大体积混凝土裂缝成因及对策

何蕴 朱孝彤

摘要：随着国民经济的发展，大型现代化技术设施和构筑物不断增多，大体积混凝土往往是构成其主体的重要组成部分。本文通过对大体积混凝土裂缝产生的原因分析，从混凝土原材料选择的控制，粉煤灰和外加剂的合理掺用，混凝土的浇筑与养护等方面，提出了防止大体积混凝土开裂的应对措施。从而保证了工程质量，取得了良好的经济效益。

2） 关键词：大体积混凝土；温度应力；混凝土裂缝；防裂措施

As the national economy develops,large modern technology facilities and structures increase fast, mass concrete always constitutes an important part of the body. This article proposes the measures for preventing the crack of mass concrete from aspects of the control of raw materials selection,reasonable use of fly ash and admixtures,pouring and curing of concrete with the analysis of the reasons for generating the crack of mass concrete.Thus we can ensure the engineering quality and get good economic benefit.

mass concrete; temperature stress; concrete crack; preventive measures

中图分类号： TV544 文献标识码： A 文章编号：

引言

在现代工程建设中，混凝土占有重要地位。然而混凝土的裂缝产生较为普遍，在建筑工程中裂缝屡见不鲜。尽管在施工中采取各种措施，但裂缝仍然时有出现。究其原因，对混凝土温度应力的变化敏感度不够是混凝土裂缝产生的关键因素之一。随着国民经济的发展，大型现代化技术设施或构筑物不断增多，大体积混凝土往往是构成其主体的重要组成部分。大体积混凝土，是指混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于l m，或预计会因水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。大体积混凝土的最主要特点，是以大区段为单位进行施工，施工体积厚大，由此带来的问题是水泥水化作用所放出的热量使混凝土内部温度逐渐升高，由此产生的内部的热量又不易导出，造成较大的内外温差，随之产生的温度应力也较大，加之混凝土早期的抗拉强度低，弹性模量小，致使混凝土开裂，影响工程质量。为了防止裂缝的发生，必须采取切实有效的措施。

1 大体积混凝土裂缝原因分析

影响混凝土裂缝的因素相当复杂，如水泥品种及用量、混凝土入模温度、环境温度、施工方案、配筋率、几何尺寸、混凝土本身的导热性能、收缩变形等。所以要控制裂缝的出现是一个相当复杂的问题，混凝土生产要进行施工前、施工中、施工后的全过程监控。大体积混凝土的裂缝主要是由温度变形引起的。因为混凝土是热的不良导体，散热很慢，浇筑后，大体积混凝土内部温度远高于外部，形成较高的温差，造成内胀外缩，使外表面产生很大拉应力而致开裂，因此，如何减少内外温差是至关重要的。除优化其原材料、加入外加剂，严格控制浇筑过程外，更应对温度这一多变的环节进行严格控制。

裂缝的产生主要有以下几种原因：水泥水化热、外界气温变化、约束条件、混凝土收缩变形。

1.1 水泥水化热

水泥在水化过程中要产生大量的热量，是大体积混凝土内部热量的主要来源。由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在结构内部不易散失，使混凝土内部的温度升高。混凝土内部的最高温度，大多发生在浇筑后的3～5d，当混凝土的内部与表面温差过大时，就会产生温度应力和温度变形。温度应力与温差成正比，温差越大，温度应力也越大。另外，随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也愈来愈大，以致产生很大的拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这些温度应力时，便开始产生温度裂缝。这就是大体积混凝土容易产生裂缝的主要原因。通过实测，水泥水化热引起的温升，在建筑工程中一般为20～30℃，甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种（主要是水化热值）有关，并随混凝土的龄期（时间）按指数关系增长，一般在10～12d 接近于最终绝热温升（视气温变化而异）。一般混凝土绝热温升（水化热温升）Tr可以用下式表示：

式中P—每千克水泥水化热量(kJ／kg)；

R—每立方米混凝土中水泥用量(kg／m3)；

C—混凝土的比热，（kJ／kg）；

ρ—混凝土的密度，（kg／m3）；

α—试验常数，与水泥的放热速率有关；

t—混凝土的龄期（d）；

从上式可以看出：水化热温升主要取决于水泥用量、水化热、水泥的性质与龄期。因此配制大体积混凝土时，要采用水化放热量和放热速率较低的水泥，并尽可能减少水泥用量，延缓水泥的水化放热速率，从而保证混凝土内部的水化热有足够的时间散发出去，以降低内外温差。

1.2 外界气温变化

在施工阶段，外界气温的变化对大体积混凝土的影响是显而易见的。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；而如果外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外界混凝土与内部混凝土的温度梯度，产生较大的温度应力，这对大体积混凝土是极为不利的，因此控制混凝土表面温度与外界气温温差，也是防止裂缝的重要一环。

1.3 约束条件

温度变形、自身体积变形和徐变等受内外约束是混凝土裂缝产生的主要原因。自由且均匀的变形并不产生应力，当温度和自身体积变形受到外部及内部约束时，混凝土产生应力，由边界条件约束而产生的应力称外约束应力；结构自身约束而产生的应力称内约束应力。前者是产生深层裂缝的原因，而后者是产生表面裂缝的原因。混凝土开裂是内外约束应力共同叠加的结果．内部约束应力主要与混凝土内外温差有关，并随着内外温差减小而减小，外部约束应力主要与温升幅度和外界约束强度相关。

实践证明，多数工程混凝土的温差一般在20～25℃之间尚未开裂。这主要因为结构物不可能受到绝对约束，混凝土也不可能完全没有徐变和塑性变形。比如大体积钢筋混凝土与地基浇筑在一起，当早期温度上升时产生的膨胀变形受到下部地基的约束而形成压应力。由于混凝土的弹性模量小，徐变和应力松弛度大，使混凝土与地基连接不牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会出现垂直裂缝。

1.4 混凝土的收缩变形

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形受到外部约束时(支承条件、钢筋等)，将在混凝土中产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时使得混凝土开裂，形成收缩裂缝，影响结构的耐久性和承载能力。引起收缩裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩3种。在硬化初期主要是水泥水化凝固结硬过程中产生的体积变化，中期主要是混凝土在降温过程中伴随的体积收缩，尤其是大体积混凝土，温升大，温降也大，体积收缩比较明显，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。

在混凝土中约20℅的水分是水泥硬化所必须的，而约80℅的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。若有约束，即可能引起混凝土的开裂。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。

1.5 混凝土的内外温差

混凝土内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温度和混凝土的散热温度三者的叠加，外界温度越高，混凝土的浇筑温度也越高。同时，水泥水化过程中产生大量的热量，如果以水泥用量350-550 kg／m3来计算，每米混凝土将放出17500—27500 kJ的热量，从而使混凝土内部温度升高，在浇筑温度的基础上，通常升高35℃左右，如果浇筑温度为28℃，则混凝土内部温度将达到65℃左右。如没有降温措施或浇筑温度过高，混凝土内部的温度还会更高。因为混凝土内部和表面的散热条件不同，所以混凝土中心温度高，表面温度低，形成温度梯度，产生温度应力，当外界温度下降，尤其是骤降，这会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度，也会产生温差应力，当这种温度应力超过混凝土抗拉强度时，就会产生裂缝。因此控制混凝土表面温度与外界气温温差，是防止裂缝的重要一环。《规范》第4.5.3条规定：“对大体积混凝土的养护，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，将温度控制在设计要求的范围内，当设计无具体要求时，温度不宜超过25℃”。

2 大体积混凝土的防裂措施

2.1 原材料选择要求

2.1.1水泥

水泥应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥，考虑到混凝土的抗裂性能、兼顾低热和高强两方面的要求，一般采用低热矿渣水泥，中热硅酸盐水泥掺入一定量的粉煤灰。外露混凝土一般采用较高标号的中热硅酸盐水泥。

但是，水化热低的矿渣水泥的析水性比其它水泥大，在浇筑层表面有大量水析出。这种泌水现象，不仅影响施工速度，同时影响施工质量。因析出的水聚集在上下两浇筑层表面间，使混凝土水灰比改变，而在掏水时又带走了一些砂浆，这样便形成了一层含水量多的夹层，破坏了混凝土的粘结力和整体性。混凝土泌水性的大小与用水量有关，用水量多，泌水性大；且与温度高低有关，水完全析出的时间随温度的提高而缩短，此外，还与水泥的成分和细度有关，配制大体积混凝土的水泥的细度应适当减小，但应以不过分影响水泥的活性为度，所以，在选用矿渣水泥时应尽量选择泌水性的品种，并应在混凝土中掺入减水剂，以降低用水量。在施工中，应及时排出析水或拌制一些干硬性混凝土均匀浇筑在析水处，用振捣器振实后，再继续浇筑上一层混凝土。

2.1.2活性混合材料

工程实践表明，在大体积混凝土中，掺加活性混合材料，既可以降低水泥用量，又可以降低大体积混凝土的水化热温升。最常用的且经济易得的降低水化热的活性混合材料是粉煤灰。掺人粉煤灰时应满足：选用细度合格、质地优良的粉煤灰；粉煤灰的掺量一般以15％～20％为宜。粉煤灰降低大体积混凝土内部温升的作用是综合性的：

(1)粉煤灰的火山灰反应进展比较迟缓，发热的速率较低。在第7天时，粉煤灰火山灰反应的发热量具有纯硅酸盐水泥的17％。试验数据表明，每100kg纯硅酸盐水泥可使混凝土内部温度升高8℃～12℃，用粉煤灰等量取代水泥则可使顶峰温度显著降低。达到顶峰温度的时间也向后推迟。

(2)掺加粉煤灰后和易性得到改善，混凝土中的水泥还可进一步减少，这样更有利于降低混凝土内部温度。

(3)粉煤灰的减水作用，使混凝土强度提高，也能减少出现裂缝的危险。

(4)由于粉煤灰中含有大量玻璃体球形颗粒，内部结构致密，几乎没有裂隙，内比表面积较小，吸附水的能力较低，因而使混凝土的干缩性减小，抗裂性提高。

(5)掺粉煤灰，粉煤灰颗粒呈球形，具有“滚珠效应”而起润滑作用，能改善?昆凝土的粘塑性，并可增加泵送混凝土要求的0．315 mm以下细粒的含量，改善混凝土可泵送性，降低混凝土的水化热。

2.1.3骨料

选用结构致密，并有足够强度的优良骨料，特别是粗骨料，具体应符合有关的标准、规范和规程。除此之外，还应注意以下问题：(1)骨料要求表面洁净，不含杂质；(2)砂子采用中砂，石子采用大粒径的卵石或碎石；(3)砂子含泥量不得超过2.5％，石子含泥量不得超过1％。试验表明，选用最大尺寸的粗骨料、级配良好的中粗砂及合理的砂率，在给定的水灰比和稠度下，水和水泥用量都有所下降。这对降低水泥水化热大有益处。

2.1.4外加剂

大体积混凝土施工所用外加剂应具备下列特点：

(1)缓凝作用：在大体积混凝土中，水泥水化放出的热量不易消散，容易造成较大的内外温差，引起混凝土开裂。外加剂的缓凝作用可使水泥水化放热速率减慢，有利于热量消散，使混凝土内部温升降低，这对避免产生温度裂缝是有利的。

(2)引气作用：由于大体积混凝土的水泥用量相对较少，相应的混凝土拌合物的和易性也较差。在混凝土中引入一定量的微小的封闭气泡，能有效地减小骨料间的摩擦阻力，使混凝土拌合物的和易性和硬化混凝土内部的孔结构得到改善，这也有利于提高混凝土的抗渗性和抗冻性等耐久性指标，而对混凝土的强度却没有不利影响。

(3)高效减水作用：高效减水作用能大幅度减少混凝土拌合用水量，在水灰比保持基本不变的情况下，可大幅度减少混凝土的水泥用量，亦即降低产生水化热的内因。

上述作用的综合效果使混凝土的水化放热速度和放热量显著降低，从而减少混凝土的内外温差。配置大体积混凝土时应根据实验确定外加剂及其掺入量。对于重要的建筑结构可在大体积混凝土中掺加杜拉纤维、聚丙烯网状纤维等外加剂以增加抗裂性能。

2.2 配合比的要求

大体积混凝土的配合比优化设计主要通过调整有关参数，如混凝土原材料用量、粉煤灰掺量、外加剂掺量以及砂率、砂浆体积等参数，进行交叉配合比试验，选择热性能、物理力学性能、施工性能及耐久性最佳的配合比，可用60d强度进行配置，配置出适合工程需要的高性能混凝土，提高混凝土的极限拉伸值。

2.3 后浇带的设置

大体积混凝土施工中，合理分缝分块，不仅可以减轻约束作用，缩小约束范围；同时也可利用浇筑块的层面进行散热，降低混凝土内部的温度。另外，尚可满足绑扎钢筋、预埋螺栓等工序的操作需要，但接缝的处理必须满足防止渗漏水的要求。

后浇带的设置和处理如设计无规定时，其间距一般为30 m～40 m，宽度一般多采用800～1000mm。后浇带的留置时间越长，越能够有效的消除温度应力给混凝土带来的影响，但是为了不影响施工工期，并不影响设备的安装，后浇带的保留时间一般以60天为宜，冬期可适当延长。后浇带封闭前，应仔细凿毛，并将钢筋按设计要求连接好，再用补偿收缩混凝土(亦可在普通混凝土中掺入膨胀剂)将缝灌注密实。

2.4 浇筑温度的控制

《大体积混凝土温度应力与温度控制》中是这样定义的：混凝土入仓后，经过平仓、振捣、铺筑层浇筑完毕，上面覆盖新混凝土时，老混凝土的温度为浇筑温度.。为了降低混凝土的总温升，减少大体积工程结构的内外温差，控制混凝土浇筑温度是一个重要措施。我国《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)中规定：高温季节施工时，混凝土最高浇筑温度，不得超过28℃。要降低浇筑温度必须从降低混凝土出机温度入手，其目的是降低大体积混凝土的总温升值和减小结构的内外温差。降低混凝土出机温度最有效的方法是降低石子的温度，由于夏季气温较高，为防止太阳的直接照射，可要求商品混凝土供应商在砂、石堆场搭设简易遮阳装置，必要时向骨料喷射水雾或使用前作淋水冲洗。此外搅拌混凝土时部分拌和用水以小冰片形式加进混凝土拌合物中也是可行的。炎热季节施工时应持续往泵管上浇水降温，避免日光曝晒及混凝土在泵管中运动时由于摩擦而导致管内混凝土温度升高。必要时须采取冷水冲洗及风冷降温等措施，最好以夜间浇筑为主，少在白天进行，以免因暴晒而影响质量。

2.5 混凝土的浇筑过程控制

大体积混凝土的浇筑工艺主要由浇筑、振捣和泌水浮浆处理三个部分．浇筑中应采用分层连续浇筑，并控制浇筑层厚度和进度，既便于振捣，又可利用混凝土层面散热。整个过程要保证下层混凝土凝结前将上层混凝土浇筑完毕，层间最长的时间间隔应不大于混凝土的初凝时间，以避免冷缝的产生．浇筑过程中应及时进行振捣以保证混凝土的密实性。在振捣时，应将振动棒插入下一层混凝土内约5cm，以消除上下层之间的接缝，使混凝土获得更好的整体性；振捣应快插慢拔，注意欠振、过振及漏振的情况，要着重对有预埋件的部位进行振捣，但要避免振捣器触碰预埋件．在浇筑和振捣后，混凝土的表面会有一定的泌水和浮浆，应及时进行清除，并进行压实、抹面，以防止表面裂缝的产生。对已浇筑的混凝土，在终凝前进行二次振捣，可以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水份和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止一次振捣后因混凝土沉落而出现的裂缝，增加混凝土密实度，从而提高抗裂性。

2.6 加强混凝土的养护

对于大体积混凝土的养护主要是控制混凝土中心和表面温度的温差，并保持一定的表面湿度。

混凝土浇筑后，应及时进行养护。混凝土表面压平后，先在混凝土表面洒水，再覆盖一层塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆盖保温材料进行养护，保温材料夜间要覆盖严密，防止混凝土暴露，防止水份蒸发，保持混凝上表面湿润。保温可以提高混凝土的表面抗裂能力，避免塑性收缩裂缝的出现。有资料表明，潮湿养护时，混凝土极限拉伸值比干燥养护时要大20～50%。在常温季节，混凝土终凝后也可采取蓄水养护的办法，替代前述保温养护办法。保温养护可以调节表面温度下降的速率，使混凝土由于表面与内部之间的温度梯度引起的应力差得以减少。因为，在混凝土已经硬化且获得相当的弹性后，环境温度降低与内部温度提高，两者共同作用，会增加温度梯度與应力差。

此外，考虑在大体积混凝土内部设置冷却水循环降温措施，设冷却水管，但是对于大体积混凝土而言，如果降温过快，虽然内表温差仍然控制在规范要求之内，但由于混凝土内部温差过大，温差应力达到混凝土的极限抗拉强度时，理论上就会出现裂缝，而且此裂缝出现在大体积混凝土的内部，如果相差过大，就会出现贯穿裂缝，影响结构使用，因此，要注意养护过程中降温速率的监测。

3 结语

大体积混凝土浇筑后水泥的水化热很多，由于混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不易散发，混凝土的内部温度将显著升高，从而导致混凝土的内外温差有可能超过25℃，此时产生的温度应力极有可能超过混凝土抗拉强度，产生裂缝，给混凝土结构的强度、整体性、抗震性及耐久性造成严重隐患。所以大体积混凝土施工中的突出任务是控制混凝土温度变形裂缝，提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀能力，从而提高建筑结构的耐久年限。其中混凝土的配合比控制、原材料的质量检验以及施工完成后的保温控制是防止大体积混凝土出现裂缝的关键。施工方案以及外加剂的掺加也是重要的影响因素。

总之，大体积混凝土施工中，要严格按照施工方案组织生产，关键环节重点控制，采取一定的技术手段，控制混凝土的内外温度差，确保混凝土不产生裂缝。

参考文献

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