水工大体积混凝土施工裂缝原因分析及防裂措施

□倪志华（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局）

水工大体积混凝土施工裂缝原因分析及防裂措施

□倪志华（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局）

大体积混凝土施工一般在水工建筑物中比较常见，但是由于混凝土用量大，水泥水化放热集中容易产生裂缝，严重影响了它的正常使用，所以就必须要采取有效的措施控制裂缝的产生。本文就此对水工大体积混凝土施工裂缝影响及防裂措施进行了分析。

水工大体积混凝土；施工裂缝；防裂措施

一、水工大体积混凝土施工裂缝

水工中经常涉及到大体积混凝土施工，例如大型混凝土基础、水利大坝以及重力坝等。而且由于它的体积庞大、结构厚实、稳定性高等优点已经逐渐成为大型设施以及构筑物的重要组成部分。在进行大体积混凝土施工的过程中对于施工技术以及工程条件的要求也非常严格，特别是由于整个工程要用大量的水泥作为原材料，而且水泥在水化反应下释放出大量的热，很容易使混凝土内部的结构发生变化从而导致表面出现裂缝，尤其是一些出现在重要部位的裂缝，能够直接影响到设施的结构安全以及使用寿命，所以必须要足够重视大体积混凝土施工裂缝带来的影响。

经研究发现水工大体积混凝土施工裂缝的类型主要有结构型裂缝和材料型裂缝两大类。其中结构型裂缝产生的原因主要是由于混凝土受到外部荷载力的作用引起的，包括常规结构计算中的主要应力以及其它的结构所产生的次应力的作用使得混凝土开裂。而材料型裂缝的产生则是在没有受到外力的作用下，发生变形引起混凝土开裂，而发生变形的主要原因是由于水泥水化反应产生的温度应力与混凝土自身的收缩作用，而在施工过程中产生的裂缝则主要是以材料型裂缝为主。下面就对大体积混凝土施工产生裂缝的原因进行分析。

（一）收缩裂缝

收缩裂缝包括干燥收缩、塑性收缩以及自身收缩等。干燥收缩主要是由于水泥水化反应产生热量的同时也消耗了大量的水分，由于混凝土内部的水分不断散失产生收缩应力，而且这种应力一旦超过混凝土所能承受的最大拉力范围时就会使大体积混凝土产生裂缝。塑性收缩是指在水泥活性大，混凝土温度较高时或者水灰比较低的情况下容易产生裂缝。因为这种情况下的混凝土泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，导致混凝土收缩出现裂缝，而且这些表面裂缝的出现又一次加剧了水分的蒸发，促使裂缝进一步加深。自身收缩主要是混凝土中水泥和用水量由于比例分配的不同所决定的，水泥所占的比重越大混凝土的收缩程度也随之越大，而且不同品种的水泥其自身的收缩量也各不相同，中低热水泥以及粉煤灰水泥的收缩量就相对较小。

（二）温差裂缝

混凝土内部和外部的温差过大时也会产生裂缝，温差裂缝的主要影响因素是水泥在水化反应时产生大量的热，而且由于大体积混凝土施工时容易产生温度梯度，热量在表面的散热程度快，内部的热量则相对集中并且温度急速升高，这样一来就容易使内外产生较大的温差，混凝土内部产生压应力外部产生拉应力，而且由于混凝土的凝结期短抗拉强度低，当温度应力超过了混凝土所能承受的最大拉力范围时就会使混凝土设施产生裂缝。

二、水工大体积混凝土施工防裂措施

解决水工大体积混凝土施工裂缝的问题，必须根据引发水工混凝土裂缝的不同的原因制定相应的针对性预防措施。由于材料型裂缝主要是由于混凝土收缩以及内外温度差所造成的，因此在裂缝的预防处理上主要可以分为以下几种：

（一）混凝土水灰配合比的设计

水泥在发生水化反应的过程中需要消耗大量的水分，这样一来混凝土内部的含水量下降，体积减小收缩形成弯月面。而混凝土产生的这种干燥收缩以及自身收缩的影响刚好与水灰配合比相反，也就是当水灰配合比相对较低时混凝土产生的干燥收缩减小而自身收缩增大，所以在设计混凝土的水灰配合比时要考虑最佳的结合点，在设计时应该尽可能地减小混凝土的单位用水量，采用低砂率、低水胶比以及低坍落度的灰料，然后再配合使用高效减水剂和高性能引气剂，配制出韧性大、强度高的抗裂型混凝土。还可以通过增加构造筋提升混凝土的抗裂性能，增加的构造筋必须满足直径小以及间距短的特点，以免由于结构突变而引发应力集中等问题。另外在混凝土结构的一些薄弱环节需要采取相应的加固措施，在应力集中的边缘部位设置暗梁用来增加混凝土的极限拉伸。

（二）骨料的选择

骨料在水工大体积混凝土施工中有着非常重要的作用，它占混凝土绝对体积的80%～83%，混凝土添加的骨料分为粗骨料和细骨料两种。添加粗骨料时应尽量选择大粒径的，因为粗骨料的粒径越大，孔隙度就越小，级配越好，可以最大限度地减少每立方米的砂浆用量以及水泥用量，水化反应产生的热量也就相对较少，从而能够有效地控制大体积混凝土施工裂缝的产生。在选择细骨料时，应该选择膨胀系数小、弹模性较低、表面洁净的中粗砂，这种级配的细骨料，孔隙度小，总的表面积也相对较小，化热就低，能够有效地避免裂缝的产生。此外骨料中除了砂要满足相应的要求以外，还应该注意石灰粉或者细粉的含量，适当的增加石灰粉或者细粉的含量不仅有助于提升混凝土的硬度，而且可以提高混凝土的密实度以及抗裂性。

（三）合理使用外加剂

在混凝土当中适当地添加一些外加剂有助于减小裂缝产生的机率，因为一些外加剂是专门用来抑制混凝土产生的收缩性能。例如减水剂就是用来改善混凝土的和易性，在能够在保证混凝土有足够强度的同时又可以减少水泥的用量，降低水灰配合比从而防止大体积混凝土施工产生裂缝。而添加缓凝剂则可以延缓混凝土放热速度，因为混凝土的强度跟凝结时间成正比，延缓放热时间的主要作用就是能够保证混凝土在热量达到最高时具有足够的强度，从而抵抗有温差产生应力。另外适当地添加引气剂能够提升混凝土的耐久性、和易性以及可泵性，在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。但所有的外加剂只是作为辅助性材料帮助提升混凝土的抗裂性能，用量应该适当不能大量使用，否则会产生一些负面影响。

（四）适当掺加粉煤灰

为了能够降低水化反应产生的热量，最有效的方法就是降低水泥的用量。因此可以在水泥中掺加一定量的粉煤灰。选择时要注意粉煤灰的粒径和水泥粒径保持一致，并且含硫量和含碱量要小，这样的粉煤灰用水量少。水泥与粉煤灰混合使用后，有助于提升混凝土的耐久性、抗渗性，抑制收缩，降低水化反应产生的热量，提高混凝土的抗裂能力等。另外由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，这些硅铝氧化物非常容易和水泥的水化产物进行二次反应，也就减小了水泥的使用量，降低了混凝土的热膨胀。而且由于粉煤灰颗粒较细，具有足够大的反应面积，在混凝土中扩散的也更加均匀。同时粉煤灰参加反应后进一步改善了混凝土内部的孔隙度，使其内部结构更加密实，分布也更加合理，而且硬化后的混凝土强度更大，能够有效的抑制收缩，避免产生裂缝。但是由于粉煤灰的比重小于水泥，所以在进行振捣时较轻的粉煤灰经常会浮在混凝土的表面，导致了配比不均匀，表面上部的掺量较大，强度低容易产生塑性裂缝。因此应该根据工程的实际情况适量添加粉煤灰并且还应该尽量搅拌均匀。

（五）水泥的选择方法

在制备水工大体积混凝土的过程中，除了对添加料有严格的要求外，水泥的选择也是至关重要的。因为不同品种的水泥其自身的收缩量也各不相同，所以要根据工程需要选择适合的水泥，然后再根据水泥的种类考虑添加剂的用量。例如选用低水化热水泥时，就应该选择含泥量较少的粗细骨料。在选择大体积混凝土用水泥时，应该优先采用具有膨胀性或者收缩性小的水泥。因为这种水泥在水化反应时，可以发生膨胀产生一定的预压应力，而这种预压应力可以帮助混凝土抵消一部分有温差产生的应力，从而有助于提高混凝土的抗裂能力。水泥熟料中的碱含量应该相对较低，这样才能使水泥具有长期稳定的微膨胀抗裂能力。在混凝土制拌的过程中，还要严格控制添加料的计量标准、严格控制混凝土的出机塌落度以及尽量降低混凝土的出机温度，通常保持在6℃左右，降低温度时可以采用冷风机送风或者通过加冰拌合冷却。

（六）混凝土浇注的控制

水工大体积混凝土在浇注过程中要注意观察混凝土拌合物的坍落度等性能，杜绝在浇注中发生离析现象，若有问题，应及时对混凝土配合比作合理调整。混凝土浇注完成后必须保证混凝土均匀密实，表面平整光洁，这就需要在混凝土入模时进行充分的振捣，保证混凝土的密实度排出气泡，这样才能获得高质量的符合设计要求的混凝土。振捣时间应该均匀一致，以表面泛浆为宜。进行混凝土浇注时要求分层浇筑，分层流水振捣，同时还要确保上层混凝土在下层初凝前结合紧密。浇注完毕后，表面要进行压实以及抹平处理，用以防止表面开裂。

总之，水工大体积混凝土施工裂缝主要是由其结构内部与表面产生的巨大温度差引起的，所以当混凝土浇注好后还应该采取必要的防护措施。浇注的混凝土内部较表面散热快，会形成内外温差，表面收缩受内部约束产生拉应力，由于这种拉应力通常很小，不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。但是如果此时受到冷空气的侵袭，或者是过分的通风散热，使表面温度降低的速度明显加快，就很容易导致裂缝的产生，所以当混凝土进行拆模时，特别是在低温季节，应该在拆模后确保覆盖材料供应充足，避免由于表面温度降低过快产生裂缝。另外当混凝土浇注完毕后，还应该进行必要的养护措施，及时地给混凝土表面淋水使其保持湿润，这样既能减少外界高温倒灌，又能防止干缩产生裂缝。

三、结语

综上所述，水工大体积混凝土施工裂缝的产生原因是非常复杂的，通过对裂缝产生的原因分析可知，主要是由于温度应力和混凝土的收缩引起的，因此控制水泥水化反应过程中释放的热量是裂缝产生的关键因素。在进行大体积混凝土施工时要充分考虑原材料的选择，适当地掺入混合料，并且在施工过程中采用科学、合理的方法才能有效地防止大体积混凝土裂缝的产生。

倪志华（1974-），男，工程师。

2011-08-12