控制硬化混凝土内部温度?

人工控制混凝土温度的措施(如：体内埋设冷却水管和风管、表面洒水冷却、表面保温材料保护)主要是针对后期而言，对早期因热原因引起的裂缝是无助的。比如表面保温材料保护可以减少内外温差，但不可避免的招致混凝土体内温度T1很高，从受约束而导致贯穿裂缝的角度看，是一个潜在恶化裂缝的条件。因为体内热量迟早是要散发掉的。另外人工控制混凝土温度还需注意的问题是防止“过速冷却”和“超冷”，过速冷却不仅会使混凝土温度梯度过大，而且早期的过速超冷会影响水泥—胶体体系的水化程度和早期强度，更易产生早期热裂缝。超冷会使混凝土温差过大，引起温差裂缝。

2.6 拆模后及时良好的养护?

新浇筑的混凝土就象刚刚出生的婴儿，需要体贴关心和爱护。混凝土的养护不仅对防止早期表面裂缝显得重要，它对混凝土后期强度的发展、混凝土的进一步成熟和耐久性等也同样重要，在过去许多工程的施工和管理中对养护的重要性没有充分的认识。?

2.7 现场实物模型浇筑并进行观测?

为了证实混凝土的工作性和其他与施工和设计有关的特性，在施工现场进行试验性浇筑实物模型并进行观测是十分重要的。同时，对确定和验证水化反应和放热情况，以及核实混凝土温度和裂缝控制情况是极为有用和必不可少的。

无论是强度实验还是绝热温升实验，在实验室进行试验时，养护条件和散热情况与现场相差极大。我们曾在工程中做过两组标准养护和自然湿养护对照试验，一组是在冬季(环境气温5.6～14.7℃)进行，另一组是在夏季(环境气温22.0～33.5℃)进行。对同一批次拌和的混凝土，一组试件拆摸后存放在标准养护室，而另一组试件拆摸后存放在自然环境中进行湿养护，结果发现，冬季对照组的后者的早期强度比前者低，而夏季对照组的后者的早期强度比前者高。这是由于成型试件初始温度为8℃，低温情况下早期水化反应缓慢，高温情况下则相反。因此，养护对混凝土的性能影响不容忽视，在今后应加强温度匹配养护研究。

2.8 准确地建立数字应力模型

为了更准确地建立数字应力分析模型，必须采用现代应力分析方法或应力风险分析，并应用这些分析来调查相对有效的裂缝控制措施。对于大型工程，建议进行早期力学、热学、变形等性能试验，并借助开裂试验架或温度—应力试验装置的结果提出开裂温度，进行裂缝风险的准确估计和评价。

2.9 施工期制定严格的裂缝检测、控制和诊断准则

工程建设大多都实行业主负责经营和招标承包机制，制定严格的裂缝检测、控制和诊断准则不仅有利于工程的管理和责任风险的划分和分担，而且为承包商和设计者提供技术创新和革新的机会，也有利于提高工程的总体施工和管理水平，建设符合设计要求、耐久的工程。

2.10 对设计准则的一些认识

迄今为止，在设计时几乎所有的混凝土都允许一定范围内开裂，从结构设计的安全性方面讲，这是没有问题的。但问题的关键在于一旦出现裂缝，在各种外力的作用下，尤其是水下结构，在高水头的水压力以及侵蚀性媒介对裂缝的破坏性作用，可能会造成结构设计允许开裂的裂缝进一步扩张和蔓延。比如：前苏联修建的克拉斯诺雅尔期克大坝，靠底孔边墙原来发现220条表面缝，但在外界环境作用下，短短5年时间后，10%的表面缝发展成为贯穿性裂缝。这样的例子并不少见，因此，今后的设计除考虑结构外，还应该充分考虑环境因素的长期持久作用。

2.11 计算机模拟施工浇筑，合理安排，使坝体均匀上升

美国曾对几个有代表性的大坝进行过调查和分析【3】，多数以上的坝几乎完全没有了裂缝，比如：约翰克尔坝，在坝面任何地方都找不到发丝状的裂缝;Detroit坝，除了受强烈温度变化的部分浇筑部位发现几条很浅的裂缝外，在任何暴露的坝段上均没有发现裂缝;另外，我国的二滩高拱坝，都很少有裂缝。这些工程除了良好的防止裂缝的综合措施到位外，坝体均匀上升浇筑也是必不可少的。因此，在施工之前，应用先进的计算机模拟施工浇筑，合理安排施工，使坝体均匀上升的重要性也要予以重视。?

参考文献

[1]储传英.三峡工程混凝土原材料研究[M].北京：水利电力出版社，1999

[2]董国翼.混凝土坝技术[J].水利水电混凝土坝信息网，1998，(2)

[3]杨得福等.国外水工混凝土的现状和发展趋势[J].国外水利发电