大体积混凝土施工及裂缝预防措施

Abstract: This paper on the basis of analyzes mass concrete cracks formed on the basis of the cause of raw materials in its construction process should be optimized, optimize the mix design, to improve the construction process, do a good job in temperature monitoring and to enhance the conservation, in order to control the concrete temperature, deformation, cracks to improve the durability of the building structure.

Key words: mass concrete; cracks; temperature control; construction

中图分类号：TU375 文献标识码 A 文章编号：

0 引言

近年来，大体积混凝土越来越多的应用到水工结构以及工民建领域。对于大体积混凝土，我国普通混凝土配合比设计规程有明确定义：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于lm，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土即为大体积混凝土。由此看来，变形和裂缝是大体积混凝土的常见问题，裂缝一旦形成，不仅削弱承载力降低结构的耐久性，同时可能危及建筑物的安全使用。因此，在大体积混凝土结构施工中必须考虑温度应力的控制和防止裂缝的措施。

1 大体积混凝土裂缝形成原因分析

影响大体积混凝土开裂的因素非常复杂，这些因素无外乎来自两个方面，一方面是外部环境条件，另一方面是混凝土材料本身的性能。

1.1外部荷载作用

由于外荷载(静、动荷载)作用产生的直接应力及各种结构次应力超过混凝土抗拉极限强度时而产生的裂缝。混凝土的抗压强度很大而抗拉强度很小，只有抗压强度的1/10-1/16。因此，在大体积混凝土结构的设计中，通常要求不出现拉应力(如重力坝的设计)或者只出现很小的拉应力。因此，大体积混凝土结构由于外荷载引起的裂缝很少。

1.2体积收缩

收缩变形主要包括塑性收缩变形和干燥收缩两个方面。在硬化之前，混凝土处于塑性状态，如果上部混凝土的均匀沉降受到限制，其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就容易形成一些不规则的塑性收缩裂缝。

混凝土在水泥水化过程中要产生一定的体积变形，但只有约20%的水分是水泥水化所必需的，因此由于水泥水化所产生的“自生变形”很小可以忽略不计。而掺入混凝土中的其余80%的水逐渐蒸发，随着混凝土的不断干燥而使吸附水溢出，就会出现干燥收缩变形。混凝土的表面收缩较快，中心收缩较慢，则表面的干缩受到中心的约束，而在表面产生拉应力出现裂缝。显然，外界环境湿度降低会加速混凝土的干缩导致混凝土裂缝产生。

此外，混凝土还会产生碳化收缩变形，即空气中的二氧化碳与混凝土中的氢氧化钙反应生成碳酸钙和水，这些结合水因蒸发会使混凝土产生收缩变形。混凝土热胀冷缩，在温度下降过程中也会造成混凝土的收缩。实践证明，混凝土的最终收缩值一般在2～6×10-4范围内波动，有的高达10×10-4。这种收缩变形不受约束条件的影响，若有约束，由收缩引起的应力占混凝土应力值的30% 以上，即可引起混凝土的开裂。

1.3温度变化

在大体积混凝土结构中，由于体积、厚度均较大，传热效果差，水泥水化产生的热量聚集在结构物内部长期不易散失，形成较大的温差和温度应力。温度应力和温差成正比，温差越大，温度应力也越大。随着混凝土结构的大型化及施工速度的加快，水泥水化热引起的温度应力成为结构物产生裂缝的重要原因。此外，大体积混凝土施工期间，外界气温的骤增或骤减都会引起混凝土内外部的温差而造成过大的温度应力。因此，如何降低混凝土的发热量、控制混凝土的温度应力是大体积混凝土施工中关注的重点。

1.4其它

由于地基不均匀沉降引起结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉极限强度时就产生裂缝。此外，混凝土拌合物的不均匀会造成混凝土硬化后弹性模量不均匀，使得混凝土在收缩变形过程中导致应力集中从而引起裂缝。

2 大体积混凝土施工质量控制要点

由上节分析可知，大体积混凝土材料自身的性能是引起开裂的主要因素，如何采取措施降低混凝土的温度应力以及收缩应力，是大体积混凝土结构施工中十分重要的课题。在大体积混凝土施工过程中，除了应满足一般混凝土结构施工中对工作性和强度要求外，还应注重对新拌混凝土的抗裂性要求，即应选取适当的原材料、恰当的配合比、合理的施工工艺来进行温度控制和收缩控制，从而减小应力防止裂缝发生。

2.1原材料选择及配合比设计

(1)水泥

前已提及，大体积混凝土由于其体积大，表面小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快，容易造成内外温差使混凝土产生温度裂缝，因此在满足强度要求下应尽量选用较低发热量的水泥。进行配合比选择时，在满足设计及施工工艺要求的前提下，最大限度减少水泥用量，是实现降低大体积混凝土绝热温升的关键。但在设计强度较高的大体积混凝土工程中，既要求水泥具有高活性，又希望水泥是低发热的，此时选择掺有高磨细度矿渣粉的高强矿渣硅酸盐水泥可同时满足这两种要求。

(2)集料

混凝土的热膨胀系数与集料的膨胀系数有关，应选择热膨胀系数低的集料，所配制的混凝土热膨胀系数低，从而降低混凝土的温度收缩变形。工程实践告诉我们：选择粒径相对较大的粗骨料和细度模数在2.7～3.1的中粗砂，会减少水的用量，有利于水泥用量的减少，还可以减小混凝土的收缩从而减小温度应力和收缩应力。

(3)掺和料

掺和料用于水泥中大多是可以降低水泥发热量和延缓发热时间的，这有利于减缓混凝土的温升过程。如掺入粉煤灰，由于其早期水化活性较低，水化热很小，可以有效地降低大体积混凝土的温峰和温升速率，但其早期抗拉强度及早期极限拉伸值均有少量降低。因此对早期抗裂要求较高的工程，粉煤灰的掺入量应该少一些，否则表面易出现细微裂缝。

(4)外加剂

在混凝土中掺入减水剂或引气剂后，改善其和易性，有助于混凝土的浇筑均匀和振动密实，所以也可能提高混凝土的抗拉强度和抗裂性。而且，在大体积混凝土配合比优化设计时，通过掺入缓凝型高效减水剂，一方面通过减少水的用量，从而达到减少水泥用量，实现降低水化热目的;另一方面由于缓凝，延缓了水泥的水化放热速度和热峰值出现时间，推迟大体积混凝土的凝结硬化速度，防止在大体积混凝土早期抗拉强度较低情况下，产生裂缝。而一些高分子材料外加剂如乳化沥青的加入，一方面提高混凝土的极限拉伸性能，另一方面乳化沥青中的水分能代替部分用水量，即减少了水的用量，最终降低了水泥用量。

2.2施工工艺

(1)原材料预冷和预热

石子、砂子、水的温度对混凝土的温度影响较大，一般情况下，当石子、砂子、水的温度降低l℃时，混凝土的温度分别降低0.63℃，0.19℃，0.13℃左右。冷却拌和水或在拌和时掺加冰屑，是预冷混凝土最简易的方法。地笼取料是将已筛好的骨料分别堆存，并将出料地笼放在地面以下，利用夏季地温低于气温的特点降低骨料温度。此外，还可选用水冷法、风冷法和真空汽化法预冷骨料。在冬季施工为了防止混凝土受冻，当气温不低于-1℃时，一般只须将水加热，以满足出机温度的要求。当气温低于-1℃时，须将水和细骨料加热，同时加热粗骨料使其中的冰雪融化，注意最高温度不宜超过75℃。

(2)浇筑层的厚度和方法

大体积混凝土浇筑方案主要有三种方式：全面分层、分段分层和斜面分层。为了减少浇筑过程中的温度回升，应加快混凝土浇筑速度，在最短时间内覆盖新混凝土。同时应采用台阶式浇筑法，把混凝土浇筑方式从全仓平面改为台阶式浇筑，混凝土层面暴露时间可大大缩短。而冬季施工应减少热量损失，可采用蓄热法、暖棚法等方法施工。

(3)养护环节

前已提及，外界环境的温度和湿度变化会使大体积混凝土产生温度应力和收缩应力导致裂缝，因此在养护环节应使混凝土的表面保持合适的温度和湿度，温度不能太低，湿度不能小，以降低混凝土表面与内部的温差和干燥收缩，从而防止混凝土裂缝的产生和发展。为此，应根据气候条件采取控温措施，并按需要测定浇筑后的混凝土表面和内部温度，根据具体情况增加或减少混凝土表面覆盖的保温层，将温差控制在25℃范围内。为了保证新浇筑的混凝土有适宜的硬化条件，防止在早期由于干缩而产生裂缝，大体积混凝土应在浇筑完毕后初凝之前，先覆盖一层塑料布再覆盖保温草帘养护。

上述方法涉及到的措施费用较高，因而“蓄水法”成了经济实用的首选方法。这种方法只需在混凝土终凝后，在构筑物的表面蓄以一定高度的水。由于水的导热系数为0.58W/m•K，因而有一定的隔热保温效果，可以推迟混凝土内部水化热温度的迅速失散，这样可望在指定的日期内，控制混凝土表面温度与内部中心温度之间的差值，使混凝土具有较高的抗裂性。鉴于混凝土是一种水硬性材料，所以采用“蓄水法”控制温度，有利于保证工程质量(尤其是在强度和密实性方面)，还可以防止混凝土表面发生龟裂，这是采取其它施工方法所不及的。

此外，应做好混凝土的测温工作，随时掌握施工现场的第一手资料。在混凝土浇筑后1～5d内应密切观测混凝土温度的变化，每2~4h测温一次，5d以后每6～8h测温一次，同时量测大气温度，直至不采取措施而内表温差、表气温差均可控制在规范的要求范围。

3 结语

总之，导致大体积混凝土裂缝的原因主要有荷载裂缝、收缩裂缝以及温度裂缝等。大体积混凝土经常出现的问题，不是力学上的结构强度，而是以控制混凝土温度、变形裂缝，提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能，从而提高建筑结构的耐久年限为突出任务。为此，大体积混凝土的施工应优选原材料、优化配合比设计，改善施工工艺，做好温度监测工作并及加强养护，通过合理的施工组织和严格管理控制裂缝发生。

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