大体积混凝土工程裂缝成因及控制

林承刚

摘要：混凝土是土木工程中用途最广、用量最大的一种建筑材料。 混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。混凝土结构在建筑工程中占有很大的比重，在结构的安全、可靠度和耐久性方面起绝对的作用。因此，对混凝土的质量控制至关重要。本文主要对大体积混凝土的质量控制进行了详细的阐述。

关键词：混凝土；大体积；裂缝控制

中图分类号： TU375文献标识码：A

一、大体积混凝土的特点

“大体积混凝土”最早出现在水利水电工程中。在水利水电工程建设应用中许多科研工作者对“大体积混凝土”已作了大量细致的研究，发展至今从理论到施工方法，施工方案及优化控制等方面己比较成熟，并相应制订了一系列规定，例如：早在1933年—1936年美国建成的大苦果重力坝，混凝土浇筑量达250万立方米，并且未出现裂缝。我国的三峡大坝，在各方面都取得了很大的成功。但是，建筑工程大体积混凝土由于工程规模的大小、结构形式、混凝土特点、配筋构造及受荷情况都与水利水电类建筑物差异很大。建筑工程大体积混凝土相比于工业大体积混凝土一般块体较薄，体积较小；混凝土设计强度高，单方混凝土水泥用量较大；连续性整体浇筑要求较高；结构构筑物多属于地下、半地下或室内，受外界条件变化影响较小。此外，在混凝土温度及温度应力的计算方法和采取的措施上，两者也有很多差异。建筑工程中，大体积混凝土与一般混凝土也是不同的。大体积混凝土具有结构厚大、浇筑量大，工程条件复杂，且多为现浇超静定结构混凝土，施工技术和质量要求高等特点。因此，除了必须具有足够的强度、刚度、稳定性以外，还应满足结构物的整体性和耐久性要求。

二、大体积混凝土结构裂缝产生的机理、裂缝种类及成因

混凝土是由水泥浆、砂子和石子组成的水泥浆体和骨料的两相复合型脆性材料。存在着两种裂缝：肉眼看不见的微观裂缝和肉眼看得见的宏观裂缝。微观裂缝是混凝土本身就有的，它的宽度仅2～5pm，主要有三种形式的微观缝：砂浆与石子粘结面上的裂缝，称为粘着裂缝；穿越砂浆的微裂缝，称为水泥石裂缝；穿越骨料的微裂缝，称为骨料裂缝。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则、不贯通的，并且肉眼看不见，因此有微观裂缝的混凝土可以承受拉力。宽度不小于0．05mm的裂缝称为宏观裂缝，宏观裂缝是由微观裂缝扩展而来的。混凝土结构的裂缝产生的原因主要有三种，一是由外荷载引起的；二是结构次应力引起的裂缝，这是由于结构的实际工作状态和计算假设模型的差异引起的；三是变形应力引起的裂缝，这是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起的结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。混凝土的宏观裂缝按其成因有荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝、碱骨料反应裂缝。根据它们在结构中的分布区域，一般可分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三类。混凝土表面裂缝一般是在干缩变形和混凝土自身温度场变化的内部约束或由于气温骤降而引起的。表面混凝土冷却受内部热混凝土的约束而产生的温度应力，当它们大于混凝土同龄期的抗拉强度时裂缝就会发生。如果不受其它因素的影响，一般不会形成贯穿裂缝或深层裂缝。内部裂缝是在浇筑块顶面上出现表面裂缝后，再在其上浇筑新混凝土，则原来的表面裂缝就变成了内部裂缝。深层裂缝是出现在脱离基础约束范围以外的表面裂缝，在经历一个较长降温的过程以后，如果内部温度较高，在混凝土块内部将形成一个温度梯度比较陡的复杂温度场，从而使裂缝向纵深发展，形成深层裂缝，其内部仍是连续的。基础贯穿裂缝是切断混凝土结构的大裂缝。混凝土浇筑温度过高加上混凝土水化热温升，形成混凝土的最高温度，当降到施工期的最低温度时，即产生基础温差，这种由于均匀降温产生的温度应力，当其大于同龄期混凝土的抗拉强度时就产生裂缝。基础贯穿裂缝是混凝土变形受外界约束而发生的，它的整个断面均受拉应力，只要产生裂缝，就会形成贯穿裂缝。微裂缝是所有混凝土结构都具有的，它的存在是正常的现象。它虽然对混凝土结构的变形、强度有影响，但在设计规范中就已经考虑到微裂缝对混凝土强度和抗裂性能的影响，对具体的结构不需另加研究。但微裂缝的存在，结构受力作用时，就会发展成宏观裂缝。其基本过程是原始粘结裂缝的逐渐扩大和新的粘结裂缝的出现，产生少量穿越砂浆的裂缝，穿越砂浆的裂缝发展较快，并出现局部穿越骨料的裂缝，各种裂缝迅速发展并逐渐贯通，形成贯穿裂缝。

三、大体积混凝土温度裂缝的产生原理

温度，作为一种变形作用，在混凝土结构中引起的裂缝有表面裂缝和贯穿裂缝两种。这两种裂缝在不同程度上都属于有害裂缝。由于高层建筑、高耸结构物和大型设备基础的出现，大体积混凝土也被广泛采用，大体积混凝土结构的温度裂缝日益成为建筑工程技术人员面临的技术难题。大体积混凝土的质量问题是混凝土结构产生裂缝。造成结构裂缝的原因是复杂的，综合性的。但是，大体积混凝土从浇筑时起，到达设计强度止，即施工期间产生的结构裂缝主要是水泥水化热引起的温度变化造成的。大体积混凝土产生温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。矛盾的一方面是混凝土由于内外温差而产生的应力和应变，另一方面是外部约束和混凝土各质点间的约束，要阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这是导致混凝土产生裂缝的主要原因，现将产生裂缝的主要原因分述如下：①水泥水化热水泥水化过程中要放出一定的热量。而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。通过实测，水泥水化热引起的温升，在水利工程中一般为15～25"C，而在建筑工程中一般为20～30"C，甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升，是与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期(时间)按指数关系增长，一般在10～12天接近于最终绝热温升。但由于结构物有一个自然散热条件，实际上混凝土内部的最高温度，多数发生在混凝土浇筑后的最初3～5天。由于混凝土的导热性能差，浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以至产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。②外界气温变化。大体积混凝土在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的，因为外界气温愈高。混凝土的浇筑温度也愈高；而外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土是极为不利的。混凝土内部的温度是水化熟的绝热温度，浇注温度和结构物的散热降温等各种温度叠加，而温度应力则是由温差引起的温度变形造成的；温差愈大，温度应力也愈大。同时，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在60～65"C，并且有较大的连续时间(与结构尺寸和浇筑块体厚度有关)。在这种情况下，研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力，就显得更为重要。③约束条件。各种结构物在变形变化过程中，必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形，这就是指的约束条件。约束条件一般可概括为两类：即外约束和内约束(亦称自约束)。外约束指结构物的边界条件，一般指支座或其它外界因素对结构物变形的约束。内约束指较大断面的结构，由于内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的相互约束。具有大断面的结构，其变形还可能受到其它物体的宏观约束。大体积混凝土由于温度变化会产生变形，而这种变形又受到约束，便产生了应力，这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值，便引起裂缝。④混凝土的收缩变形。混凝土中80％的水分要蒸发，约20％的水分是水泥硬化所必须的。混凝土水化作用产生的体积变形，称为“自身体积变形”，该变形主要取决于胶凝材料的性质，对于普通水泥混凝土来说，大多数为收缩变形，少数为膨胀变形，一般在-50~+50xl0-6旷范围内。如果以混凝土温度线膨胀系数为10x0-6／℃计，当混凝土的自身体积变形从-0xl0-6击变至50xl0-6时，即相当于温度变化10℃引起的变形，这一数值是相当可观的。目前，补偿收缩混凝土的研究和发展逐渐认识到，如果有意识地控制和利用混凝土的自身体积膨胀，有可能大大改善某些混凝土的抗裂性。但对于普通水泥混凝土，由于大部分属于收缩的自身体积变形，数量级较小，一般在计算中忽略不计.如前指出，在混凝土中尚有80％的游离水分需要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩(干缩)，这种收缩变形不受约束条件的影响。若有约束，即可引起混凝土的开裂，并随龄期的增长而发展。混凝土的收缩机理比较复杂，其最大的原因，可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积．干湿交替将引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。此外，影响混凝土收缩的因素很多，主要是水泥品种和混合材、混凝土的配合成分，化学外加剂以及施工工艺，特别是养护条件等。

四、大体积混凝土温度裂缝控制

控制混凝土温升，大体积混凝土结构在降温阶段，由于降温和水分蒸发等原因产生收缩，再加上存在外约束不能自由变形而产生温度应力。因此，控制水泥水化热引起的温升，即减小了降温温差，这对降低温度应力、防止产生温度裂缝能起釜底抽薪的作用。为控制大体积混凝土结构因水泥水化热而产生的温升，需采取相应的施工措施。

选用中低热的水泥品种，混凝土升温的热源是水泥水化热，在施工中应选用水化热较低的水泥以及尽量降低单位水泥用量。为此，施工大体积混凝土结构多用325#、425#矿渣硅酸盐水泥。

为了满足送到现场的商品混凝土具有一定坍落度，如单纯增加单位水泥用量，不仅多用水泥，加剧混凝土收缩，而且会使水化热增大，容易引起开裂。因此应选择适当的外加剂。木质素磺酸钙属阴离子表面活性剂，对水泥颗粒有明显的分散效应，并能使水的表面张力降低而引起加气作用。因此，在混凝土中掺入水泥重量0．25％的木钙减水剂(即木质素磺酸钙)，它不仅能使混凝土和易性有明显的改善，同时又减少了10％左右的拌合水，节约10％左右的水泥，从而降低了水化热。近年来，开发一种新型“减低收缩剂，常用的有UEA，AEA，是掺入后可使混凝土空隙中水分表面张力下降从而减少收缩的新材料，它可减少收缩40％-60％，但是能否起到有效地控制收缩裂缝的作用，还应注重其适用条件和后期收缩。

为了达到预定的要求，同时又要发挥水泥最有效的作用，粗骨料应达到最佳的最大粒径。对于大体积钢筋混凝土，粗骨料的规格往往与结构物的配筋间距、模板形状以及混凝土浇筑工艺等因素有关。宜优先采用以自然连续级配的粗骨料配制混凝土。因为用连续级配粗骨料配制的混凝土具有较好的和易性、较少的用水量和水泥用量以及较高的抗压强度。在石子规格上可根据施工条件，尽量选用粒径较大、级配良好的石子。因为增大骨料粒径，可减少用水量，而使混凝土的收缩和泌水随之减少。同时亦可减少水泥用量，从而使水泥水化热减小，最终降低了混凝土的温升。当然骨料粒径增大后，容易引起混凝土的离析，因此必须优化级配设计，施工时加强搅拌、浇筑和振捣工作。根据有关试验结果表明，采用5'---25mm石子每立方米混凝土可减少用水量15kg左右，在相同水灰比的情况下，水泥用量可减少20kg左右。粗骨料颗粒的形状对混凝土的和易性和用水量也有较大的影响。因此，粗骨料中的针、片状颗粒按重量计应不大于15％。细骨料以采用中、粗砂为宜。根据有关试验资料表明，当采用细度模数为2．79、平均粒径为0．38的中、粗砂，它比采用细度模数为2．12、平均粒径为0．336的细砂，每立方米混凝土可减少用水量20—25kg，水泥用量可相应减少28—35kg。这样就降低了混凝土的温升和减小了混凝土的收缩。泵送混凝土的输送管道除直管外，还有锥形管、弯管和软管等。当混凝土通过锥形管和弯管时，混凝土颗粒间的相对位置就会发生变化，此时如混凝土的砂浆量不足，便会产生堵管现象。所以在级配设计时适当提高一些砂率是完全必要的，但是砂率过大，将对混凝土的强度产生不利影响。因此在满足可泵性的前提下，应尽可能使砂率降低。另外，砂、石的含泥量必须严格控制。根据国内经验，砂、石的含泥量超过规定，不仅会增加混凝土的收缩，同时也会引起混凝土抗拉强度的降低，对混凝土的抗裂是十分不利的。因此在大体积混凝土施工中．建议将石子的含泥量控制在小于1％，砂的含泥量控制在小于2％。

为了降低大体积混凝土总温升和减少结构的内外温差，需要先控制混凝土的出机温度和浇筑温度。混凝土的原材料中石子的比热较小，但其在每立方米混凝土中所占的重量较大；水的比热最大，但它的重量在每立方米混凝土中只占一小部分。因此对混凝土出机温度影响最大的是石子及水的温度，砂的温度次之，水泥的温度影响很小。为了进一步降低混凝土的出机温度，其最有效的办法就是降低石子的温度。在气温较高时，为防止太阳的直接照射，可在砂、石堆场搭设简易遮阳装置，必要时须向骨料喷射水雾或使用前用冷水冲洗骨料。混凝土从搅拌机出料后，经搅拌运输车运输、卸料、泵送、浇筑、振捣、平仓等工序后的混凝土温度称为浇筑温度。关于浇筑温度的控制，我国有些规范提出不得超过25℃，否则必须争取特殊的技术措施的规定。美国ACI施工手册中规定不得超过32℃；日本土木学会施工规程中规定不得超过30℃；日本建筑学会钢筋混凝土施工规程中规定不得超过35℃。在土建工程的大休积钢筋混凝土施工中，浇筑温度对结构物的内外温差影响不大，因此对主要受早期温度应力影响的结构物，没有必要对浇筑温度控制过严。但是考虑到温度过高会引起较大的干缩以及给混凝土的浇筑带来不利影响，适当限制浇筑温度是合理的。建议最高浇筑温度控制在40℃以下为宜，这就要求在常规施工情况下合理选择浇筑时间，完善浇筑工艺以及加强养护工作。

刚浇筑的混凝土强度低、抵抗变形能力小，如遇到不利的温湿度条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生。无论在常温还是在负温下施工，混凝土表面都需覆盖保温层。常温保温层，可以对混凝土表面因受大气温度变化或雨水袭击的温度影响起到缓冲作用；负温保温层则根据工程项目地点、气温以及控制混凝土内外温差等条件进行设计。但负温保温层必须设置不透风材料覆盖层，否则效果不够理想。保温层兼有保湿的作用，如果用湿砂层，湿锯末层或积水保湿效果尤为突出，保湿可以提高混凝土的表面抗裂能力。