浅谈大体积混凝土的裂缝控制

2014-01-06李瑞尧

中国科技信息 2014年5期

李瑞尧

中铁隧道集团三处有限公司, 广东深圳 518052

引言

混凝土是一种多孔、非均质的脆性材料，微裂缝的存在是由混凝土本身物理力学性质决定的，而混凝土构件通常也都带缝工作，只能要求将其控制在允许的范围内。微裂缝是一种无害裂缝，但在混凝土长期负荷、温差、冻融以及沉降等作用之后，就会不断的扩展和连通，最终形成我们肉眼可见的宏观裂缝（如图1所示），降低构件的使用寿命，威胁人们的生命和财产安全。

混凝土微裂缝是肉眼不可见的，宽度小于0.05mm的微裂缝对使用功能不影响，通常把裂缝小于0.05mm的结构称为无裂缝结构。混凝土有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的，裂缝控制的目的也就是将混凝土控制在不大于0.05mm裂缝的状态。

大体积混凝土因其本身断面尺寸大、配筋较少、内部温度较高、水化热量与环境的热交换路径长、温度分布极不均匀以及养护困难等原因极易产生裂缝。大体积混凝土的定义，目前世界各国解释不尽一致，我国对大体积混凝土的定义为:“混凝土结构物实体最小尺寸大于或等于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。[1]”

裂缝的出现不但会影响混凝土结构的整体性和刚度，还会引起钢筋的锈蚀、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲劳、抗渗能力。目前国内外均有大体积混凝土因开裂导致结构物失效的案例，应根据设计和不同地质环境制定专项施工方案，对裂缝进行预防。

1 混凝土裂缝分类

见表1。

2 原材料选择

图1 混凝土微裂缝的发展

原材料选择不当不仅影响混凝土的强度和耐久性，还极易造成混凝土开裂。主要有以下几个方面。

2.1 水泥

1) 应选用收缩小、水化热低的水泥品种，优先选用复合水泥或矿渣水泥，不宜选用硅酸盐水泥。

2) 不宜使用早强水泥和太细的水泥。

水泥细度越小，水化热越大，放热速度越快，混凝土越容易开裂。

3) 控制水泥的碱含量。

混凝土开裂有很大一部分是由碱骨料反应产生的，所谓碱骨料反应，是指混凝土中达到一定数量的可溶性碱性氧化物（Na2O、K2O），与混凝土中某些含有碱活性矿物的骨料发生化学反应，生成的某种凝胶体遇水后体积膨胀，引起已硬化的混凝土开裂破坏的现象。不同使用年限的混凝土最大碱含量见表2。

对付碱骨料反应唯一可行的办法就是采取措施进行预防，其重要措施就是严格控制混凝土的总碱含量，其中重点是控制水泥的碱含量，碱还能促进水泥的收缩开裂。一般以水泥碱含量低于0.6%（Na2O当量）为预防混凝土发生碱骨料反应的安全界限[2]。

4) 严禁使用热水泥。由于目前国内工程数量的急剧增多，大多数水泥厂出现供不应求的现象，刚包装好的水泥根本没有存放就被施工单位拉到现场直接使用，水泥内部温度高达70℃之多，用这样的水泥打出来的混凝土水化热非常高，极易产生裂缝。

表1 裂缝分类

表2 混凝土最大碱含量（kg/m3）

2.2 骨料

骨料品种对混凝土的收缩影响较大，一般低收缩性骨料包括石英、石灰岩、花岗岩及玄武岩。骨料粒径越大收缩越小，含水量增加收缩也增加，砂率大或使用过量的粉砂，会使混凝土干缩增大。此外细骨料越细、粗骨料针片含量越多，均会导致用水量增大，胶凝材料增多，收缩量增大。同时要严格控制骨料中的含泥量，骨料的含泥量越高，混凝土越容易收缩开裂。这是由于骨料表面所带的泥份妨碍了骨料与水泥浆之间的咬合粘结，弱化了界面结构，也就降低了混凝土的强度特别是降低了抗拉强度。

粗骨料应优先选用热膨胀系数小、且级配连续的，并在条件允许的情况下应尽量选用较大粒径的粗骨料。因为粗骨料粒径越大，级配越好，其孔隙率越小，比表面积越小，单方用水量、泌水和收缩等均越小，胶凝材料用量相应越小，水化热随之降低，对防止裂缝越有好处。

细骨料宜采用级配良好且吸水率较小的中砂，其孔隙率和比表面积较小，混凝土的胶凝材料和用水量相应减小，水化热会降低。

另外料场应搭设防雨棚，冬季可挡冰雪，夏季遮阳防雨，必要时可采取冷却骨料措施[3]。

2.3 配合比

优化混凝土的配合比，在保证混凝土强度及流动度条件下，尽量降低单方用水量和水泥用量、降低混凝土绝热温升。单方用水量越多，干缩越大，用水量每增加1%，即干缩率增大2%～3%，为方便施工操作和保证振捣密实的前提下，通过取较小坍落度的混凝土，减少用水量，达到降低离析、泌水现象的措施。

水泥的水化用水仅占水泥用量的25%左右，而要使混凝土具备足够的施工和易性所需的水占水泥总量的40%左右。因此配合比选用不当也会造成混凝土收缩增大，易产生裂缝。一般表现在以下几个方面：

(l)用高标号水泥配置低强度混凝土，导致水灰比过大，导致混凝土和易性不佳，易收缩开裂；

(2)没掺外加剂，胶凝材料用量偏大，水化热很大，易开裂；

(3)外加剂与胶凝材料的适应性不良，或外加剂、掺合料的品种和产量不当，易收缩；

(4)砂率不当，过小时混凝土粘聚性和保水性较差，易离析；过大时骨料的总表面积和空隙率都增大，在水泥浆含量不变的情况下，混凝土的流动性减小。

3 施工控制

根据有关资料，由施工因素造成的混凝土早期裂缝占80%左右，因混凝土材料方面的原因造成的裂缝占15%左右，因设计不当造成的裂缝占5%左右，如运输车交通不畅耽搁时间、现场人为加水、模板支撑不利、拆模过早、预埋管道或钢筋不当、养护不到位、混凝土过早受荷等。

混凝土质量的优劣，在很大程度上取决于施工过程的控制，现将混凝土施工过程中应注意的要点和细节阐述如下。

3.1 准备工作

开盘前应准确地测定粗细骨料的含水率，并依此换算出施工配合比，填发施工配料单，还应检查各原材料的检验状态和计量器具是否处于完好状态，同时应严格控制混凝土配料的称量偏差。每盘混凝土材料的称重允许偏差见表3。

表3 每盘混凝土材料的称量允许偏差[4]

3.2 搅拌运输

混凝土的拌制、运输必须满足连续浇筑施工以及尽量降低混凝土出罐温度等方面的要求。

搅拌混凝土应采用强制式搅拌机，在混凝土搅拌过程中，搅拌时间对混凝土的均匀性和和易性均有较大影响，特别是在掺用外加剂和粉煤灰的情况下，若搅拌时间不足，则外加剂的作用不能充分发挥，胶凝材料水化不充分，和易性差，质量不均匀，混凝土强度的离散系数大。搅拌应先向搅拌机投入骨料、水泥和矿物掺和料，搅拌均匀后，加水和液体外加剂（引气混凝土应同时加入引气剂），直至搅拌均匀为止。粉体外加剂应与矿物掺和料同时加入。水泥的入机温度不应大于70℃。混凝土的搅拌时间为全部材料装入搅拌机开始至搅拌结束所用时间，混凝土延续搅拌时间应根据配合比和搅拌设备情况通过试验确定，但最短搅拌时间不宜少于2min。

混凝土宜采用内壁平整光滑、不吸水、不渗漏的运输设备进行运输。当运输距离较长时，宜采用拌运输车运输；当运输距离较近时，宜采用混凝土泵、混凝土料斗或皮带机运输。在装运混凝土前，应认真检查运输设备内是否存留有积水，内壁粘附的混凝土是否清除干净。采用混凝土搅拌运输车运送混凝土时，运输过程中宜以2r/min～4r/min的转速搅动；当搅拌运输车到达浇筑现场时，应高速旋转20s～30s 后再将混凝土拌和物喂入泵车受料斗或混凝土料斗中；运输车每天使用完后应清洗干净。

3.3 浇筑

泵送混凝土之前应先泵送1：2水泥砂浆或同配合比砂浆或与泵送混凝土配合比相同但粗骨料减少50%的混凝土来润滑混凝土泵和输送管内壁。

浇筑时可适当降低浇筑速度，同时选择气温适宜时进行。混凝土的自由倾落高度不宜超过2米，当超过2米时，应采用滑槽、串筒、溜管等辅助器具进行浇筑，否则将造成混凝土下落后石子明显分离，导致混凝土离析，不密实。

振捣是混凝土施工过程中最重要的环节之一，通过振捣迫使粗骨料和砂浆产生往复的相对运动，从而减小了骨料下沉的各种阻力，而水和气体则被迫从混凝土表面排出，于是混凝土就从原来的松散堆积体捣实成均匀排列的密实体。混凝土既不能漏振或欠振，也不可过振，前者导致气泡不能排出，易出现蜂窝麻面，混凝土不密实；后者导致混凝土离析，易泌水。二者均会影响混凝土的密实性，诱导裂缝的产生。一般以下面四个条件来衡量混凝土是否已经振捣密实。

(1)不再出现气泡；(2)混凝土不再显著下沉；(3)表面泛浆；(4)表面形成水平面。

可采用二次振捣技术，即在混凝土的振动界限以前，给予二次振捣，能有效排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和孔隙，从而提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，以减小内部微裂，增加混凝土密实度，改善混凝土强度，提高抗裂性。但必须掌握好二次振捣的时间间隔(2h为宜)，否则会破坏混凝土内部结构，起到相反的结果。

3.4 养护

养护是大体积混凝土施工的重要环节，为防止或控制温度裂缝，首先是降低大体积混凝土的内外温差值以降低自身约束应力；第二是降低大体积混凝土的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，提高其承受外约束应力的抗裂能力。

混凝土浇筑完毕后应进行二次收面，避免表面产生收缩裂缝，还应做同条件拆模试件，在强度达到要求时方可拆模，避免因拆模不当或拆模过早而引发裂缝。拆模后应及时覆盖麻布草片并洒水养生，或做土围堰灌水5cm～10cm进行保温和养护。

良好的养护不仅有利于混凝土强度的持续增长，而且可以防止混凝土硬化初期的塑性收缩裂缝。若养护湿度或时间不足，则混凝土表面容易产生收缩裂缝。每日洒水次数应以混凝土表面保持湿润状态为度。对于保湿养护的时间，一般是越长越好，养护14天的混凝土的收缩比只养护3天的收缩降低约20%，但由于工程工期的制约，绝大多施工单位做不到，所以混凝土出现裂缝就在所难免了。

3.5 混凝土温度控制

温差裂缝是混凝土裂缝中最常见的，应控制混凝土的入模温度在5℃～30℃之间，内部最高温度不宜超过65℃,混凝土内部温度与表面温度之差、表面温度与环境温度之差不宜大于20℃（墩台、梁体混凝土不宜大于15℃），养护用水与混凝土表面温度之差不得大于15℃[5]。

在炎热的夏季施工时，可采用以下办法来降低混凝土温度：搭设遮阳棚，并用冷水对砂石料降温；在搅拌机内添加冰水；用液氮冷却搅拌车罐体；混凝土内部埋设冷却水管。

冬季施工主要采取加热拌合用水措施，既简便又容易控制水温，散热小，加热水所消耗的能量仅为同质量骨料的四分之一，经济合理。因此在需要加热的情况下优先考虑提升水温。但是水温不能过高，以免水泥发生速凝，影响混凝土耐久性，严重时还能导致堵管。当水温提升较高时还应改变投料顺序，使得热水先与骨料拌和均匀，再投入水泥和矿物掺合料，避免热水与水泥直接接触，导致不良反应发生。

在混凝土的各种原料中间，石子的比热较小，但每方混凝土中石子所占的比重最大，而水的比热最大，因此降低出机温度最有效的办法是降低石子和水的温度。混凝土拌合温度宜按《混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）》和《建筑工程冬期施工规程（JGJ104-97）》公式计算。