土建工程中大体积混凝土裂缝的防治技术研究

段雪东

(山西华瑞建筑劳务有限责任公司，山西 长治 046011)

近年来，随着我国国民经济的持续发展，我国建筑行业得到了前所未有的发展，与此同时，我国建筑行业的技术水平也在不断提高，但是随着建筑工程的规模也越来越大，大体积混凝土的应用也越来越广泛，但在实际施工过程中，由于受到诸多因素的影响，大体积混凝土工程经常出现裂缝。由于混凝土的热胀冷缩特性和水化热特点，如果裂缝发生会在混凝土内部引起温度应力和水化热应力，从而导致混凝土产生温度裂缝，同时在实际施工过程中，由于施工工艺、材料性能等方面原因也会导致大体积混凝土产生裂缝。因此，对大体积混凝土裂缝进行研究和分析是十分必要的，因此在土建工程施工中，必须对大体积混凝土裂缝问题引起足够重视，采取有效措施对其进行控制和预防，以确保结构的安全性和稳定性。

1 大体积混凝土及其关键施工工艺

大体积混凝土在土木工程中被广泛应用，它通常指的是具有较大体积、较厚混凝土浇筑部位，或者在一定时间内浇筑量较大的混凝土工程，这类混凝土施工的特点是施工部位的尺度大、温度控制要求高，因为大体积混凝土在凝固过程中，由于水泥水化放热、热量积累和外部环境热交换不平衡，可能导致内外部温差过大而产生裂缝。大体积混凝土施工关键工艺流程如下：1)混凝土选择与配比设计：大体积混凝土施工中需要选择低热水泥或者矿物掺和材料，以减少水泥水化放热的热量，同时应设计合理的混凝土配比，以保证混凝土的强度和耐久性；2)施工工艺：大体积混凝土的浇筑应尽可能连续进行，以避免由于浇筑间断造成的施工缝，此外大体积混凝土的浇筑高度和浇筑速度也需要控制在适宜的范围内，以保证混凝土的均匀性和凝固质量[1]；3)温度控制：由于大体积混凝土在凝固过程中容易产生温度裂缝，因此需要进行严格的温度控制，包括混凝土的初温控制、浇筑过程中的温度监控以及后期的养护温度控制；4)养护工艺：大体积混凝土的养护应尽可能进行湿养，以减少水分蒸发造成的混凝土收缩，同时应对混凝土进行适当的覆盖，以防止由于环境条件的改变导致混凝土温度的快速变化；5)裂缝预防与治理：在大体积混凝土施工过程中，应提前预测可能产生裂缝的风险，采取适当的预防措施，如采用预应力技术等，如果出现裂缝应立即进行裂缝的修补和治理，以保证工程的安全性和耐久性。

2 大体积混凝土裂缝的形成原因分析

2.1 原材料选择和配比因素

在大体积混凝土中，水泥是最重要的原材料，它的质量直接影响到混凝土的性能，由于水泥质量不稳定很容易出现膨胀现象，当混凝土达到一定强度时会产生裂缝，因此在大体积混凝土施工中要选择合格的水泥，避免使用质量不达标的水泥。另一方面，在大体积混凝土中加入水、粉煤灰和矿粉等掺合料是为了增加混凝土的和易性，但如果这些材料加得过多会导致混凝土中的含砂率增加，从而降低了混凝土的强度。此外，在大体积混凝土施工中要严格控制骨料用量，防止骨料过多或者过少。当骨料过多时会造成混凝土离析现象，进而导致砂率增加；当骨料过少时会造成水灰比降低和水泥用量减少，这两种现象都会使混凝土内部形成温度梯度。

2.2 温度因素影响

大体积混凝土由于体积较大，因此受到的温度应力也会增加，且随着温度的不断变化，混凝土中温度应力也会发生变化，在温度应力的作用下，混凝土内部会产生拉应力和压应力。当拉应力大于混凝土抗拉强度时会导致混凝土出现裂缝。在外界环境中温度变化是影响大体积混凝土结构裂缝产生的主要因素，如在夏季气温较高时，混凝土内部的温度升高，而表面降温速度较快；在冬季气温较低时，表面降温速度较慢，因此在实际施工过程中要综合考虑混凝土结构的内外温差以及外界环境对大体积混凝土的影响，采取有效措施降低内部温度和表面温度之间的差值，而对于影响温差最主要的因素就是水泥水化热，需要引起工程施工人员的充分重视[2]。

2.3 混凝土施工方面的原因

1)水泥水化热：在混凝土浇筑后，水泥产生水化热会在混凝土内部聚集，从而导致温度升高，这种温度应力也会引起裂缝；2)凝土收缩：混凝土在浇筑后，由于早期水分蒸发，导致体积收缩，从而出现裂缝；3)新旧混凝土接合面处理不当：在新旧混凝土接合面处，如果施工时处理不当，很容易导致裂缝产生；4)混凝土原材料质量问题：混凝土原材料如水泥、砂、石等质量不合格也会导致裂缝；5)混凝土浇筑厚度不足：当混凝土浇筑厚度不足时，由于混凝土的抗拉强度很小，就会出现裂缝；6)温度控制：在施工过程中如果对温度进行控制不到位也会造成裂缝的产生；7)施工技术原因：在大体积混凝土施工中，如果由于技术方面原因而导致出现裂缝的情况，要根据裂缝产生的原因采取针对性的处理措施，另外对大体积混凝土进行施工时要加强过程控制和质量控制。

3 大体积混凝土裂缝的预防技术

某高层住宅工程为三栋独立的板式结构，建筑高度分别为100.7m、156.5m和187.5m，建筑总面积为29770m2。本工程为七层砖混结构，地下二层为车库，地下一层为设备用房，地下室基础采用桩筏基础，施工顺序为先浇筑基础梁、板后浇筑底板及顶板。本工程混凝土浇筑的设计方量约10000m3，浇筑顺序是先浇筑底板、后浇筑梁、再浇筑板。由于底板及梁的厚度较大，混凝土方量较多，浇筑时需要充分考虑到其实际施工工艺和施工条件，选择合理的浇筑顺序，同时应严格控制好混凝土的搅拌时间，并选择合适的振捣方法，以确保混凝土的密实性和稳定性。

3.1 合理选用原材料

大体积混凝土施工技术主要是为了降低水泥水化热温升，防止由于温度应力引起的裂缝。大体积混凝土施工技术对水泥品种的选择非常严格，必须严格控制水泥的用量，降低水化热温升，并通过掺加高效减水剂、膨胀剂等技术措施来降低混凝土的内部温度，避免产生温度应力而导致裂缝。在选择外加剂时，必须严格控制外加剂的用量，因为不同外加剂对水泥水化热温升的影响不同。如当掺入引气剂时，在保持混凝土坍落度和和易性基本不变的情况下，可降低水灰比；当掺入减水剂时，虽然增加了混凝土拌合物的坍落度和和易性，但会使混凝土的塌落度减小，导致混凝土硬化期间水泥浆量大增。因此在混凝土中掺入引气剂时要特别注意不能同时使用两种外加剂[3]。另外外加剂对大体积混凝土的收缩影响较大，在选用时应充分考虑混凝土收缩性能。骨料的选用也是大体积混凝土施工技术中应重点控制的环节。骨料级配主要影响到混凝土内部水化热温升、抗裂能力及早期强度等。实践证明采用中、粗砂配制的大体积混凝土，其早期强度高，后期强度增长缓慢，因此在骨料级配上应尽量选用中粗砂和细度模数2.8以上的石子，以减少水泥用量和降低水化热温升。另外，还应尽量选用级配良好、质地坚硬、色泽均一、颗粒均匀且无风化和杂质的石子，还要尽量选用碱性集料或碱性掺合料，以中和骨料中所含的酸性物质。

3.2 合理的配合比设计

大体积混凝土配合比设计除了考虑强度外，还应考虑抗裂性能和耐久性，根据JGJ 63—2009 《普通混凝土配合比设计规程》，大体积混凝土宜采用缓凝型减水剂，能减缓水泥水化热，减少水化热温升，减小混凝土体积变形和收缩。在满足强度要求的前提下，应尽可能降低水泥用量。一般情况下，掺加粉煤灰后混凝土的强度会有所提高，但不宜超过30MPa，否则混凝土的抗拉强度下降，同时为了降低用水量可采用粉煤灰替代部分水泥，另外在混凝土中掺加一定量的膨胀剂能有效地补偿新拌混凝土收缩。配合比设计时还应考虑使用年限，大体积混凝土在后期会受到环境侵蚀作用和水化热等因素的影响出现裂缝，因此在设计时要考虑到环境侵蚀作用和水化热对结构的影响。另外，由于大体积混凝土温度变化剧烈，容易产生温度应力和收缩应力，因此应根据具体情况调整配合比，在保证强度和耐久性的前提下，尽量减少水泥用量，采用高效减水剂，在保证施工质量的前提下降低水泥用量[4]。

3.3 控制混凝土的施工质量

1)合理选择配合比。根据材料供应情况和现场试验确定合理的配合比，通过试验确定原材料的用量，严格控制水灰比，尽可能减少水泥用量，降低水泥水化热；2)严格控制混凝土的浇筑温度。当混凝土浇筑温度大于20℃时，应采取冷却措施，以降低混凝土内部最高温度。由于浇筑温度高，降温速度快，所以施工中必须加强浇筑过程的质量控制；3)尽量采用低热或中热水泥，减少水泥用量。另外，还应尽可能降低混凝土的入模温度；4)采用缓凝剂和高效减水剂来减少水泥水化热的释放速率并提高其释放速率的极限值，从而降低水化热的峰值和峰值温度；5)应在混凝土中埋设冷却水管或其他冷却装置以降低混凝土内部最高温度并控制混凝土内外温差；6)加强混凝土振捣工作。振捣过程中应尽量避免对已成型的混凝土表面进行二次振捣，并采用二次振捣法施工以提高混凝土内部温度和防止表面裂缝产生。

3.4 加强混凝土施工温度控制

大体积混凝土温度控制主要包括两方面的内容：一是降低混凝土的入模温度，二是加强混凝土内部与外部的热交换。1)降低混凝土入模温度：可以采用降低水泥用量、降低浇筑温度、使用水化热低的水泥、降低拌和水的温度等措施来达到降低混凝土入模温度的目的；2)加强内部与外部的热交换：可以采取保温保湿养护等措施，尽量减少外部环境对大体积混凝土内部热量的交换，如在混凝土浇筑完成后立即覆盖保温材料，或者用泵送水将混凝土表面吹干；3)加强混凝土内部与外部的热交换：可以通过增加浇筑层面和覆盖保温材料来实现[5]。比如在大体积混凝土内部铺设热水管道，或者用蒸汽养护等方式来实现。当在大体积混凝土内部放置冷却水时，由于水温与气温相差较大，很容易引起温度应力产生，进而导致大体积混凝土出现裂缝；4)合理安排施工进度：大体积混凝土浇筑过程中应尽量避免高温或低温季节施工，宜在气温较低或降温速度较快时施工，或者在低温季节来临前结束施工。此外，还可以根据工程要求调整施工工序，使大体积混凝土内部温度达到均匀分布，从而避免温度应力产生。

3.5 控制混凝土的养护工艺

养护是大体积混凝土施工中不可缺少的重要环节，而养护条件又直接影响着混凝土的抗裂性能。在混凝土浇筑完成后，应立即采取保温保湿措施，在浇筑后12h内进行保湿养护，防止表面失水过快产生干缩裂缝。采用覆盖保湿薄膜和草袋对混凝土进行保湿养护，并保持混凝土表面湿润。当采用土工布覆盖时，土工布必须事先经过严格的筛选和清洗，并应及时对土工布进行遮盖。在混凝土养护期间应密切注意混凝土的温度变化和湿度变化，并采取必要的保温保湿措施，以确保混凝土表面不发生干缩裂缝。对大体积混凝土施工来说，除加强保温保湿养护外，还应做好降温措施，为防止温度裂缝的出现和发展，降温速度不宜过快，可通过调整结构物的计算模型来进行控制[6]。

4 大体积混凝土裂缝的治理技术

4.1 表面封闭法

表面封闭法是指在裂缝表面涂抹水泥砂浆或聚合物来封闭裂缝的方法，常用的聚合物有聚乙烯醇、丙烯酸酯、乙基甲基丙烯酸酯、聚氨酯等；水泥砂浆通常是以普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥为主，加入适量的砂、石、水搅拌而成。在表面封闭法中，聚合物的应用较为普遍，它不仅可以提高混凝土的强度和抗渗性，而且还能使混凝土有一定的柔韧性。该方法施工简便，造价低廉，对结构和环境无不良影响，但其缺点也很明显：1)需用工具将聚合物涂到裂缝上，不能直接涂在表面；2)聚合物遇水会溶胀，所以施工完毕后要注意防止积水；3)施工过程中有可能会有灰尘及砂粒等落入裂缝内，这会对聚合物的效果造成影响。此外，表面封闭法的修补效果也不是很好，尤其是一些表面形成的缺陷无法被修补到，该方法适用于较浅的裂缝和结构受力不大的裂缝，对于较深或者贯通的裂缝则不适用，表面封闭法虽然简单方便、造价低廉，但它易受到温度和湿度变化的影响，修补效果较差。

4.2 封闭剂处理法

裂缝封闭剂处理法的施工工艺：1)把裂缝两侧各宽1 cm处的混凝土凿成V形槽口，并清除干净；2)将丙酮、二甲苯等溶剂倒入一个容器内，用毛刷蘸上丙酮，均匀地涂刷在裂缝表面上。当溶剂干后，再用毛刷蘸上二甲苯涂刷，然后用水清洗干净；3)在裂缝两侧各宽1 cm处各涂刷一遍二甲苯；4)把涂刷好的丙酮、二甲苯等溶剂清理干净后，用水清洗干净，并在表面涂抹一层水泥浆，待其干后，再用丙酮、二甲苯等溶剂再涂刷一遍，此过程要反复进行三次，这样就完成了一次封闭处理；5)在每次涂刷前，都要先用毛刷蘸上丙酮、二甲苯等溶剂均匀地涂刷在裂缝表面上，并确保裂缝两侧各涂刷一遍；6)为确保封闭处理效果，应保证第一次涂刷的丙酮、二甲苯等溶剂干后再涂第二次，涂完一次后应等待干燥一天后再涂第二次，这样才能保证封闭处理效果良好[7]。

4.3 化学灌浆处理法

化学灌浆是利用化学材料，通过化学变化，把原来疏松的混凝土或钢筋混凝土中的细小裂缝或微裂缝充填、加固或处理成为具有整体性、防渗性和耐久性的结构。1)环氧灌浆法：适用于结构密实，较宽且深的裂缝及混凝土表面不平整和有龟裂现象的裂缝，用环氧树脂浆灌缝胶将裂缝封闭后，在其上面覆盖塑料薄膜或钢板以减少灌浆时浆液蒸发。在有水条件下，将环氧灌浆材料和水混合形成浆液，压力将其灌入混凝土中，该方法在工程中得到广泛应用；2)环氧灌缝带：适用于厚度大于2 mm以上的裂缝。用环氧树脂砂浆或环氧树脂浆材将其封住，形成宽2cm、厚1cm的嵌缝材料层，再用环氧胶泥或环氧砂浆封住；3)丙凝灌浆法：适用于表面不平整和有龟裂现象的裂缝及裂缝两侧2cm内水泥砂浆层开裂等情况。在裂缝表面凿槽，然后用丙凝灌浆材料将其灌实、封严。丙凝灌浆材料通常采用双组分(A组分为丙烯酰胺单体，B组分为丙烯酰胺/乙二胺)，通过化学反应形成胶凝材料，该胶凝材料与水反应生成水化硅酸钙凝胶，浆液将其充填在混凝土中形成整体；4)聚合物砂浆灌浆法：适用于各种结构裂缝的灌浆处理[8]。一般采用聚合物水泥砂浆通过机械抹灰或刮涂等方法进行处理。主要原理是利用化学药剂在裂缝部位固化后形成具有一定强度和抗渗性能的整体，该方法施工方便，费用低廉，但材料成本较高；5)压力灌浆法：适用于灌浆压力较大的裂缝处理。通常采用低压、慢速、间歇、分散的灌浆方法，以确保浆液能灌入结构体较深部位或缝隙中，如果浆液在较短时间内就硬化了则可以停止灌浆。

4.4 收缩裂缝的防治

收缩裂缝一般是由混凝土的干燥收缩、自收缩和干燥膨胀引起的，而干缩裂缝一般与水灰比、水泥用量、砂率、温度、风速有关。干缩裂缝的防治措施有：1)严格控制混凝土配合比，选用干硬性混凝土，采用泵送施工；在混凝土中掺加适量的微膨胀剂或补偿收缩混凝土，一般用水量比普通混凝土减少5%～10%；2)加强早期养护，对新浇筑混凝土及时覆盖，并洒水养护，保持湿润状态；3)合理安排施工工序，尽量在水泥初凝前将结构物浇筑完毕；4)在大体积混凝土内部埋设水管，通入冷水对内部进行冷却养护；5)在大体积混凝土表面涂刷一层液体改性沥青或其它的涂料；6)在混凝土表面覆盖塑料薄膜或草袋等吸水性能良好的材料；7)设置后浇带或分块浇筑等措施[9]。一般设置在有抗腐蚀要求的结构物、地下工程及有防水要求的结构物中，采用上述措施，可有效地减小收缩裂缝。大体积混凝土由于水化热较高，水泥用量较大，加之混凝土浇筑后散热较慢，导致内外温差较大而产生收缩裂缝。当收缩应力大于混凝土抗拉强度极限时即会产生裂缝，为防止这种裂缝的产生，要做好以下几方面工作：1)合理选用水泥品种及用量，控制水灰比；2)改善骨料级配、掺入适量的混合料；3)适当掺加混合料外加剂或泵送剂。

5 结语

综上所述，大体积混凝土裂缝的防治是一项长期而又复杂的工作，为了防止裂缝的产生，首先要在施工过程中控制好水灰比，采用补偿收缩混凝土技术，降低水化热引起的温升和内部温度梯度；其次要合理安排施工工序，尽量降低混凝土的出机温度和浇筑温度；再次要做好早期养护工作，避免温度应力引起混凝土开裂；最后要对大体积混凝土进行表面保温保湿养护，以降低收缩应力。总之，为了防止大体积混凝土裂缝的产生，必须从设计、材料选择、施工工艺、现场管理等多方面采取综合措施，以此才能从根本上解决大体积混凝土裂缝的问题，从而保证大体积混凝土结构的安全和使用寿命。