体积混凝土裂缝产生机理分析及防治措施

张晓刚，崔 勇

（中城建北方建筑设计研究院，内蒙古 赤峰 024000）

体积混凝土裂缝产生机理分析及防治措施

张晓刚，崔 勇

（中城建北方建筑设计研究院，内蒙古 赤峰 024000）

大体积混凝土的裂缝破坏了结构的整体性、耐久性、防水性，危害严重，必须加以控制.本文在分析大体积混凝土结构裂缝产生的原因和机理的基础上，从多个方面提出了预防裂缝产生及发展的措施.

混凝土；裂缝；水化热；温度应力

1 大体积混凝土结构裂缝产生的原因

大体积混凝土结构中裂缝的发生是由多种因素引起的.由于结构截面大，水泥用量多，水化热产生很大的温度变化是导致大体积混凝土温度裂缝的主要原因.除外部荷载作用和地基变形产生的裂缝外，还有温度和收缩产生的裂缝.

1.1 水化热产生裂缝的机理

1.1.1 大体积混凝土结构的截面尺寸较大，在施工过程中，由水泥水化过程中释放出大量水化热，由于体积大，热量不易散发，造成较大温升，从而导致体积增大.当这种变形不受约束时，混凝土结构内部不会产生应力.但实际上这种变形肯定会受到约束，约束有两种.一是混凝土与外部环境温度差异引起的约束；另一种是由于内部的条件不同产生的约束，以上两种约束产生的应力为温度应力.

1.1.2 湿度变化引起的混凝土内部各单元体之间相互约束，产生的应力为干缩应力.因为湿度传导率远小于热度传导率（约为1/1600），所以，它主要在混凝土表面附近；另外，混凝土自身体积变形不能自由伸缩所产生的应力，称为自身体积变形应力；还有地基非均匀沉降、模板走样也会产生变形应力.在以上非结构荷载作用下所产生的应力中，主要是温度应力和变形应力.对于大体积混凝土结构施工，当混凝土浇筑体边界无约束时（如底、顶板顶面），在早期水化热温度迅速升高阶段，由于混凝土内、外散热条件不同，形成温度梯度，表面受拉，内部受压.当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝.在混凝土的降温阶段，混凝土的温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束时，在浇筑体中央断面产生内部拉应力，当该拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土整个截面就产生贯穿裂缝.

1.2 温度应力形成的三个阶段

初期自浇筑混凝开始至水泥放热基本结束，一般约30天.这个阶段的两个特征是水泥放出大量的水化热及混凝土弹性模量的急剧变化.由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力.中期自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大.后期混凝土完全冷却以后的运转时期.温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相叠加.根据温度应力引起的原因可分为两类：一是自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力.例如，桥梁墩身、结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力.二是约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力.如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土.这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用.要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作.在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算.混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响，具体计算这里就不再细述.

2 裂缝控制的基本原理及措施

大体积混凝土的裂缝控制是指杜绝有害裂缝，同时减少或避免不影响使用的混凝土表面裂缝.

2.1 裂缝控制原理

降低混凝土外约束与非线性降温和收缩所产生的拉应力，提高混凝土相应龄期的抗拉强度和极限拉伸，以确保抗裂安全度要求.裂缝控制方法采取温差与温度应力双控制方法，避免结构物出现温度裂缝，同时调整混凝土表面湿度以防止表面干缩裂缝.结构裂缝产生的主要原因是降温和收缩.任一降温差包含水化热引起的温差和收缩当量温差，又都可以分解为均匀降温差和非均匀降温差两类.前者产生外约束力，它成为贯穿性裂缝的主要原因；后者引起自约束力，形成表面裂缝；只有同时控制好这两类降温差，才能减小和避免裂缝的产生.

2.2 控制混凝土裂缝措施

控制混凝土裂缝必须从混凝土产生裂缝的几个主要原因入手，才能有效地将裂缝控制在充许范围内.一般分为两个控制阶段，设计阶段和施工阶段.设计阶段由设计人员对混凝土强度等级、钢筋的品种、规格、建筑物的结构形式等统筹设计，有效进行裂缝控制.施工阶段采取加入外加剂改善混凝土性能、降低水泥水化热、降低混凝土内外温差、设置施工缝或变形缝、加强混凝土中的配筋率等措施来减少混凝土的收缩，防止混凝土产生有害裂缝.

由于大体积混凝土各项指标要求较高，并普遍采用泵送混凝土，因此采用合理的配合比是有效控制和预防混凝土裂缝发生的基础.应根据工程所处条件，对砂率、水灰比、水泥用量及掺合料用量等进行优化设计，选择最优方案.

选择适当的砂率对控制混凝土的裂缝有积极作用，混凝土的干燥收缩随砂率的增大而增大.由于砂率减小使粗骨料含量增大，在相同条件下混凝土的弹性模量较高，收缩量较小，而且由于粗骨料对收缩的约束作用，可减少开裂的可能.使用粗骨料时，由于骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水性较小，收缩性较低，而砂岩、板岩、角闪岩等吸水性较大，收缩性较高，同时，骨料粒径大，收缩性小.因此可根据施工条件，尽量选用适宜岩性石料，粒径较大、质量优良、级配良好的石子.既可以减少用水量，也可以相应减少水泥用量，还可以减小混凝土的收缩和泌水现象.

在厚大无筋或少筋的大体积混凝土中，掺总量不超过20%的大石块，减少混凝土的用量，以达到节省水泥和降低水化热的目的.在选择细骨料时，尽量不用含硫化物的砂，因为砂中硫化物与水泥中吕酸三钙发生化学反应，使体积膨胀2.5倍.同时，因砂中云母含量高，将削弱水泥与骨料的粘结力；砂中含泥量过高、有机质和轻物质过多，都将降低混凝土强度.因此，应选择不含硫化物、云母含量低，含泥量、有机质和轻物质含量低的、平均粒径较大的中粗砂，从而降低混凝土的干缩，减少水化热量，对混凝土的裂缝控制有重要作用.

选用中低水化热水泥，可使水泥在拌和过程中水化热释放较小，显著减少混凝土升温，如选用矿渣硅酸盐水泥，火山灰质硅酸盐水泥、普硅非早强型水泥.充分利用混凝土后期强度，减少每立方米混凝土中水泥用量.采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值，可以使混凝土浇筑后的内外差和降温速度控制的难度降低.

掺合料的质量对混凝土裂缝有显著的影响，当前用的掺合料主要是粉煤灰或矿粉，它们可以提高混凝土的和易性大大改善混凝土工作性能和可靠性，粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大，使用细度较粗或含碳量高的粉煤灰会大幅度增加混凝土的需水量，从而加大混凝土的收缩导致开裂.混凝土中掺入减水剂，不仅使混凝土工作性能有了明显的改善，同时又减少拌和用水，节约水泥，从而降低了水化热.若是泵送混凝土，为了延缓凝结时间，要加缓凝剂，反之凝结时间过早，将影响混凝土的输送和浇筑面的粘结，易出现层间缝隙，使混凝土防水、抗裂和整体强度下降.加入UEA或AEA膨胀剂，用量约为水泥用量的14%左右，使混凝土在凝固过程中不产生收缩，还可以提高混凝土自防水能力.

浇筑过程中应加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度.采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性.混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上.

加强混凝土的养护及测温工作.混凝土浇筑完毕后，应及时按温控技术措施的要求进行保温养护，保温养护是大体积混凝土施工的关键环节，其目的主要是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力；其次是降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土块体的抗裂能力，同时，在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件，使混凝土在良好的环境下养护.具体应使混凝土浇筑块体的里外温差及降温速度满足温控指标的要求，保温养护的持续时间应根据温度应力加以控制、确定，保温覆盖层的拆除应分层逐步进行；在保温养护过程中，应保持混凝土表面的湿润.施工人员需根据事先确定的温控指标的要求，来确定大体积混凝土浇筑后的养护措施，如采用蓄水法保温养护等.

3 结论

混凝土结构裂缝的发生的原因很复杂也是不可避免的，实践证明混凝土裂缝的防治重点在于“防”，而不在于“治”在采取了上述综合性控制措施后，由于各种原因仍可能有少量的混凝土裂缝发生.当这些裂缝发生后，必须先查明裂缝产生的原因，判明裂缝的类型，才能选择正确的处理方法.同时要通过合理设计混凝土配合比、正确选用原材料、合理设计建筑结构、加强施工监控、严格遵守施工技术规程、改善施工工艺、提高施工技术水平、做好温度监测及加强养护的工作.以上各项技术措施并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的，在施工中必须结合实际、全面考虑、合理采用，才能起到良好的效果.这样才有可能最大程度减少混凝土裂缝的产生，把裂缝宽度控制在设计范围内，尽量减少裂缝造成的危害，提高混凝土质量.

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TU528

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1673-260X（2010）03-0128-02