浅谈大体积混凝土裂缝成因及施工措施

近年来，在高层结构、大型设备基础以及大规模的基础设施建设中常常采用大体积混凝土施工。大体积混凝土开裂屡见不鲜，已经成为困扰混凝土工程界的焦点问题。开裂的裂缝降低了混凝土结构的承载能力，引发了安全隐患。同时裂缝的出现为水和其他有害侵蚀性介质向混凝土内部扩散提供了通道，侵蚀性介质的侵入加剧了混凝土结构中的钢筋修饰，劣化了工程的耐久性。为了保证大体积混凝土结构具有可靠的服役性能和耐久性能，必须在施工过程中将大体积混凝土开裂的潜在危险性降至最低。

2009年9月在我公司李楼铁矿和吴集铁矿(北段)联合建设工程750万t/a主厂房球磨机基础及磨矿仓筏板基础工程施工中，经过有效措施的预防，取得良好的效果。主厂房内设3台球磨机，其基础尺寸为长12.27m，宽9.62m，高13.1m，每个基础混凝土量达1500m3;磨矿仓筏板基础长138.1m，宽10.8m，厚2.1m，混凝土量达3130m3 。

2　大体积混凝土

大体积混凝土是一个相对的概念。美国混凝土协会(ACI)这样定义：任何就地浇筑的大体积混凝土，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂。日本建筑学会这样定义：结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土，称之为大体积混凝土。我国学界的定义也不尽相同。有的规定建筑物的基础最小边尺寸在1～3m范围内就是大体积混凝土。也有的规定混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因为水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂隙的混凝土称为大体积混凝土。故不能简单规定混凝土的某个尺寸或某个内外温差，而应根据实际浇筑时候的外界情况而需采取温控措施最小体积的混凝土称为大体积混凝土。

3 大体积混凝土开裂的特征

大体积混凝土温度裂缝属变形荷载引发裂缝，有别于外荷载引发裂缝，主要体现在以下两个方面：一方面温度裂缝的起因为水化导致内部温升从而引发混凝土发生体积变形，在外部约束与内部约束共同作用下产生温度应力，当温度应力超过混凝土抗拉强度时温度开裂发生。混凝土虽然属于脆性材料，但早期混凝土处于粘弹状态，在内部拉应力的作用下产生拉伸徐变，拉伸徐变在很大程度上释放了大体积混凝土内部的温度应力。故拉伸徐变是大体积混凝土早期温度开裂区别于荷载产生裂缝的主要特点，在进行大体积混凝土早期内部应力计算时应充分考虑。另外一方面大体积混凝土内部早期温度应力产生是温度变形的作用，而内部的温升是受胶凝材料水化反应放热过程控制、决定，而胶凝材料水化反应是随龄期逐渐进行的，故大体积混凝土早期内部温度应力随水化反应进行发展变化，应力的发展直至温度开裂产生是一个逐渐进行的过程，故大体积混凝土的温度应力应按分段叠加的方法来求得。而按普通外荷载计算原则，从外荷载作用，结构内力形成，直至裂缝的出现与扩展，似乎都是在一瞬间完成的，是某个“瞬间过程”。

4 大体积混凝土裂隙成因

大体积混凝土很难完全防止裂缝，但如果重视温控设计并注意改善影响的各种因素，最大限度地减少裂缝及避免严重裂缝是可以做到的。对于重要部位超过温控标准可能发生裂缝的情况，最好进行裂缝的稳定分析，提出临界缝长及临界温度应力，采取重点防护措施，避免产生大缝(超过临界缝长)及严重缝，做到防患于未然。

4.1 混凝土早期内部温度影响

在大体积混凝土中，温升是由水化热引起的。混凝土内部温度升高并且膨胀，而混凝土表面处于冷却和收缩状态，如果内外形成温差过大，则在混凝土表面产生拉应力引起开裂。裂缝的宽度和深度取决于热的混凝土内部和冷的混凝土外表面之间的温度差大小。图1为早期混凝土内部典型的温度及温度应力随时间发展曲线，可见在浇筑后的几个小时后混凝土内部由于温度升高会产生压应力作用，但由于此时混凝土弹性模量较低，故压应力值不大。温度峰值达到之后，混凝土内部的压应力由于温度不断降低而迅速减小。混凝土逐渐处于零应力状态。处于零应力状态时，混凝土内部的温度往往仅比温度峰值低几度。随着混凝土内部温度进一步降低，拉应力逐渐产生，而此时混凝土已具有较高的弹性模量，同时随着硬度和刚度的不断提高，混凝土对于应力的释放作用减弱，故混凝土内部拉应力发展较快导致开裂潜在可能性增加。
混凝土早期内部温度影响

温度应力可表达成温差、弹性模量以及混凝土热膨胀系数的方程，而混凝土早期的热膨胀系数往往与混凝土内部湿度状况相关。若要对大体积混凝土早期温度应力做出准确的评估与预测，必须研究混凝土早期热膨胀系数及其随时间发展变化情况。而早期混凝土属于弹塑体，因此应用线形变形测试手段监测其热膨胀系数存在一定困难。对此一些混凝土学者开展的具有针对性的研究。日本学者I.Shi-masaki等人应用非接触式高精度位移传感器测定了混凝土早期的热膨胀系数。其研究结果见图2，可见混凝土早期热膨胀系数并非定值，而是随龄期逐渐发展变化，在浇筑后的几个小时后，混凝土热膨胀系数变化尤为明显。以往的混凝土温度应力计算中经常常将混凝土的热膨胀系数视为定值处理，这种方法显然与实际情况存在较大偏差。

同时，由于混凝土是热的不良导体，水泥水化过程中释放出的水化热短时间内不容易散发。特别是大体积混凝土，当产生大量水化热时，混凝土内外产生很大温差，从而导致混凝土内部存在温度梯度，温度梯度的产生导致温度变形梯度以及层间约束形成，从而加剧了表层混凝土内部所受拉应力作用，导致表层混凝土开裂危险性的提高。

4.2 外界气候条件变化

大体积混凝土在施工阶段，内部温度、温度应力往往受到外界气温变化影响。外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高;而外界温度下降则增加混凝土的降温幅度。特别是气温骤降会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，对大体积混凝土是极为不利。混凝土内部的温度是水化热的绝热温度，浇注温度和结构物的散热降温等各种温度叠加，而温度应力则是由温差引起的温度变形造成的;温差愈大，温度应力越大，当温度应力超出了混凝主的抗拉强度时，就会出现温度开裂。

4.3 早期养护不良

早期混凝土处于凝结硬化过程，内部结构相对疏松，当表面养护不当时，水分很容易向干燥环境散失。水分的蒸发、散失导致表面干燥和干缩变形的产生，表层混凝土的干缩变形受到基体的约束使得内部产生拉应力。干缩变形受到约束产生的拉应力与温度应力的叠加效果和综合作用增加了大体积混凝土表面干裂的潜在可能性。

5 大体积混凝土控制温度开裂措施

为防止出现开裂，建设工程中的设备基础工程、房屋筏板基础工程或其他无筋混凝土(抗压强度相对较低)的构件要考虑温度控制。其内部温度不能比当地环境年平均温度高出11℃～4℃(ACI 308)。

5.1 降低胶凝材料早期水化放热

减少水泥水化热主要是通过减少水泥用量和选择低水化热水泥品种。具体可以通过以下几项措施来达到目的。

5.1.1 优化混凝土的配合比设计

在保证强度的前提下，尽可能降低水泥用量，从而降低混凝土水化热温度升值，选料要选用粗细骨料粒径和级配连续的、粒径较大的粗骨料配置混凝土。水泥用量一般为120～270kg/m3;粗骨料直径为75～150mm，可占总集料量的80%。

5.1.2 掺加掺合料和外加剂

混凝土内适当掺加Ⅱ级以上的粉煤灰来部分取代水泥以减少水泥用量，粉煤灰取代水泥剂量百分率不得超过规范规定，同时也掺加缓凝剂与减水剂，使缓凝时间在8h以上，从而改善混凝土拌和物的流动性、粘聚性和保水性，在降低用水量和提高后期强度的同时，降低水化热、推迟放热峰值出现时间。

5.1.3 选择低水化热水泥

采用低水化热的粉煤灰水泥或矿渣硅酸盐水泥，控制混凝土内部温升。

5.1.4 高水泥用量的大体积混凝土措施

高水泥用量的(300～600kg/m3)大体积钢筋混凝土结构构件不能用上面提及的浇注工艺和控制措施去控制裂缝。对这类混凝土(常用于板式基础和球磨机基础)，比较适用的技术有：①对整个混凝土构件进行连续浇注：②避免来自相邻混凝土构件的外部束缚，③防止混凝土内外产生过高的温差以控制内部的热应力梯度。后者是通过绝热，如用帐蓬遮盖、被覆棉被和在聚乙烯膜上铺砂使混凝土保温来实现的。研究结果和经验表明如果混凝土内外温差最大不超过20℃可防止混凝土表面开裂(FitzGibbon 1977、Fintel和Ghosh 1978)，相应的内部裂缝也减少。

5.2 优化大体积混凝土浇筑施工工艺

优化浇筑工艺，采用斜面分层、薄层浇筑、连续推进的方式。分层厚度应控制在300mm～500mm之间，采用插入式振动器振捣，插点间距和振捣时间应按施工规范要求执行。布置冷却管，在浇筑前预先在混凝土模内按1.0m层距布设降温冷却水管，待每层循环水管被混凝土覆盖后进行该层水管通水，使混凝土内部温度降低。埋设测温管，及时观察和掌握混凝土内外温差，以便采取相应的措施防止温度裂缝。

5.3 确保大体积混凝土前期的养护时间

为确保大体积混凝土的质量，做好混凝土的保温保湿养护，在混凝土上方搭盖保温棚，以及表面蓄水，喷洒养护液形成保湿膜或直接洒水养护等，降低混凝土内外温差，慢降温，发挥徐变特性，减少温度应力。采取长时间的养护，规定合理的拆模时间，延缓降温的时间和速度。

混凝土与周围环境进行热交换的速度很慢是由于混凝土的导热系数小。混凝土热散发的速度与其最小尺寸的平方成反比。例如厚度为0.15m的墙体，如从墙体两侧冷却，散发所放出热量的95%约需1.5h，而厚度为1.5m的墙体散发同样的热量则需整整一周(ACI 207)。可用价廉的热电偶来监测混凝土的温度。

6　结语

混凝土裂缝不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响建筑物的承载能力，因此，在施工中需要采取各种措施来预防裂缝特别是重点部位大体积混凝土裂隙的出现和发展，以保证建筑物和构件安全、稳定地工作。