大体积混凝土裂缝成因及温控抗裂措施

2010-04-09陈文权河南省水利第一工程局

河南水利与南水北调 2010年9期

□陈文权（河南省水利第一工程局）

一、大体积混凝土的定义与特点

（一）大体积混凝土的定义

大体积混凝土一般是指结构体积较大，又就地浇筑、成型、养护的混凝土。混凝土的温升和温差与表面系数有关，单面散热的结构断面最小厚度在75cm以上，双面散热的结构断面最小厚度在100cm以上，水化热引起的混凝土内外最大温差预计超过25℃，应按大体积混凝土施工。

由于大体积混凝土工程的条件比较复杂，施工情况各异，再加上混凝土原材料的材性差别较大，因此，控制温度变形裂缝是涉及结构计算，构造设计，材料组成，物理力学性能及施工工艺等综合性问题。目前，新的观点指出：所谓大体积混凝土是指其结构尺寸已经大至必须采取相应技术措施，妥善处理内外温度差值，合理解决温度应力，并按裂缝开展控制的混凝土。

（二）大体积混凝土的特点

大体积混凝土的最主要特点是以大区段为单位进行浇筑施工，每个施工区段的体积比较大，由此带来的问题是水泥水化热引起结构物内部温度升高，冷却时如果不采取一定技术措施控制，则容易出现裂缝。为防止裂缝的发生，必须采取切实可行的技术措施。如使用水化热较小的水泥，掺加适量的粉煤灰，使用单位用水泥用量最少的配合比，控制一次浇筑高度和浇筑速度，以及人工冷却控制温度等。

二、大体积混凝土裂缝产生的原因

大体积混凝土施工阶段产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变；另一方面是结构的外约束和混凝土各质点的内约束阻止了这种应变，一旦温度应力超过混凝土能承受的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。总结大体积混凝土产生裂缝的工程实例，产生裂缝的主要原因有以下几个方面。

（一）水泥水化热的影响

水泥在水化反应过程中产生大量的热量，这是大体积混凝土内部温升的主要热量来源。由于大体积混凝土截面尺寸大，水化热聚集在结构内部不易散发，所以会引起混凝土内部急剧升温。水泥水化热引起的绝热温升与混凝土结构的厚度、单位体积的水泥用量和水泥品种等有关。混凝土结构的厚度越大，水泥用量越多，水泥早期强度越高，混凝土结构的内部升温越快。大体积混凝土测温试验表明：水泥水化热在1～3d内放出热量最多，大约为总热量的50%；混凝土浇筑后的3～5d内，混凝土内部的温度最高。

大体积混凝土因水泥水化热引起的裂缝主要有2种形式：第一种表面裂缝：在水泥水化初期，由于混凝土表面和内部的散热条件不同，形式外低内高的温差，使混凝土表面产生拉应力，混凝土内部产生压应力，当混凝土表面产生的抗应力超过混凝土的抗拉强度时，大体积混凝土表面就会产生裂缝。这种裂缝特点是裂缝比较分散，裂缝宽度、深度小。另一种贯穿裂缝：当大体积混凝土的水泥水化热基本上释放完毕后，大体积混凝土开始逐渐降温，在大体积混凝土降温阶段，由于混凝土的收缩，受到地基或结构的其他部分约束，大体积混凝土就会产生很大温度变形和温度应力，从而易产生贯穿性裂缝。

（二）内外约束条件的影响

各种混凝土结构在变形变化中，必须受到一定的约束，阻碍变形的因素，称为约束条件，约束分为内约束和外约束，结构产生变形变化时，不同结构之间产生的约束称为外约束，结构内部各质点之间产生的约束称为内约束。外约束分为自由体，全约束和弹性约束3种。

大体积混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时受到下部地基的限制，产生外部约束应力。混凝土在早期温升阶段，产生的膨胀受到约束面的约束而产生压应力，此时混凝土的弹性模量小，徐变和应力松弛均较大，混凝土与基层连接不太牢固，因而压应力很小。但在混凝土温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。由此可见，降低混凝土的内外温差和改善其约束条件是防止大体积混凝土产生裂缝的重要措施。

（三）外界气温变化的影响

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开裂有重大影响。在混凝土的内部温度是浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高，如果外界气温下降，会增加混凝土的温度梯度，特别是气温骤然下降，会大大增加混凝土内外温差，因而会造成过大的温度应力，使大体积混凝土出现裂缝。因此采取合理的温控措施，控制混凝土表面温度与外界气温的温差，是防止混凝土裂缝产生的一个重要措施。

三、温控抗裂的技术措施

（一）混凝土配合设计

大体积混凝土的裂缝绝大多数是由温度裂缝原因而产生的，大体积混凝土的配合比设计主要应考虑降低水化热，减小混凝土绝热温升为基本准则。

1.水泥品种

应选用中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，大体积混凝土施工所用水泥其3d的水化热不宜＞240kJ/kg，7d的水化热不宜＞270kJ/kg，当混凝土有抗渗要求时，所用水泥的C3A含量不宜＞8%。

2.水泥用量

在满足混凝土设计强度等级前提下，利用混凝土60d或90d强度作为混凝土立方体强度，减少水泥用量。水泥用量与大体积混凝土最高温升有直接关系，降低水泥用量是非常有效的温控措施。

3.掺加适量的活性掺合材料

在大体积混凝土中掺加活性掺合材料，既可降低水泥用量，又可以降低大体积混凝土的水化热温升。由于活性掺合料的火山灰活性效应，增加混凝土的后期强度，使混凝土强度保证率提高。由于掺合料的颗粒型态效应，改善混凝土的施工性能。

4.改善混凝土的体积稳定性，提高混凝土的抗裂性能

保证一定量的粗骨料含量可以有效地改善混凝土的抗裂能力，在满足强度和施工性的前提下，采用尽量低的砂率。

5.掺加外加剂

在满足混凝土和易性要求下，降低水胶比。

（二）施工控制措施

1.采用“跳仓法”施工

通过跳仓浇筑混凝土以释放混凝土的温度收缩应力，减少一次浇筑带来的结构超长效应，控制混凝土出现早期开裂的危险。跳仓间隔施工的时间不宜＜7d，跳仓接缝处应按施工缝的要求设置和处理。

2.降低混凝土入模温度

混凝土原材料的预冷却，不仅可以降低混凝土的浇筑温度，而且还可以削减混凝土内部水化热峰值，减少混凝土内部温度与表面温度的差值，从而减少温度变形和温度应力。按美国混凝土学会207委员会的建议，避免在大体积混凝土中热开裂的最大因素之一就是控制浇筑温度。一般当混凝土从塑性状态变为弹性状态时，浇筑温度越低则越少出现开裂现象。

3.采用二次振捣技术

在混凝土浇筑后即将凝固前，在适当的时间和位置给予再次振捣，以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部造成的水分和孔隙，增加混凝土的密实度，减少内部微裂缝，提高混凝土强度和抗裂性。振捣时间长短应根据混凝土的流动性大小而定。

4.加强保温措施

保温养护是大体积混凝土施工的关键环节。加强保温养护，一是通过减少混凝土表面的热扩散，从而降低大体积混凝土浇筑体的内部温差值，降低混凝土浇筑的自约束应力；其次是降低大体积混凝土浇筑体的降温速率，延长散热时间，充分发挥混凝土强度的潜力和材料的松弛特性，利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土承受外约束应力时的抗裂能力。