大体积混凝土裂缝成因与预防控制措施应用研究——以华阳街道28街坊J1-3地块项目为例

殷攀

上海金鹿建设（集团）有限公司 上海 200335

引言

随着社会飞速发展，近几十年我国大型基础设施不断建设并得到了高速发展，如高层、超高层建筑，水利工程设施，公路铁路桥梁等建设规模越来越大，其中大体积混凝土在各类大型工程项目中得到了广泛应用。众多建设者们通过各类工程实例作了大量实践并积累了丰富的施工经验。大量实践以及丰富的施工经验一方面可供后来者参考学习；另一方面也使得大体积混凝土施工技术得到了不断的突破和发展[1]。

1 华阳街道28街坊J1-3地块项目概况

项目概况：地下建筑面积44160m2，挖土方量约13万m³，基坑安全等级为二级；区域底板混凝土理论计算使用量为3100m³，设计强度级别为35MPa，抗渗级别为8级。基础底板厚分别为1000mm和2000mm，按规范《大体积混凝土施工标准》GB 50496-2018相关条款，该项目底板混凝土属于大体积混凝土。部分区域在不采取混凝土内部预埋冷却水管措施的情况下保证底板混凝土工程质量优质、无裂缝、无渗漏等质量缺陷是本工程施工过程质量控制的重点问题

2 大体积混凝土裂缝形成的原因

2.1 大体积混凝土定义

按照现行《大体积混凝土施工标准》GB 50496-2018中的表述，大体积混凝土为结构最短几何尺寸大于或等于1m的大方量混凝土结构，或者混凝土收缩及胶凝材料水化热导致的温度差可能形成危害结构安全的裂缝的混凝土结构。

按照美国混凝土学会的定义，大体积混凝土为现场施工的大体积砼其尺寸之大，不得不考虑技术措施等应对水化热及水化热导致的体积变化问题，以最大限度减少开裂。

按照日本建筑学会的定义，大体积混凝土为结构截面最短尺寸大于80cm，水化产生热量导致混凝土结构内部与外部环境之间温度差可能大于25℃的砼结构。

大体积混凝土的特点一是尺寸、体量特别大，二是水泥水化反应时混凝土结构内形成大量的热，而大体积混凝土结构断面较厚，由于混凝土导热系数小使得胶凝材料水化产生的热量被束缚在结构内部而难以散发出去，这就容易导致大体积混凝土结构的内部和外部产生较大温差而产生温度裂缝。

所以大体积混凝土不但要考虑尺寸、体量还得考虑胶凝材料的种类、强度以及后期在环境中产生的热量值计算[2]。

2.2 混凝土裂缝形成的原因

裂缝成因大致分为以下两种：①温度裂缝；②收缩裂缝。

2.2.1 温度裂缝的成因。

2.2.1.1 大体积混凝土裂缝形成。温差过大造成，胶凝材料在水化反应期间释放大量的热量使得混凝土结构内部温度不断升高甚至达到六七十度，但此时混凝土结构表面温度却在三四十度左右。混凝土的热传导性能较差，刚浇筑完成不久时，混凝土结构尚未形成有效强度，对水化热快速升高积聚导致的体积变化约束较小，此时水化热导致的应力不大。伴随混凝土龄期的增加，混凝土强度逐渐升高，对混凝土温度降低引起体积收缩变化的约束越来越大，也就使混凝土结构产生较大的温度应力，当混凝土结构自身的抗拉强度小于温度应力时，大体积混凝土结构外表逐渐形成温度裂缝。一般这种情况暂时只发生在表面，不会对混凝土内部结构造成影响，大体积混凝土整体结构还是完整的。

2.2.1.2 外部温度对大体积混凝土浇筑时的影响。大体积混凝土结构施工时，外部环境的温度情况也是大体积混凝土裂缝形成的重要因素。混凝土结构的内部温度受混凝土入模温度、水泥水化产生的热量值和混凝土结构自身散热降温等多种因素共同影响。外部环境温度越高，混凝土的入模温度越高；若外部环境温度降低，会使混凝土温度降低的幅度增大，尤其当外部环境温度急速下降时，就导致混凝土结构表面与内部的温差增大，这对大体积混凝土极为不利。温度相差越大，产生的温度应力也越大。因此，探究应对温度的合理方法，对预防大体积混凝土结构因内外温度相差过大形成较大的温度应力，具有重要意义。

2.2.1.3 一些约束条件对裂缝的影响。混凝土结构温差较大的同时还有外部条件对大体积混凝土结构进行约束，例如对大体积混凝土浇筑在平地面和工程桩上面进行比较。当浇筑在类似均质的平地面没有桩基约束时，可以认为大体积混凝土结构可以自由膨胀收缩变形而不会产生裂缝。当浇筑在桩基础上时，桩基对局部的混凝土结构变形产生了约束，大体积混凝土结构中产生附加约束应力而导致裂缝的产生。

温度裂缝产生的过程经笔者分析可分以下三个阶段：①第一阶段裂缝—混凝土浇筑完毕后两三天内的升温阶段，期间混凝土结构内部温度会急剧上升达到峰值而外部温度上升缓慢。巨大温度差引起的温度应力超过此时的混凝土抗拉强度导致形成裂缝。②第二阶段裂缝—当混凝土结构内部水化热达到峰值过后的降温阶段，结构物与周围环境温度接近，此时有别的结构物对混凝土结构有附加约束力，例如桩基对承台混凝土约束产生的附加约束应力，当混凝土抗拉强度小于该附加约束应力时，大体积混凝土裂缝形成。③第三阶段裂缝—当混凝土结构与外部周围环境维持在一个稳定的情况下时，环境发生改变，由于混凝土结构与周围环境导热系数不一样而形成温度阶梯，当大体积混凝土结构表面与外部环境温差超过规范允许的范围时，混凝土结构会产生裂缝[3]。

图1 混凝土从浇筑开始内、表温差曲线

温度控制：温度裂缝一般认为是难以避免的，但是要将其控制在规范允许范围以内，需进行科学的预测和合理的技术措施，一般可以从混凝土浇筑开始进行测温，包括出料的温度、浇筑入模的温度、周围环境的温度；在混凝土浇筑完成后、初凝前及时抹面和保温保湿养护并且根据温控的要求及时调整养护温度和湿度条件。如上图所示，混凝土浇筑完成后内部与外部的温差在第30小时左右达到峰值，此时温度应力最大。在诸多的影响因素中，温度、接触界面、湿度、温差、混凝土初凝时间、风速等影响较大，特别是风速大温度低时，混凝土最高升温将降低，这与实际测量比较是吻合的。但是也得避免降温过快形成较大的温度差，在高温季节可采取蓄水等养护措施，低温季节可采取加盖泡沫保温海绵等养护措施。如果大体积混凝土结构处于大风、气候干燥的地区，混凝土结构在模板拆除后，需尽快采取防风和保温措施，条件允许时，及时进行回填土是很好的保护措施，最终结果表明，这些措施对混凝的温度影响系数的改变，裂缝的控制是成功有效的[4]。

2.2.2 收缩裂缝。拌和混凝土所需的用水中，水泥水化真正需要的水量大概仅有20%，后期会蒸发剩余的80%水量。混凝土结构随着水泥水化过程及龄期的增加，体积会发生变化，大部分属于收缩变形，少部分是膨胀变形，起主要决定性影响的因素是拌和混凝土中胶凝材料的属性。混凝土中水化所需水量之外多出水量的蒸发是造成混凝土结构收缩变形的一个重要原因。这种硬化收缩变形若存在外界附加约束，就会导致收缩应力形成。在混凝土浇筑过程中振捣不密实或者过振导致面层浮浆过多，浇筑完成后、初凝前没有及时进行抹压，未及时进行覆盖，遭受风吹日晒使得表面水分散发过快而产生干缩。当混凝土抗拉强度小于结构中产生的收缩应力时，大体积混凝土结构会形成收缩裂缝，这种收缩裂缝在泵送大体积大流态混凝土施工中是非常常见的。

3 大体积混凝土质量保证与裂缝预防措施

3.1 选用中、低水化热水泥

水泥水化热会造成混凝土升温，因此选用低水化热的水泥可以有效减少升温。在大体积混凝土结构施工时多采用等级为42.5矿渣硅酸盐水泥。根据水泥水化热理论数据对比来看：强度等级为42.5矿渣硅酸盐水泥3天水化热为180kJ/kg，但强度等级为42.5普通硅酸盐水泥为250kJ/kg，相对而言水化热减少了28%。

3.2 掺加减水剂木质素磺酸钙

木质素磺酸钙简称木钙，是一种多组分高分子聚合物阴离子表面活性剂，具有较强的黏结性、分散性、螯合性等特点。一般作为混凝土拌和外加剂使用时，掺加量大约为水泥用量的0.25%～0.3%，可使用水量减少10%～14%以上，从而减少水化产生的热量，延缓水化热的释放速率，热量释放峰值也较不掺时推迟，改善了混凝土和易性，提高了工程质量。夏季使用，可以使混凝土初凝和终凝时间延迟5～8小时并且抑制坍落度损失。

3.3 掺加粉煤灰外掺料

相关实验数据表明，粉煤灰具有一定的活性，因此在混凝土中掺加一定数量的粉煤灰可以起到润滑作用，提升混凝土拌合物的粘塑性、可泵送性等性质。同时，粉煤灰能够代替少量水泥，缩减了水泥量，降低混凝土的水化热[5]。

粉煤灰改善后期混凝土强度的同时会使早期抗拉强度略微降低，对于早期抗拉要求较高的结构在掺加粉煤灰时应控制用量，否则会导致表面出现细微裂纹。

3.4 粗细骨料选择

混凝土配置一般采用自然连续级配，这样能确保混凝土有较好的和易性，以相对少量的水和水泥量获得设计需求的抗压强度。达到预定要求的同时，也发挥了水泥的最佳效用。粗骨料的最优粒径的选择受到结构物的配筋间距，模板形状和施工工艺限制，因此在满足施工的情况下，尽量选择粒径较大的粗骨料，就可以缩减拌合用水量，从而抑制混凝土的泌水、收缩。

3.5 采取切实有效的施工方法

依据大体积混凝土的泵送施工特点，混凝土浇筑可采用分段定点，统一坡度，薄层浇筑，循环推进，一次到顶的方式浇筑，混凝土自然流淌形成的坡度能与泵送工艺相适应，减少中间管道拆、改、移程序，提高工作效率，简化泌水处理，使上层与下层之间混凝土的浇筑时间间隔小于下层混凝土初凝时间。根据现场形成的坡度在出料口和坡脚两处设置振动器，分别保证上部和下部混凝土的振捣密实。随着浇筑工作推进，振动设备随时跟上保证整体混凝土浇筑质量。大体积混凝土浇筑后的表层浮浆应在初凝前尽快用铁辊压实以闭合收缩裂缝。

图2 底板大体积混凝土浇筑分层分段顺序

3.6 严格控制混凝土入模温度

大体积混凝土宜选择在春季、秋季或一天中温度较低时施工，这样可以使混凝土浇筑时的温度较低。选择在高温季节施工时，需要采取合理措施降低混凝土拌合物浇筑时的温度，在混凝土浇筑时最好有遮阳措施，避免浇筑好的混凝土在太阳底下暴晒。

3.6.1 粗骨料在混凝土中的比重约为50%，降低粗骨料的温度也能够很好地降低混凝土的出料温度，据相关数据表明粗骨料每降低5℃混凝土的出料温度可降低1℃，所以在高温季节用冷却水对粗骨料进行洒水降温，保证骨料温度降低，但是骨料洒水会造成含水率不稳定从而导致拌和料的坍落度较大，严重的甚至离析，这就要求实验室工作人员做好混凝土施工配合比工作，适时作出调整。

3.6.2 用于大体积混凝土的水泥储存场所应通风良好，水泥温度不宜超过60℃，控制好水泥的温度是确保混凝土拌合物入模温度的有效措施。

3.6.3 高温季节可采用经冷水机冷却后的水作为拌合用水，水温通常在5℃，或者采用在水里加入碎冰块来保证水温稳定。

3.7 增加适当预埋件

在工期允许的条件下，厚度较大的混凝土可以采用水平分层浇筑，每层厚度在1.5m这样，时间间隔7天以上，层之间设置抗缩钢筋网片，这种方法可以很好地降低内部温度，减少人、材、机的投入，降低造价。

3.8 改进施工技术

钢材导热系数高容易产生较大的温度梯度，这也会诱发裂缝的产生，施工过程中一定要加强钢筋设置区域的振捣抹压和养护。

3.9 加强混凝土养护

3.9.1 混凝土浇筑后条件允许应尽快回填土，土基本具备了所有养护材料的特性，这对预防和控制裂缝产生非常有效。

3.9.2 当需要采用覆盖保温养护时，应在12小时内进行覆盖和洒水。对有抗渗要求的混凝土，保湿养护时间应不短于14天，期间需要混凝土表面保持湿润。白天温度较高时可以可适当揭开散散热，夜晚需要覆盖密实[6]。

3.10 加强混凝土的测温工作

图3 温度测点布置示意图

温度测点布置：①能反映整个大体积混凝土的温度场及温度变化规律。②混凝土厚度不同区域、结构中心部位和边缘部位、厚度变化过渡段、由温度导致的约束应力较大部位，温度变化可能大的区域加密布置，温度变化小的区域稀疏布置。③大气温度测点设置在避免太阳照射的通风大气环境中，测量混凝土环境温度。《大体积混凝土施工标准》(GB50496-2018)规定，混凝土体表的温度与大气温度相差不超过20℃，在监测混凝土内部温度时，还需要对大气温度进行实时监测。④保温层测点布置在混凝土上表面上被保温层覆盖，测量混凝土保温层内温度。《混凝土结构工程施工规范》（GB50666—2011）规定，“混凝土结构外表面40～80mm以内位置与结构内部的温度相差不宜超过25℃，同时与结构外表温度相差不宜超过25℃”。（测温设置如图所示）。

前五天每两小时测温一次，之后每四小时测温一次，直至温度表现相对稳定时可以停止观测。根据施工的测温情况看，混凝土内部温升的高峰值一般在3天内产生，内外温差值在20℃左右，基本都控制在规范允许的范围以内，未见异常。

3.11 其他注意事项

3.11.1 泵送大体积混凝土级配控制。采用泵送施工大体积混凝土时，泵送管时常会发生堵塞故障，因此混合料的可泵送性也不容忽视。须管线布置顺畅，压力和直径满足泵送要求；选择良好的砂石级配，粗骨料一般不超过管径1/3，砂率宜控制在40%～50%之间，坍落度控制在180mm～200mm之间。

3.11.2 大体积混凝土浇筑顺序及泌水排出。大体积混凝土一次浇筑量大，因此混凝土模板侧压力也大，需要根据现场的实际条件以及当时的气候条件，适当设置混凝土浇筑层数同时混凝土的暴露面也不宜过大，以免造成后一层混凝土还没施工完毕，前一层已经凝结形成冷缝，对工程质量造成影响。在浇筑混凝土时，尽量选择从一个方向推进浇筑，这样在混凝土出现泌水时可以及时采取措施，泌水量少时可以用水桶提出来，泌水量大时可以采用小抽水泵直接抽出（如下图所示）。这两种方法都排除了施工阶段的积水，并且简单易行[7]。

图4 积水排出及混凝土浇筑、分层流程

4 结束语

综上所述，此项目在施工前各种保证措施到位和充分科学预测的前提下，确保在施工过程中严格控制以及施工后的监测养护等工作，在没有采取布置冷却水管进行降温措施的情况下，仍然顺利完成了底板大体积混凝土的施工工作。在后期的不断监测中并未发现明显的裂缝出现。

施工前严格控制材料质量关，混凝土中掺加聚丙烯纤维等都是提高混凝土抗拉强度的有效措施。使用水化热低的水泥，降低单位体积水泥量，降低原拌和料温度来控制混凝土入模温度等措施，使混凝土内部降温来减小温度应力。如果措施得当，某些情况下大体积混凝土施工不布置冷却水管来降温也可以做到无危害裂纹产生，同时还可以降低成本。