建筑大体积混凝土变形开裂防治措施

吴子鑫

摘要：在建筑基础建设过程中，大体积混凝土施工时常由于受到内外温度差及变形约束而产生裂缝。产生裂缝的原因有许多，主要从源头开始做好，并全过程进行有效的防裂措施，防止大体积混凝土裂缝的产生。本文就建筑大体积混凝土变形开裂防治措施进行分析，供同行借鉴参考。

关键词：大体积混凝土；开裂原因；防裂措施

一、建筑大体积混凝土温度变化过程

水泥在凝结硬化过程中，会放出大量水化热，在开始凝结时放热较快，以后逐渐变慢，普通水泥最初3天放出的总热量占总水化热的50%以上。水泥水化热与龄期的关系曲线如图1所示，Q0为水泥的最终放热量，m为系数，与水泥品种及混凝土入仓温度有关。大体积混凝土的散热过程较长，往往数年后水化热才能消失，其温度变化要经历三个时期：升温期、冷却期和稳定期，如图2所示，由图可知，△T=Tp+Tr-Tf，要减小温差△T，要从降低混凝土入仓温度Tp和控制混凝土最大温升Tr着手。

二、建筑大体积混凝土裂缝产生原因分析

（1）水泥水化热是大体积混凝土开裂的主要原因

水泥结硬产生大量水化热，由于大体积混凝土散热条件差，混凝土导热性能不良，水化热基本都积蓄在浇筑块内，使内部温度升高，有时块体内部温度可达60～80℃。而表面混凝土冷却相对迅速，使混凝土块体内外形成一定的温度梯度。表面温度降低引起的收缩受到内部尚未收缩混凝土的约束，产生表面温度拉应力。温度应力大小，由于约束条件不同，计算方法也不同，内部约束引起的温度应力最大值简易计算如式2-1。混凝土抗拉强度较低，当表面温度拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生表面裂缝。

（式2-1）

式中，αc——膨胀系数；

μ——混凝土的泊松比；

Ee——在龄期7小时有效弹性模量；

△Tg，max——龄期7小时中心部位最高温度与表面温度差

（2）约束是产生裂缝的必要条件

由混凝土块体内外温度梯度所产生的表面温度拉应力，是由内约束引起的，外部约束同样会引起裂缝，而且是引起大体积混凝土深层裂缝的主要原因。外部约束即结构物的边界因素对结构物变形的约束，比如桥梁的承台会受到桩基和基岩的约束，长龄期老混凝土会对其上浇筑的新混凝土产生约束。在混凝土凝结硬化初期，混凝土塑性较大，因不能变形而产生的压应力比较低，随着混凝土温度的逐渐下降，体积产生温缩和干缩，这时混凝土已硬化，并与边界物质粘结牢固，从而受边界因素约束不能自由收缩，而使混凝土内部除抵消了原有的压应力外，还产生了拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉极限强度时就产生裂缝。这种裂缝一般在温差（最高温度与最终稳定温度差）25℃以上才会发生，裂缝往往较深，严重破坏建筑物的整体性、安全性和耐久性。外部约束应力最大值简易计算公式如式2-2。

σ2，max=krEcαc△Tmax（式2-2）

其中，△Tmax=Tp+Tr-Tf

kr——外部约束系数；

Ee——有效弹性模量；

αc——膨胀系数；

Tp——混凝土的浇筑温度；

Tr——混凝土温度上升的最大值；

Tf——混凝土最终稳定的温度

在分析大体积混凝土所承受拉应力时，要同时考虑内约束和外约束引起的拉应力σ1，max和σ2，max。

三、大体积混凝土防裂措施

（1）材料选择

在水泥选择方面，应使用水化热低的水泥，如中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥，不宜使用水化热高的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，更不宜使用早强水泥。粗集料的选择宜选择以粒径较大、自然连续级配的粗料配制，这种粗集料和易性较好、节约用水量和水泥量、抗压强度也较好，较大粒径集料虽在吸热上有优越性，但要考虑混凝土的质量问题。细集料采用优质的中粗砂为宜，严格控制砂石含泥量。

在外加剂方面，可掺加缓凝剂或缓凝型减水剂，缓凝剂延长混凝土硬化时间，使其较长时间的保持塑性以降低在约束条件下产生的应力，减水剂节约水泥用量，降低水化热。近年来采用的双掺技术，即采用磨细矿渣粉（S95级以上）和粉煤灰（I级）替代或超量替代水泥，作为混凝土中的水化放热材料。双掺法一方面降低了水泥用量，另一方面，其组分中的SiO2和Al2O3与水泥水化反应的产物Ca（OH）2发生二次水化反应，使混凝土后期强度得到增长，其强度相对未采用双掺法混凝土的最终强度不降反升，并因其二次水化反应速度慢，使大体积混凝土的水化放热峰值得到了有效的降低和推迟。

（2）设计措施

①设置后浇带

即在大体积混凝土浇筑过程中，预留的具有一定宽度且经过一定时间后再浇筑的混凝土带，即临时性施工缝。后浇带根据具体条件，保留一定时间后，再进行填充封闭。后浇带的存在为大体积混凝土在硬化过程中的变形提供了伸缩空间，减小了约束所带来的温度应力。后浇带设计大样详见下图3。

②合理配置钢筋

钢筋与混凝土能够较好的粘结在一起，而且热膨胀系数相近，在温度变化时，两者之间由于变形量不同而带来的内应力很小。混凝土抗拉强度低，而钢筋抗拉强度高，如在构造方面进行合理配置钢筋，当混凝土的强度达到极限强度、变形达到极限拉伸值时，应力开始转移到钢筋上，从而避免裂缝的开展。

③设置滑动层

为了减小外部约束所带来的拉应力，可在混凝土与外约束的接触面上全部铺设滑动层，如遇到较厚的混凝土垫层或约束强的基岩时，可设滑动层。设置滑动层是新工艺，应用不太广泛，一般天然地基大面积基础为减少地基约束多采用1道油毡为主体、辅以防水涂料粘结层，如沥青。砂石垫层做滑动层，还有抗震效果，可在地基上面布置80mm厚的卵石层，再在卵石层上面铺上一层20mm后的砂垫层，如图4所示。夹心橡胶垫层可在较厚混凝土垫层上铺一层约30mm夹心橡胶垫片，如图5所示。

（3）施工措施

①降低混凝土入仓温度

为了降低混凝土入仓温度，可在料场加大骨料的堆积高度，以利于散热；在砂石堆场、运输设备上搭设遮阳装置；采用低温水或冰水拌制混凝土；对骨料进行预冷，如水冷（喷水冷却、浸水冷却）和气冷（在供料廊道中通冷气）。

②浇筑控制措施

为了使混凝土在施工过程中可自然散发一定热量，扩大浇筑面积、散热面，可分层分段浇筑，浇筑方法有：全面分层法、分段分层法、斜面分层法。图6中1为模板，2为新浇筑混凝土，3为已浇筑混凝土。

四、预埋冷却水管

预埋冷却水管来控制混凝土的水化热温升，是比较有效的方法。实际工程中多采用钢管、铝管高强聚乙烯管作为冷却水管，直径一般为25mm，壁厚为1.5～2.0mm，一般在混凝土浇筑前按蛇形进行安装。设置水平间距在1.5m～3.0m，铅直间距一般为混凝土的浇筑层厚。如桥梁的大体积混凝土承台冷却水管平面可按图7所示布设。通过测温点测量，可掌握内部各测点温度变化，及时调整冷却水的流量，控制降温速率控制在1.5℃/d内，内外温差小于25℃。

五、加强测温和温度控制

随时掌握混凝土内的温度变化，以及时调整保温及养护措施，是有效控制裂缝的必要措施。温度测点可根据结构物的对称情况，在部分结构中布设，如桥梁工程的承台，根据结构对称特点，可布置在1/4范围。测温元件必须满足在浸水24h后误差不大于0.3℃，安装应准确牢固，并与结构钢筋绝热，引出线应集中布置并加以保护。浇筑过程中，混凝土不得直接冲击测温元件及引出线，振捣器不得触及测温元件及其引出线。测温间隔从每小时一次，随着温差变化减少，逐渐延长到每天一次，直到变化基本稳定。

六、养护措施

要控制大体积混凝土内外温差，以降低混凝土块体的温度应力，加强混凝土的保温、保湿养护必不可少。保温养护措施，应控制降温速度，使之小于1.5℃/d；保温养护的持续时间，应根据温度应力加以控制、确定，不少于15天；保温覆盖层的拆除应分层逐步进行；保温养护过程中，应保持混凝土表面的湿润。塑料薄膜、草袋、锯末等可作为保温材料覆盖混凝土，还有蓄水养护和太阳能养护，在寒冷季节可搭设挡风保温棚。覆盖层的厚度应根据温控指标的要求计算。在保温养护过程中，应对混凝土浇筑块体的内外温差和降温速度进行监测，根据这些实测结果调整保温养护措施以满足温控指标的要求。

七、大体积混凝土防裂控制工序

解决大体积混凝土的裂缝问题，需要系统解决，只从一方面着手往往是不行的，要从结构的设计、材料的选择、施工的方法以及养护的措施等多方面入手，精心进行。在施工中，要控制大体积混凝土的开裂，归根结底，一方面使混凝土达到规定的抗拉强度，另一方面尽量降低混凝土温度应力。系统解决大体积混凝土的裂缝问题，其控制工序如图8所示。

八、结束语

大体积混凝土的混凝土量大，水泥在凝结硬化过程中放出大量水化热，内外温差大，因温度差和变形约束的存在使大体积混凝土极易产生裂缝。本文分析了大体积混凝土的温度变化、开裂原因以及防裂措施，提出了系统解决大体积混凝土开裂问题的控制工序，为实际解决大体积混凝土防裂问题提供参考。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.大体积混凝土施工规范[S].中国计划出版社，2009

[2]冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇.混凝土结构的裂缝与对策[M].机械工业出版社，2006.