大体积混凝土结构裂缝产生原因与控制

常辰

摘要： 现代桥梁中时常涉及到的大体积混凝土施工，因其体积大，表面小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快，当混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用，所以必须从根本上分析它，来保证施工的质量。

关键词：桥梁工程； 大体积混凝土； 裂缝原因；裂缝控制

Abstract: Modern bridges often involved in mass concrete construction, because of its large volume, small surface hydration heat release is relatively concentrated, the internal temperature is relatively fast, cause the concrete to produce a temperature crack when the concrete temperature difference between inside and outside, it affect the structural safety and normal use, so it must be a fundamental analysis of it, to ensure the quality of construction.Key words: bridge engineering; of mass concrete; Cracks; crack control

中圖分类号： TV544+.91 文献标识码：A文章编号：

我国普通混凝土配合比设计规范规定：混凝土结构物中实体最小尺寸不小于1m的部位所用的混凝土即为大体积混凝土；美国则规定为：任何现浇混凝土，只要有可能产生温度影响的混凝土均称为大体积混凝土。

目前，国内外对温度荷载引起得有关裂缝的研究尚不充分。据资料显示，对于大体积混凝土内温度应力与裂缝控制也多集中在水利工程中的大坝。而对于桥梁中大体积混凝土的裂缝的研究并未得到足够的重视。本文将对此进行分析，探讨裂缝出现的原因及控制措施。

一、大体积混凝土的裂缝

大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为贯通裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯通裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯通裂缝。它切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的；而深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性；表面裂缝一般危害性较小。

但出现裂缝并不是绝对地影响结构安全，它都有一个最大允许值。处于露天环境的构件最大裂缝宽度≤0.2mm。对于桥梁基础，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般当裂缝宽度在0.1～0.2mm时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈。如超过0.2～0.3mm，则渗漏水量将随着裂缝宽度的增加而迅速加大。所以，在基础工程中应尽量避免超过0.3mm贯通全断面的裂缝。如出现这种裂缝，将大大影响结构的使用，必须进行化学灌浆加固处理。

二、产生裂缝的主要原因有以下几方面：

大体积混凝土结构通常具有以下特点：混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的10%左右。大体积混凝土的断面尺寸较大，由于水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升；以及在以后的降温过程中，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。大体积混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋，或者不配钢筋。因此，拉应力要由混凝土本身来承担。

1、水泥水化热

水泥在水化过程中要释放出大量的热量，且主要集中在浇筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的热量，如果以水泥用量350Kg/m3～550 Kg/m3来计算，每m3混凝土将放出17500KJ～27500KJ的热量，从而使混凝土内部温度升高。而大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失，这种现象更加严重。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去，混凝土中心温度很高，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、外界气温变化

大体积混凝土结构在施工期间，它的浇筑温度随着外界气温变化而变化。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，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达60～65℃，并且有较长的延续时间。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，会大大增加内外层混凝土温差，这对大体积混凝土是极为不利的。温度应力是由于温差引起温度变形造成的，温差愈大，温度应力也愈大。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。

3、混凝土的收缩

混凝土在不受外力的情况下会产生自发变形，受到外部约束时，将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必须的，而约80%的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。

三、大体积混凝土裂缝的控制

1、大体积混凝土的配制

1.1 水泥的选用

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。于是，我们对于桥梁中的大体积混凝土应该选择低热或者中热的水泥品种。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。因此我们在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥。应该充分利用混凝土的后期强度，以减少水泥的用量。

1.2 掺加外加料和外加剂

在大体积混凝土中掺入一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密实度，提高抗渗能力，改善混凝土的工作度，降低最终收缩值，减少水泥用量。要降低大体积混凝土的水泥水化热引起的内部温升，防止结构出现温度裂缝，利用粉煤灰作混凝土的掺合料是最有效的方法之一。

外加剂：UFA膨胀剂，它可以等量替换水泥。并且是混凝土产生适度的膨胀。一方面保证混凝土的密实度，另一方面使混凝土内部产生压力，以抵消混凝土中产生的部分拉应力。减水缓凝剂，并应保证一定的坍落度。这样可以延缓水化热的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的。

1.3 大体积混凝土的骨料控制

在骨料的选择上应该选取粒径大强度高级配好的骨料。这样可以获得较小的空隙率及表面积，从而减少水泥的用量，降低水化热，减少干缩，减小了混凝土裂缝的开展。粗骨料宜采用连续级配，细骨料宜采用中砂。

1.4 优化大体积混凝土的设计

虽然大体积混凝土不布置钢筋或者布筋较少，我们还是可以在裂缝易发生部位如孔洞周围以及转角处布置一些斜筋，从而让钢筋代替混凝土承担拉应力，这样可以有效的控制裂缝的发展。

2、大体积混凝土的施工

混凝土施工包括混凝土的生产、运输、浇筑和温度及表面保护，是保护大体积混凝土温度裂缝的关键环节。而热应力的控制手段主要是控制混凝土的内外温差△T：

△T＝Tp＋Tr－Tf

式中：Tp —起始浇筑温度；Tr —水泥水化温升；Tf—天然或人工冷却后浇筑块的稳定温度。

2.1大体积混凝土的浇筑方法

浇筑方案，除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外，还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响，常采用的方法有以下几种：

2.1.1、全面分层：

即在第一层全面浇筑全部浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝，如此逐层连续浇筑，直至完工为止。

2.1.2、分段分层：

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。

2.1.3、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。

四、大体积混凝土养护时的温度控制

养护是大體积混凝土施工中一项十分关键的工作。养护主要是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土内表温差，促进混凝土强度的正常发展及防止混凝土裂缝的产生和发展。根据工程的具体情况，应尽可能多养护一段时间，拆模后应立即回土或覆盖保护，同时预防近期骤冷气候影响，以控制内表温差，防止混凝土早期和中期裂缝。

在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点：

1．混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20℃；当结构混凝土具有足够的抗裂能力时，不大于25℃～30℃。

2．混凝土拆模时，混凝土的温差不超过20℃。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温之间的温差。

3．采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，降低混凝土内部最高温度。

4．保温法是在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料，在缓慢的散热过程中，使混凝土获得必要的强度，以控制混凝土的内外温差小于20℃。

5．混凝土表层布设抗裂钢筋网片，防止混凝土收缩时产生干裂。

五、大体积混凝土的裂缝检查与处理

对于混凝土裂缝，应以预防为主，为此需要精心设计、施工，但是由于目前采用的防止裂缝的安全系数较小，而实际情况有复杂多变，所以实际工程中还是难免出现一些裂缝。大体积混凝土的裂缝分为三种：表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。对于表面裂缝因为其对结构应力、耐久性和安全基本没有影响，一般不作处理。对深层裂缝和贯穿裂缝可以采取凿除裂缝，可以用风镐、风钻或人工将裂缝凿除，至看不见裂缝为止，凿槽断面为梯形再在上面浇筑混凝土。在处理较深的裂缝时，一般是在混凝土已充分冷却后，在裂缝上铺设1～2层的钢筋后再继续浇筑新混凝土。对比较严重的裂缝可以采取水泥灌浆和化学灌浆。水泥灌浆适用于裂缝宽度在0.5mm以上时，对于裂缝宽度小于0.5mm时应采取化学灌浆。

六、结论

综上所述，大体积混凝土结构的施工技术与措施直接关系到混凝土结构的使用性能，若不能很好的了解大体积混凝土结构开裂的原因以及掌握应对此类问题所采取的相应施工措施，那么实际生产当中就很难保证施工质量。但是大量的科学研究以及成功的工程实例都表明：只要我们在设计、施工工艺、材料选择以及后期的养护过程中能够充分考虑的各种因素的影响，还是完全可以避免危害结构的裂缝的产生。以上是就是我对大体积混凝土施工技术的一些拙见，希望能对工程建设起到一些积极的作用，使得在大体积混凝土浇筑中出现的开裂问题能够进一步的解决。

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