大体积混凝土裂缝的产生原因及其控制措施

宋　萌　李田田　周小凤

摘要：大体积混凝土裂缝产生后，将严重影响混凝土的性能，破坏混凝土的正常运行。文章对大体积混凝土裂缝的研究现状、产生原因进行论述，从各个方面提出了预防混凝土开裂的控制措施。

关键词：大体积混凝土；裂缝预防；裂缝控制；裂缝研究

中图分类号：TU757文献标识码：A文章编号：1009－2374(2009)12－0153－02

随着建筑水平的发展，各种大跨度、超高层建筑越来越受到社会的青睐。在这些大型项目中，往往离不开大体积混凝土结构，如各种形式的混凝土大坝、高层建筑的地下室里的土地板以及大型设备的基础承台等都是用大体积混凝土浇筑而成的。与此同时，与大体积混凝土相关的各种问题相继出现，尤其是大体积混凝土裂缝的问题，对工程带来了巨大的危害。如何有效地控制大体积混凝土裂缝的产生，保证项目的正常运行，一直以来都受到了工程人员的高度重视。

一、国内外研究现状

关于大体积混凝土结构的裂缝研究一直都是工程界密切关注的问题，早在19世纪各国科学家就从结构材料强度理论角度出发，探索混凝土开裂的基本原理，最早提出的理论建立在简单基本试验的基础上，在均值、弹性、连续的假定前提下推导出材料强度的各种计算公式，后期引进了塑性理论公式，为解决问题提供了理论依据。

1985年美国陆军工程师对willow大坝采用一维温度场分析，开创的仿真分析的先例，利用仿真分析是在得到的温度场上建立合适的力学模型，求解结构的温度应力，进而决定是否采用控制措施，这种方法得到了普遍的认可。

目前，许多学者利用飞速发展的计算技术，综合多学科的基本理论，考虑混凝土的入模温度、混凝土弹性模量的变化、水泥水化热的散热规律、外界气温变化、养护措施及徐变影响等因素，采用有限元法或有限单元法求解一、二及三维大体积混凝土温度场。

现阶段，大多数国家为了控制混凝土中的裂缝产生，主要是通过设置永久式的伸缩缝来实现的，伸缩缝的间距为30～40m，个别为10～20m，即使一些工程不设置伸缩缝，那也要在施工过程中设置临时性的伸缩缝一后浇带一来控制裂缝的产生。

二、大体积混凝土施工裂缝产生的原因

根据有关资料，由施工因素造成的混凝土早期裂缝占80％左右，因混凝土材料方面的原因造成的占15％左右，因设计不当而造成的裂缝仅占5％左右，可见，大体积混凝土的施工过程不当是裂缝产生的主要原因。

大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝主要有两个方面的内容，一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变，另一方面是结构物的外部约束和混凝土各质点间的约束，一旦温度应力超过混凝土所能承受的抗拉强度时，结构就会出现裂缝。

(一)水化热的影响

水泥的水化过程是大体积混凝土产生裂缝的主要原因，水泥水化过程中要散发出一定的热量，大体积混凝土结构物一般较厚，表面系数相对较小，水泥水化过程中产生的热量聚集在结构物的内部不易散失，引起了混凝土内部的温度差异。单位时间混凝土释放的水泥水化热，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期而增长，通过实测，水泥水化引起的升温，在水利工程中一般为15℃～25℃，在建筑工程中一般为20℃～30℃，甚至更高。

混凝土的导热性能差，且内部与表面的散热条件不同，混凝土中心温度高、表面温度低形成了温度梯度，使得混凝土内部受到压应力，而外部却存在压应力，当拉应力大于混凝土极限拉应变时，就产生了裂缝。

(二)温度变化的影响

混凝土的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热升温和结构的散热温度等各种温度叠加之和。温度应力是由于温差引起变形造成的，温差越大，温度应力也越大。在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可以达到60℃～65℃，且有较长的延续时间，此时混凝土内外有较大的温差，易增加混凝土的裂缝；此外，外界气温的变化对大体积混凝土温差的变化和裂缝的产生有严重影响。如果外界温度下降过快也会出现很大的温度应力，极容易引发混凝土的开裂，尤其是在北方地区昼夜温差大，遇到气温骤降时，会大大增加混凝土内外层温差，这对大体积混凝土十分不利。因此，应采取温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的温度应力。

(三)混凝土收缩变形的影响

混凝土拌合水中的80％的水分是为了保证浇筑中和易性的需要而非混凝土水化需要。对于普通混凝土来说，大多是收缩变形，少数为膨胀变形。混凝土浇注完成后，水化过后多余水分的蒸发是致使混凝土体积收缩的主要原因。有关研究资料证明，混凝土的最终收缩变形值一般在2～6×10范围内波动，有时高达10×10，在工程计算中，混凝土的极限收缩值一般为3.24×10。

(四)外界约束条件的影响

大体积混凝土一般与地基整体浇筑在一起，当温度变化时会受到地基的限制，因而产生外部的约束应力。当混凝土早期温度上升时，产生的膨胀变形会受到约束面的约束而产生压应力，而此时混凝土的弹性模量很小，因而压应力较小；当温度下降，由于混凝土抗拉性能差，收缩产生的拉应力易超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面也容易出现垂直裂缝。

三、裂缝的控制措施

由以上影响因素可见，在寻求避免和减少混凝土开裂的途径时，应围绕提高混凝土的抗裂能力、控制温度变化因素、减少混凝土结构中的约束应力和变形等方面进行探讨。

(一)混凝土质量的控制

1原材料的优选。原材料尽量选择同一品牌、规格、型号、产地的水泥、砂、石、等原材料，避免因质量差异导致工程质量的差异和变化。

德国慕尼黑技术大学R.Springcnsehmid教授根据在开裂试验中记录的试验结果，对不同因素降低混凝土开裂温度的作用进行了比较，得出了结论：含碱(Na₂O、K₂O)量低、硫酸盐含量(相对于铝硅酸盐而言)多、粉磨细度较小的水泥抗裂性能较好。

大体积混凝土中多选用325号和425号的水泥，在条件许可的情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥，如矿渣水泥、硅酸盐水泥、粉煤灰水泥等，同时应综合考虑混凝土的抗压强度、塌落度和绝热温升等因素。

大体积混凝土应尽量选用粒径大的级配良好的卵石配置混凝土。这样配置出的混凝土和易性好、抗压强度高、同时可以减少用水量和水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土绝热升温。根据试验资料表明，采用5～40mm的石子比采用5～25mm的石子可减少用水量15kg／m,比在水灰比相同的条件下减少水泥用量20kg左右；细骨料宜采用中粗砂为宜，在相同规定要求下，采用细度模数为2.80、平均粒径为0.38mm的中粗砂比采用细度模数为2.10、平均粒径为

0.36mm的细砂能减少用水量20～25kg／m³、减少水泥用量25～35kg/m,大大减少混凝土的温升，进一步控制了混凝土的收缩和开裂。

在大体积混凝土中加入一定量的粉煤灰，可以增加混凝土的密实度，提高抗渗性，改善混凝土的耐久性，降低最终收缩值。因此，用粉煤灰作掺合料是防止混凝土开裂的有效的方法之一。

2优化的混凝土配合比设计。混凝土配合比设计时，在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能的降低混凝土的单位用水量，采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。

(二)大体积混凝土施工

1大体积混凝土的浇筑与振捣。混凝土浇筑时应采用“分区定点、一个坡度、循序渐进、一次到顶”的浇筑工艺，浇筑时先在一个部位进行，待达到一定高度后，混凝土形成扇形向前流动后，在其坡面上连续浇筑，以此类推，最后在移动回原位继续上次循环浇筑。施工时可以采用“同时振捣，分层堆垒，一次到顶”的斜面层方案，用斜面分层的方法可以增强密实性、保证防水质量。振捣时重点控制两头，即混凝土流淌的最近点和最远点，震动要均匀，不要漏振。布置三道振捣，第一道设置在混凝土的坡角，第二道设置在混凝土的坡中间，第三道设置在混凝土的坡顶。根据一定的分层厚度分层进行振捣，振捣棒要快插慢拔，以混凝土面泛浆为宜。

2大体积混凝土的养护和保温。养护主要是加强混凝土的保温和保湿，从而达到减少混凝土表面的热扩散，降低混凝土表面的温度梯度和防止表面产生裂缝的目的。采用保温养护措施时，应使混凝土浇筑块体的里外温度及降温速度满足温控指标的要求；保温养护的时间一般不少于15d，保温覆盖层处于保湿状态。此外，还应加强测温和温度检测管理，随时调整保温和养护措施，从而使混凝土温度梯度和湿度不至于过大，随时调整应对措施。

四、结语

大体积混凝土的裂缝给工程带来了巨大的危害。当混凝土开裂后，性能与原状态混凝土有很大的差异，其耐久性大幅度降低，严重影响混凝土结构的承载能力和安全。因此，大体积混凝土裂缝的控制措施一直以来都得到了工程界的关注。一般来说，上述几种混凝土裂缝的控制措施，可大大减少大体积混凝土裂缝的出现，新的、更为有效的控制方法有待我们进一步发现。

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[6]王铁梦，工程结构裂缝控制[M]，北京：中国工业建筑出版社，1997

作者简介：宋萌(1988-)，女，北京人，中国矿业大学建筑工程学院学生，研究方向：工业与民用建筑；李田田(1987－)，女，江苏徐州人，中国矿业大学建筑工程学院学生，研究方向：交通土建；周小凤(1986-)，女，江苏徐州人，中国矿业大学建筑工程学院学生，研究方向：交通土建。