土建工程中大体积混凝土裂缝的防治技术

史金正 任书霞

（石家庄铁道大学材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043）

0 引言

在高层楼房基础、工业工程的大型设备基础、水利大坝、大跨度桥梁工程等，经常会涉及到大体积混凝土的施工。大体积混凝土的体积大，表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部升温比较快。水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，会使混凝土产生温度裂缝和收缩裂缝。这两种裂缝在形式上表现为表面裂缝和贯通裂缝，都会影响大体积混凝土的结构安全和正常使用。因此，本文就大体积混凝土的裂缝防治施工技术进行探讨。

1 大体积混凝土裂缝类型及产生原因

1.1 温度裂缝

由于大体积混凝土在浇注施工和养护的过程中，会出现内外部温差过大的问题。当混凝土内外部过大的温差，所引发的温度应力超出了大体积混凝土可能承受的抗拉强度时，就会引发裂缝问题。温度裂缝形成的原因主要有以下三方面[1]：

（1）混凝土浇注初期，因水泥水化反应，产生巨大的水化热，造成内外部温度差，使混凝土产生大量裂缝，且通常在施工结束后的3h 左右产生；

（2）在大体积混凝土拆模浇注前后时间段，混凝土表层温度会迅速降低，内外温度变大，此时也很容易产生温度裂缝；

（3）混凝土内部水化热温度达到最高值时，热能会逐渐向外面传播，此时混凝土表层的最低温度与内部最高温度相差较大,就会产生高温裂缝。

大体积混凝土在水泥浇注的前几天，会逐渐产生水化热，由于大体积混凝土截面较大，散热性能相对有限，水化产生的大量热量（1kg 水泥水化产生的水化热高达50000J）积聚在大体积混凝土中，导致内部温度在浇注后几天内呈线性上升，水化热在前3d 最大，温度收缩裂缝大约在浇注后2～10d 出现。大体积混凝土内部温度变化如图1 所示。

图1 大体积混凝土内部温度变化曲线

1.2 收缩裂缝

（1）在水泥散热和硬化时期，水泥内部结构会发生紧缩情况，特别是大体积水泥的内部结构紧缩问题尤为突出，当该收缩应力值达到水泥的抗拉强度时，就会引发混凝土裂缝。实际上，混凝土在使用过程中，也会出现收缩问题，这同干缩的原理比较类似，但实际是因大体积混凝土内部水的迁移所造成的。

（2）在水泥水化过程中，由于混凝土会大量消耗水分而使凝胶材料在孔液面上产生沉降问题，这便是所谓的自干效应，且会逐渐减小水泥体的容积，引发裂缝问题。

（3）塑性收缩，也是导致大体积混凝土产生收缩裂缝的原因。当水泥达到过高工作温度或水泥活性比较大的状况下，由于建筑混凝土表层水分无法进行及时有效地补给，大体积混凝土也处在塑性状态，稍微受到一些拉伸，即会产生不规则裂缝。

（4）碳化收缩裂缝，是大体积混凝土中的常见裂缝，主要为水泥和二氧化碳之间的化学反应，使混凝土出现收缩变形，且一般只有在湿度达到50%左右时，才可以出现碳化收缩裂缝。

（5）负载导致的裂缝。动载断裂主要是指大体积混凝土或桥梁构件在常规静载、动载等应力状态下的混凝土断裂。根据应力情况，可分为直接应力和二次应力。前者主要是指荷载直接作用引起的裂缝，主要是由于计算模型选择不合理、内力和配筋错误、设计截面不足等原因造成的；或施工过程中大体积混凝土预制构件安装、运输、吊装不合理；未进行结构的疲劳验算；大体积混凝土桥梁结构存在强风、大雪或车辆撞击等问题，都可能导致大体积混凝土荷载裂缝。

以上收缩引起大体积混凝土出现裂缝，操作中很多人不能准确分辨。经验丰富的工程师用裂缝产生的的时间来判断裂缝产生的原因：塑性收缩裂缝大约在浇注后几小时到十几小时出现；自收缩主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天；干燥收缩裂缝出现在接近1 年龄期内。

2 大体积混凝土裂缝的防治措施

2.1 收缩裂缝的防治

混凝土收缩裂缝的控制重点，就是控制相对湿度的改变，使建筑结构具备相对稳定的温湿度。对温湿度主要从以下几方面进行控制[2]：

（1）进行混凝土表面的早期保养，水泥浇注完后，表层应尽快用草垫、草袋或塑膜遮盖，并洒水湿润保养。

（2）在温度高、相对湿度低、风力大的气候下，应及早涂抹、喷水雾保养，并适度拉长保养时限。

（3）采取密闭保水方式，在水泥表层铺设保温材料，使水分无法挥发，或采取其他保护措施，使室内空气流转(如设遮风墙、罩)、延缓表层水分挥发。

（4）正确选用配合比，可以减少水灰比及水泥用量、严格控制沙、碎石中的含泥量，并尽量避免用细沙，以增加水泥抗拉强度。

2.2 干缩裂缝的防治

干缩裂缝和高温裂缝产生均与水泥混凝土的水化热有直接关联。干缩型裂缝的预防办法大致包括以下几点[3]：一是合理选择混凝土品种,粉煤灰混凝土是大体积水泥浇注时常常使用的混凝土品种。粉煤灰混凝土能够减少对混凝土水化热反应的影响,从而降低了干缩性裂缝的产生。二是合理确定的混凝土配合比。水泥施工配合比能够按照建筑要求和现场状况,在满足水灰比的前提下做出合理的调节,通过进行配合比调节能够合理的预防干缩性裂缝的产生。

3 提高大体积混凝土浇注质量的措施

3.1 提高原材料质量

对大体积混凝土裂缝的防治,首先应从原材料品质管理入手,包括混凝土、粗细集料粒、外加剂、水等的品质，为保证混凝土浇注质量打下基础。要采用低水化热42.5 级普通硅酸盐水泥；粗骨料使用一级级配碎岩,如果是在夏季施工,则需要对粗集料颗粒适当喷水降温；细集料颗粒则使用中粗砂,并过滤出里面的杂质和污物,并严格控制含泥。所用自来水必须符合施工标准要求。总之,在施工前要严格进行原材料的质量检查与检验,不合格的建筑材料则一律禁止浇注,为防止裂缝的形成创造条件[4]。

3.2 优化混凝土的设计

首先是对原材料的控制，对于大型水泥混凝土浇注工程，一般需要选择水化热较低的混凝土材料，结合埋设冷水管的方法，以减少水泥水化热的影响。

（1）细骨料通常使用2 区中砂，粗骨料应尽可能减少收缩变形的影响。

（2）粉煤灰也可以作为外加剂适当添加，以减少水化热的影响。

（3）大体积混凝土中经常使用一些外加剂。例如，使用膨胀剂可以在混凝土中产生一定的膨胀应力，可以用来抵消混凝土本身收缩引起的应力，并可以抑制裂缝的产生；使用减水剂不仅可以提高混凝土的强度，还可以减少水泥的使用，从而降低水化热。

（4）与普通混凝土相比，大部分大体积混凝土必须要配筋。通过对大体积混凝土裂缝的观察可以看出，大部分裂缝发生在转角处设置斜钢筋的位置。因此，可以用钢筋代替相应的拉力控制裂缝的发展，设计时应尽量选择中低硬度的混凝土，并在后期充分提高混凝土的硬度；应注意减少对构件的约束，选择最小的钢筋保护层厚度，以减少裂缝的发生。

3.3 做好浇注中的温度控制

在混凝土浇注以后，要进行保温、保湿性养护工作，以使混凝土缓缓降温，发挥其徐变特点，从而减少高温应力。在夏季防止暴晒，并注意保湿，在冬天则采取保温覆盖，以防出现剧烈的气温阶梯变动。并制定合适的拆模日期，以延缓减温速率，从而拉长减温持续时间，以充分发挥混凝土的“应力松弛效应”；同时做好测量与高温监视工作，可通过热敏温度计多点监控，以便随时了解混凝土结构内部的温度变化。混凝土的内部温度差，宜控制在±25℃之内，将底面内外温差和基底表面内部环境温度均限制在20℃之内，并适时调整保温方法，使混凝土的内部温度梯度和温湿率均不会太大，有效抑制裂缝的形成。

3.4 改进混凝土的施工工艺

较大体积基础采用分层分块水泥浇注，以控制集料颗粒的含泥率。砂、石含泥用量过大，不但增大了混凝士的收缩，同时会减小了水泥的抗拉力，对水泥的耐裂性非常不利。所以，在混凝土拌和时选用级配良好的粗骨料，且砂石含泥率控制在1%以内，中细粒含泥量控制在2%以内，通过控制沙、砂石含泥量，减轻对水泥耐裂性的影响。

改进水泥混凝土的施工工艺，可选择二次投料法、两次振捣法、在混凝土浇注后及时清除表层积水和最上层砂浆等，做好早期保护，增加混凝土早期和相应龄期的抗拉强度和弹性模量。在大体积混凝土基层表面布设抗裂钢网片，以改变应力分配，避免裂缝的产生。避免由减温和干缩共同效应所引起的应力强度叠加现象。

在水泥中添加水泥使用量的5%～10%的VEA 混凝土微膨胀剂，以抵御由于干燥和降温而产生的混凝土收缩，从而抑制混凝土裂缝。同时采用“双控计算”的预防措施，即在浇注混凝土之前按施工要求，测算可能形成的最大降温收缩拉应力，当拉应力大于规定龄期的混凝土最大抗拉强度时，通过调整措施将最大拉应力值控制在规定范围内；

混凝土浇注后，应通过实际室温和气温的升降曲线，测算各个阶段降温时混凝土的累计拉应力，当其超过了该龄期的混凝土抗拉极限强度时，就应当进行保温养护处理，使各个阶段降温时混凝土的累计拉应力低于该龄期混凝土所容许的最大抗拉强度值，从而控制裂缝发生。

3.5 加强混凝土养护

混凝土浇注后，应及时做好养护(保温层材料和厚度待定)。水泥表层压平后，在混凝土表层喷水,然后再覆一层橡胶薄膜,接着在橡胶薄膜上涂抹保温层进行养护，保温层在夜间要涂抹得严密，以避免水泥裸露,中午后温度较高时可打开保温层以适当散热。在底部的塑胶布下预设了补水软管,与补水软管间距为68m,沿管道长度方向每100mm 开5mm 水孔，并按照底板的湿漉漉程度在管内灌水。混凝土泌水结束后，为避免面层起粉和塑性收缩，需要进行反复搓压。最后一次搓压则是采取“边掀开、边搓压、边覆盖”的方法。而对于底板表面无法连续包覆的地方，如墙、支柱插筋部位、钢梁等,采取挂麻袋片、塞聚苯板等方法,并尽可能地进行包覆,避免“冷桥”现象。混凝土施工完成后24h 内,除检查测量装置和覆盖材料外,严禁踩踏。保温层拆除需在混凝土超过规定强度,且表面温度和周围环境气候差要低于20℃时方可进行，并在中午后温度较高时才可进行保温层拆除。

4 结束语

总而言之，大体积混凝土施工中容易出现裂缝，需要从施工的各个环节进行控制。从原材料的质量控制到混凝土的配合比设计，浇注施工过程的要点把控及后期维护监测工作，每一环节都要严格按相关标准要求作好施工控制，才能有效防治混凝土的裂缝产生。当出现裂缝时，必须及时采取措施控制混凝土裂缝的进一步扩展，并从施工工艺上进行进一步处理，以保证大体积混凝土的最终的施工质量。