大体积混凝土结构裂缝产生的原因及控制措施

颜清波

（永州市冷水滩区水利局 永州市 425000）

水利工程大体积混凝土指的是最小断面尺寸大于1 m以上的混凝土结构，与普通钢筋混凝土相比，具有结构厚，体形大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高的特点。

1 裂缝产生的原因

水利工程大体积混凝土结构裂缝产生的原因是多方面的，主要是温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性、以及结构不合理、原材料不合格、模板变形、基础不均匀沉降等。

（1）水泥水化热的影响。

混凝土硬化期间，水泥水化过程中放出大量的热量，水泥的水化热随龄期的增长而增长，大部分发生在3 d龄期之前，3 d一般可以放出228 J/g左右的热量，7 d可以放出261 J/g左右的热量，如果以水泥用量350 kg/m3来计算，每m3混凝土将放出91 350 kJ的热量，从而使混凝土内部温度升高（可达70℃左右，甚至更高）。尤其对于大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。因为混凝土内部和表面的散热条件不同，混凝土中心温度很高，这样就会形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。

（2）混凝土收缩的影响。

混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象称为混凝土收缩。一般分为塑性收缩（又称沉缩），化学收缩（又称自身收缩），干燥收缩及碳化收缩。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，使得混凝土开裂。

（3）外界气温湿度变化的影响。

水利工程大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。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就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。

（4）其他因素的影响。

建筑物由于结构地基土质不匀、松软，或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降会产生沉陷裂缝，这种裂缝会随着基础沉降而不断的增大，待地基下沉稳定后，将不会变化。

混凝土配合比不良会造成混凝土塑性沉降裂缝，一般是混凝土配合比中，粗骨料级配不连续、数量不够，砂率及水灰比不当所造成的裂缝。

由于模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致混凝土结构产生裂缝，特别是在冬季，模板支撑在冻土上，冻土化冻后产生不均匀沉降，致使混凝土结构产生裂缝。

碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应而引起的裂缝。混凝土拌和后会产生一些碱性离子，这些离子与某些活性骨料产生化学反应并吸收周围环境中的水而体积增大，造成混凝土酥松、膨胀开裂。这种裂缝一般出现在混凝土结构使用期间，一旦出现很难补救。

2 裂缝的控制措施

（1）合理选择原材料，优化混凝土配合比。

选择混凝土原材料，优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较强的抗裂能力，具体来说，就是要求混凝土的绝热温升较小，抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。

理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。因此在大体积混凝土施工中应尽量使用低热或者中热的矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥，并尽量降低混凝土中的水泥用量，以降低混凝土的温升，提高混凝土硬化后的体积稳定性。为保证减少水泥用量后混凝土的强度和坍落度不受损失，可适度增加活性细掺料替代水泥；选用适宜的骨料，施工中根据现场条件尽量选用粒径较大，级配良好的粗骨料，最大粒径越大，骨料的空隙率和表面积越小，混凝土的水泥浆及水泥用量就越小；选用中粗砂，改善混凝土的和易性，并充分利用混凝土的后期强度，减少用水量；严格控制砂石骨料的含泥量，在保证混凝土强度及流动条件下，尽量节省水泥，降低混凝土绝热温升。

精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能地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。

（2）合理进行温度控制。

对于大体积混凝土的温度控制，主要考虑3个特征值:入模温度、最高温度及养护温度。

入模温度控制。混凝土的入模温度取决于各种原材料的初始温度，在温度较高的情况下进行施工，可以在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖，以减少阳光对其的辐射，同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水。尽量选择较低气温时段浇筑混凝土，在混凝土运输工具上覆盖麻袋，并经常喷洒冷水降温，以降低混凝土的入模温度；掺加相应的缓凝型减水剂；在混凝土入模时，还可以采取强制通风措施，加速模内热量的散发。在冬季进行施工，因为要防止早期混凝土被冻问题，所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热，对原材料应视气温高低进行加热。

最高温度控制。采用薄层浇筑以增加散热面，并适当延长间歇时间；在高温季节，在混凝土内部预埋蛇形冷却水管，利用冷却水管内流通的制冷水带走大体积混凝土内部积聚的水泥水化热，削减浇筑层水化热温升，已采用预冷措施时，则可采用厚块浇筑，防止因气温过高而热量倒流，以保持预冷效果。

养护温度控制。大体积混凝土的裂缝，特别是表面裂缝，主要是由于混凝土中产生了温度梯度。在混凝土浇筑之后，做好混凝土的保温保湿养护，以使混凝土缓缓降温，充分发挥其徐变特性，减低温度应力。夏季应坚决避免曝晒，注意保湿；冬季应采取措施保温覆盖，以免发生急剧的温度梯度变化；采取长时间的养护，确定合理的拆模时间，以延缓降温速度，延长降温时间，充分发挥混凝土的“应力松弛效应”；混凝土内外温差应控制在25℃以内，基面温差和基底面温差均控制在20℃以内，并及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不致过大，以有效控制有害裂缝的出现；常用的保温材料有模板、草袋、湿砂、锯末等，保温材料不仅要放置在混凝土的表面，还要注意结构物四周的保温，保温时间不少于28 d。

（3）采用分层、分段、分缝浇筑。

大体积混凝土浇筑方案应根据整体连续性浇筑的要求，结构物的整体大小，钢筋疏密，混凝土运输供应条件等具体情况确定。一是分面、分层浇筑，做到第一层全面浇筑完毕后，在第一层混凝土还未初凝时再开始浇筑第二层，如此逐层进行，直至浇筑完成。这种施工方案适用于结构物厚度和体积大的工程，浇筑时宜从结构物的短边开始，沿长边推进。二是分段、分层浇筑，混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层。由于总的层数较多，所以浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，不象第一种方案那样集中。这种方案适用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。三是斜面分层，要求斜面的坡度不大于1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。

（4）采用先进的施工工艺。

在加强混凝土质量控制的同时，应积极推广新技术、新材料和新工艺的应用，还要在施工过程中针对施工现场情况，周围环境，天气气温及变化情况，精心安排混凝土一天时间中最有利的施工时间，并总结应用降温和保湿方法，从材料质量、施工技术，环境等方面采取措施，综合治理，控制大体积混凝土裂缝，使结构工程、经济、合理、安全、实用、可靠。

（5）合理组织施工。

在施工过程中精心安排混凝土施工时间，在高温季节施工时，混凝土浇筑时间尽量安排在16时至翌日上午10时前进行，以减少混凝土温度回升。新旧混凝土浇筑间隔时间为（5～7）d，相邻浇筑坝块高差控制在8 m以内。