浅谈大体积混凝土裂缝成因及控制技术

2019-10-19李星

建筑与装饰 2019年15期

李星

摘要大体积混凝土被广泛应用于建筑工程、水利工程等基础设施建设中，而大体積混凝土的开裂问题是长期困扰工程界的难点之一，本文简要介绍了大体积混凝土的裂缝成因及控制技术。

关键词大体积混凝土;裂缝成因;控制技术;预防措施

1相关概念

目前，大体积混凝土并没有统一的定义。我国《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。

在讨论混凝土结构裂缝之前，首先要明确“裂缝”的基本概念。裂缝通常是物体表面窄长形状，可以用肉眼观察到的间隙，这种间隙造成了材料的间断和不连续。肉眼可见的“裂缝”的宽度一般都在0.05mm以上，可能引起观感上的不安和疑虑。事实上，混凝土不同于钢材、木材和其他建筑材料，它是多相体的非匀质材料，由于其组成成分多样化，以及特殊的结构成型方式，决定了在混凝土中的裂缝是这种材料不可避免和与生俱来的现象。混凝土结构实际上是带裂缝承载受力的，这是工程界的共识，想要完全避免裂缝几乎是不可能的，但是裂缝的宽度应加以控制[1]。

2裂缝成因

混凝土裂缝成因复杂，主要机理为开裂驱动力大于混凝土抗拉强度，导致裂缝的产生。大体积混凝土产生裂缝的主要原因大概有以下四个方面：

（1）水泥水化热。水泥在水化过程中要释放出一定的热量，而大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥产生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去，导致温度不断上升，使内外温差持续增大，产生温度应力和收缩应力。水化热产生导致的混凝土内部最高温度，多发生在浇筑后的最初3天至5天，以后逐渐降低。由于混凝土的导热性能较差，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加，弹性模量逐渐增大，对混凝土内部降温收缩的约束也就越来越大，导致产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗拉应力时，便开始出现裂缝。

（2）混凝土的收缩变形。塑性收缩裂缝发生在混凝土硬化之前，混凝土仍处于塑性状态。它的产生主要是上部混凝土的均匀沉降受到了限制，如遇有钢筋或大的混凝土骨料，或者平面面积较大的混凝土，其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就会形成不规则的深裂缝。这种裂缝通常是互相平行的，间距为0.2～1m左右，并且有相当的深度。

干燥收缩。混凝土中80%的水分要蒸发，约20%的水分是水泥硬化所必需的。而最初失去的30%自由水分几乎不引起收缩，随着混凝土的继续干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干燥收缩。而表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢。由于表面的干缩受到中心部位混凝土的约束，因而在表面产生拉应力而出现裂缝。

（3）外界气温变化。大体积混凝土在施工阶段，常受外界气温变化的影响。一般而言，外界气温越高，混凝土的浇筑温度也愈高。当气温下降，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度，因而会造成温差和温度应力，使大体积混凝土出现裂缝。

（4）约束条件。大体积混凝土因温度变化而发生变形也要受到不同程度的约束，限制其变形，因而产生了约束应力。大体积混凝土与地基浇筑在一起，早期混凝土温度上升时，混凝土膨胀受到地基约束会产生压应力;当后期温度下降时，混凝土收缩受到地基约束便会产生拉应力。由于混凝土的抗压性能优于抗拉性能，所以在受压时一般不会出现裂缝，而在受拉时，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会在混凝土中出现垂直裂缝[2]。

3裂缝预防和控制措施

大体积混凝土的裂缝的出现破坏了结构的整体性和稳定性，一旦出现大的裂缝很难修复，因此对于大体积混凝土结构的裂缝，应以预防为主。总结国内外的经验，为了预防和减少大体积混凝土裂缝的产生，应从以下几方面着手：

3.1 选择合理的结构形式

（1）结构形式对温度应力和裂缝具有重要影响。在设计阶段应充分重视结构形式对温度应力和裂缝问题的影响，特别在寒冷地区，应尽量少用对温度变化敏感的薄壁结构。

（2）浇筑块尺寸对温度应力有重要影响。浇筑块越大，温度应力也越大，越容易产生裂缝。因此，合理的分缝分块对防止裂缝有重要意义。实际经验和理论分析都表明，当浇筑块平面尺寸控制在15m×15m左右时，温度应力比较小，基础约束高度也只有3～4m。在气候温和地区，产生裂缝的可能性较小;但在寒冷地区，由于温差过大，这种尺寸的浇筑块仍然难免出现大量裂缝，需要采取严格的保温措施。

在同一浇筑块内应避免基础过大的起伏，在结构形式上应尽量避免或减缓应力集中。

3.2 选择混凝土原材料、优化配合比

选择混凝土原材料、优化混凝土配合比，使混凝土具有较大的抗裂能力，即要求混凝土绝热温升小、抗拉强度大、极限拉伸变形能力大、线胀系数小、自生体积变形小。

（1）选择水泥。水泥应尽量采用低水化热和安定性好的水泥，在满足设计强度要求的前提下，尽量减少水泥用量。当环境水具有硫酸盐侵蚀性时，应采用抗硫酸盐水泥。

（2）掺用混合材料。掺用混合材料的目的是降低混凝土的绝热温升、提高抗裂能力。常用的混合材料有矿渣、粉煤灰、烧黏土等。

（3）掺用外加剂。外加剂减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等。

（4）优化砼配合比。在保证混凝土强度及流动性条件下，尽量节省水泥，降低混凝土绝热温升。

3.3 严格控制混凝土温度，减小基础温差、内外温差及表面温度骤降

（1）降低混凝土浇筑温度。通过冷却拌和水、加冰、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少浇筑过程中的温度回升。

（2）水管冷却。在混凝土内埋设水管，通低温水以降低混凝土温度。

（3）表面保温。在混凝土表面覆盖保温材料，减少内外温差，降低混凝土表面温度梯度。

在混凝土浇筑时，做到薄层、短间歇、均匀上升，利用低温季节浇筑基础部分混凝土。加强养护，严格控制温度。