大体积混凝土裂缝的成因与防控

2018-02-14陈升符昱

建材与装饰 2018年39期

陈升符昱

（河南省水利电力对外有限公司）

随着世界经济的发展，建筑行业也在发生着巨大的质变，大型桥梁，水坝，高层建筑物等建筑结构已全面渗入社会生活。在这些大型建筑的建造过程中，大体积混凝土是建筑基础不可或缺的组成部分，因其承载能力较强，施工相对方便，造价较为适中，成为许多建筑形式的首选。但在施工过程中，以及在其他因素的影响下，也伴随产生以裂缝为主的一些实际问题。

1 大体积混凝土裂缝的主要类型及其可能造成的危害

影响大体积混凝土结构使用功能与安全的主要因素就是裂缝问题，裂缝不仅会对建筑物的外观产生美学影响，同时也会使其结构内存在安全隐患，从而不能有效地发挥其使用功效。大体积混凝土裂缝的类型及其危害主要包括以下几个方面：

1.1 温度裂缝

由大量的实验结果和施工工程的裂缝成因结果显示，4/5以上的混凝土裂缝都是由于混凝土内外温度不同，致使混凝土结构内部的温度应力大于其抗拉强度或极限拉伸值时导致的。温度裂缝基本上产生于大体积混凝土形成的早期阶段，在混凝土初凝升温时，内升外衡的温度“张”力使混凝土的表面产生裂缝；而在其成型降温阶段，内降外衡的温度“缩”力使混凝土的内部产生裂缝。这些表面和深层的裂缝会导致混凝土防渗性和稳定性的下降。

1.2 收缩裂缝

大体积混凝土的收缩裂缝主要包含两种情况，一种是由干燥收缩形成的裂缝，另一种是由塑性收缩形成的裂缝。

干燥收缩裂缝包含干燥裂缝和自收缩裂缝。前者是由于混凝土干燥成型时，由于表面与内部水分蒸发速度不一致，导致表面干燥裂缝，这种裂缝如果在前期没有维修养护会发展为深层裂缝，影响混凝土的防渗性及稳定性。后者是由水泥水化过程中其自身化学特性引起的，水化作用在混凝土内部形成细孔，若养护时间不及时或养护方式不当，细孔聚集就会形成内部裂缝，这种裂缝会影响混凝土的稳定性。

而塑性收缩裂缝则是受外界影响产生的，当初凝的混凝土受到高温、大风等天气影响时，其外部水分散失较快，如不及时加以养护，则会在混凝土表面产生龟裂，这种裂缝会影响混凝土的防渗性。而表面裂缝若不及时处理，则会逐步向混凝土内部纵深发展，形成深层裂缝，从而影响混凝土的稳定性。

1.3 接触裂缝

在水利工程的基础结构中，较多的运用了大体积混凝土技术。混凝土属于复合材料，在与岸坡的岩石这类自然物质接触的地方往往是施工过程中较为重要的一个方面，因为其接触的紧密性与水工建筑物的渗漏、沉陷有关。因此在坝头与岸坡的实际施工中，大体积混凝土的可能产生的接触裂缝是需要密切注意的问题。接触裂缝的程度直接影响水工建筑物的质量，在大坝蓄水使用时水的应力时刻作用于坝头与岸坡的接触处，长时间就会使接触部分产生裂缝，影响坝体的防渗效果，严重时，会直接影响坝体安全。

2 大体积混凝土裂缝的成因分析

2.1 混凝土温度应力

在混凝土浇筑初期的短时间内，一般为7d内，大量的热量通过水化热过程释放并聚集在混凝土结构内部，会使其内部温度在短时间内快速升高。大体积混凝土由于其体积大，横截面小，散热慢，因此其水化过程凝聚的热量长时间被约束在混凝土结构内部，致使其内部温度在短时间内上升至30～50℃，甚至更高；而其表面的热量由于处于外界环境，与内部相比温度就更容易散发，这样就会使混凝土内部与表面产生巨大的温度差异，形成一个内外温度梯度比较陡的复杂的温度场。内部高温的扩张力使混凝土内部的压应力增大，当外部的拉应力无法束缚时，就会在混凝土的表面产生裂缝，也就是膨胀性裂缝。当水化过程放热结束，混凝土逐渐开始冷却直至成型。此时大体积混凝土内部聚集的热量基本释放结束，温度下降较快，而混凝土外部由于与外界接触，在温度相对稳定的情况下则降温较少，内部低温的收缩力增大了混凝土结构内部的拉应力，而外部的压应力变化相对较少，这样就会引发混凝土内部裂缝的形成。基于以上两点可以得出，不管是由放热升温阶段产生的表面裂缝，还是在冷却降温阶段产生的内部裂缝，都是因为大体积混凝土的温度应力过大，超过其自身的抗拉强度。

2.2 混凝土收缩

大体积混凝土的收缩裂缝主要是指混凝土由于微观或局部体积发生微小变化而产生的裂缝，主要是由干燥收缩和塑性收缩引起的。

2.2.1 干燥收缩

由干燥收缩引起的裂缝主要包含两种，即干燥裂缝和自收缩裂缝。

（1）干燥裂缝

由于大体积混凝土表面干燥速度快，内部干燥速度慢，在内部未完全干燥，而表面已完全干燥时，就会在混凝土表面产生干燥裂缝。

（2）自收缩裂缝

自收缩裂缝与干燥裂缝的相同之处是都是由于混凝土中水分的消失导致的，不同之处就在于干燥裂缝是由于养护结束后混凝土内外部硬化过程不同步，水分蒸发不平衡导致应力变化进而产生的裂缝；而自收缩裂缝是由于混凝土结构内部水分的散失所导致的体积变化进而产生内部细孔引起的裂缝。

2.2.2 塑性收缩

塑性收缩主要发生在混凝土未凝固时的阶段。混凝土未凝结硬化时，处于塑性阶段，强度较小。而此时水泥活性较大，混凝土由于水化热反应温度较高，混凝土泌出的水分较前期减少，当受到来自外界的外力侵入，如高温、大风等天气影响，若表面蒸发的水分不能得到及时的补充时，就会在混凝土的表面产生不规则的龟裂。引发塑性收缩裂缝出现的最主要的因素就是混凝土表面水分缺失。这种裂缝一般都出现在混凝土结构物的表面，属于浅表的裂缝，但若不及时修复，也会影响混凝土的防渗性。

2.3 外部约束

由于大体积混凝土水化发热会产生温度应力，再加之混凝土的收缩，这两方面产生的应力会叠加作用于无束缚的混凝土结构；而在这些应力叠加发展的过程中，如果再受到外围边界的作用，三方面应力就会再次叠加，共同作用于混凝土结构。在实际施工过程中，坝头处的大体积混凝土结构需要直接连接在坚硬的岸坡围岩上，若围岩未清理到位，如接触面泥沙或岩石风化层未清除干净，就会降低混凝土与岩石接触面的紧密性，影响大坝的抗滑稳定性。

3 大体积混凝土裂缝防控措施

3.1 温度裂缝的防控措施

大体积混凝土温度控制的措施主要有以下几个方面：减少混凝土的发热量、降低混凝土的入仓温度、加速混凝土的散热、加强混凝土的温度监控与检测。

3.2 收缩裂缝的防控措施

3.2.1 干燥收缩裂缝的防控措施

（1）干燥裂缝的防控措施

针对干燥裂缝的防控，首先应采用低发热量的水泥。其次可以加入减水剂。减水剂的增加在节约水泥的用量的基础上还能减少混凝土的发热量。另外应加强混凝土的养护。在混凝土浇筑完成后，应及时进行养护工作，对于塑性混凝土应该在浇筑完毕后的18h以内进行洒水养护；对于低塑性的混凝土适宜在浇筑完成以后立即开始养护，养护可以采取喷雾养护的方式进行，并同时进行洒水，从而确保混凝土的表面始终保持在一个湿润的环境下。养护的方式可以根据混凝土的种类和特性进行，一般分为洒水养护、覆盖养护和化学剂养护。

（2）自收缩裂缝的防控措施

相对湿度是导致大体积混凝土自收缩的重要原因，而水灰比是影响相对湿度的关键因素。当水灰比在大于等于50%时，混凝土的自收缩效应可以几乎忽略不计，当其低于这个值时，就可能诱发自收缩的产生，从而出现裂缝。据实验表明，当水灰比小于35%时，混凝土结构内部的相对湿度就会很快下降1/5甚至更多。因此在实际的施工过程中，可以采用添加减水剂的方式，这样可以在保证大体积混凝土强度的前提下，增大混凝土的坍落度，提高其相对湿度，不至于因为水化反应消耗掉过多的水分而发生自干燥效应，同时混凝土的强度得到了保证，可使混凝土更好的抵消收缩应力的作用。同时减水剂会使单位体积的水分中需要的水泥用量减少，这样会大大的增大水灰比，减小自收缩裂缝产生的可能性。其次，可以使用中低发热量的水泥，比如粉煤灰硅酸盐水泥或者火山灰质硅酸盐水泥等，从而降低发热量，减少因为热量的散失而带走过多的水分导致相对混凝土相对湿度降低。另外，设置合理的施工缝。当混凝土体积发生变化时，施工缝可以很好的提供给其缓冲的空间，避免裂缝的产生。最后，加强施工工艺流程的科学合理性，提高混凝土的拌合效率，加大热量的散失力度，注意养护，避免水分的过分散失。

3.2.2 塑性收缩裂缝的防控措施

针对塑性收缩裂缝，可以采用强度等级高的水泥，比如普通硅酸盐水泥或者硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥的密度在3100～3200kg/m3之间，可以满足混凝土在终凝前的抗收缩强度。其次，在混凝土结构施工之前，可以将混凝土的模板和基础底座支撑面适当的进行湿润，以补充混凝土塑性后期水分的散失。另外，对混凝土的养护要及时且时间应足够长。应及时进行草盖覆盖养护或者塑料薄膜覆盖养护，防止混凝土表面水分的过分散失，在高温季节还应间歇性的进行洒水养护，及时补充水分，使混凝土一直处于湿润的环境中，防止塑性裂缝的产生。

3.3 接触裂缝的防控措施

大坝坝体与两边岸坡的连接处，是蓄水后受力的重点区域。混凝土作为一种凝胶型复合材料，与岸坡的岩石这类天然材料相结合时，应特别注意连接的紧密程度，因为在大坝蓄水使用时，会直接影响大坝的抗滑稳定性。对于连接处的施工步骤，应特别注意的是在施工前需要将围岩的泥沙清理干净、风化的岩面除去，露出坚硬的岩石，在岩石上开凿出缝槽，将混凝土“插”入缝槽浇筑，以增连接的紧密性。在此基础上将混凝土与岩石间增加锚筋，则会使紧密性进一步提高。