土木工程中大体积混凝土结构裂缝成因及技术优化

王金福

(中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司，山东 济南 250101)

1 工程概况

某工程地下室建筑面积为3 000 m2，混凝土强度设计为C40，抗渗等级设置为S8，地下室底板厚度设置为1 m，外墙厚度设置为0.8 m，净高设置为4.5 m，使用泵输送混凝土，采取分层浇筑施工的策略，层高设置为3.5 m。该工程于当年8月份完成外墙混凝土浇筑施工，后期发现墙体有开裂的地方，裂缝的间距大约为1.5 m，内墙一切正常。

2 分析开裂的原因

2.1 外界气温

外界气温对混凝土浇筑温度的影响比较大，两者为正相关关系，即外界气温越高，混凝土浇筑温度也越高。该混凝土于当年8月份完成浇筑施工，此时正是炎炎夏日，混凝土内部温度变化比较明显，散热能力比较低，使得温度应力比较大。当外界气温降低时，混凝土的温度梯度会随之发生改变，特别是在气温变化非常明显时，使得混凝土的内外温差非常大。同年9月份利用取芯法检测混凝土内部结构，发现存在裂缝，随着温度降低，裂缝渐渐向纵深延长，进而形成贯穿性裂缝，严重影响了整个结构的防水性、耐久性和整体性。

2.2 水泥的品种

在水化反应的过程中会有大量的热量产生，使得大体积混凝土内部温度持续升高，所以，要想使大体积混凝土的裂缝得到高效的控制，就要合理选择混凝土的品种，重点关注水泥的水化热、坍落度和强度。普通硅酸盐水泥是该工程的主要施工材料，其使用到大体积混凝土结构中不太合适，主要是因为该水泥三天之内的水化热能够达到250 kJ/kg，比矿渣硅酸盐水泥的水化热高了1.5倍。特别是在浇筑施工的最初时期，低热水泥使自身的发热量降到最低，大大减少了混凝土浇筑块体的内外温差，所以使用矿渣硅酸盐水泥能够控制裂缝。使用早强型水泥以后，混凝土内部热量散失比较少，增加了降温的速度，墙体内外就会形成比较大的温度差，使得浇筑施工初期容易产生通缝。使用泵输送混凝土时为满足混凝土的可泵性，需合理优化混凝土级配，掺加一定量的外加剂，以此改善混凝土性能，延迟水泥的水化热峰值。

3 优化升级施工技术

3.1 混凝土材料

1)使用的材料标准一定要满足国家的相关要求。

2)主要施工材料为中低水化热水泥，具体选择42.5级矿渣硅酸盐水泥，将水化热控制到最小的范围之内，高效管控混凝土的温升值。

3)科学控制混凝土后期强度，降低水泥用量10 kg，其水化热可以让混凝土温度下降1℃，因此需要严格控制水泥用量。

4)在浇筑混凝土时预留好孔道，为后续的通冷气或者通冷水的降温措施做好充分的准备工作。

5)在拌和混凝土时，可掺加适量的膨胀水泥或膨胀剂，补偿收缩混凝土，从而控制混凝土的温度应力。

6)加入适量减水剂和磨细粉煤灰，以此降低用水量和水泥用量。

7)在选择粗细骨料的时候，注意：①使用连续级配碎石和中砂，使同等情况下的混凝土水泥用量和用水量降到最少；②控制好石子、砂的含泥量，使水灰比降到最低，该工程施工使用的石子含泥量一定要控制在1%以内，做好振捣施工，显著提升混凝土的抗拉强度和密实性。

8)合理管控可泵性混凝土的配合比，控制混凝土坍落度约14 cm，初凝时间应在10 h以内。

9)严控混凝土料出机温度，混凝土料中温度影响最大的因素是水和石子的温度，其次是砂的影响。在混凝土搅拌施工时，对石堆场和砂场采取遮阳处理，使混凝土的出机温度控制到最低，如果有施工需要可以向骨料中喷洒冷水降温。

10)在控制混凝土的浇筑温度时，从混凝土搅拌开始到运送施工现场的整个过程中都要准确掌控温度。浇筑混凝土时，需要详细记录运到现场的混凝土的坍落度、温度，在现场等待浇筑的过程中，往运输罐喷洒适量冷水，保证混凝土的施工温度在最佳范围。

3.2 大体积混凝土施工

1)商品混凝土是施工混凝土的主要类型，搅拌车运输混凝土，泵送入模中，混凝土需要一次性完成浇筑施工，在入模时做好模内通风，使模内热量被及时地疏散掉。

2)商品混凝土具有较大的流动性，该工程施工采取四角度同时浇筑施工的策略，使用的主要浇筑方法为斜面浇筑施工法，使混凝土的暴露时间最少，显著提升了混凝土的浇筑强度，并将混凝土的浇筑时间控制到最短。

3)混凝土分层浇筑，以后浇带为界将其划分两个部分，两部分一起施工，同时配备两台混凝土泵送机，采取阶梯斜面分层式浇筑法，浇筑厚度保持在40 cm以内。在混凝土浇筑施工的过程中，监理人员和施工技术人员在施工现场进行指导，每层浇筑施工的间隔时间比混凝土初凝时间长，上一层混凝土的强度满足设计标准以后，方可浇筑下一层混凝土。分层浇筑施工的具体情况见图1。

(a)

4)泵送混凝土时，中间泵位要优先供应，以突弧形的方式向前完成浇筑施工，使混凝土泌水随着混凝土浇筑流向两侧后流出，使用软轴水泵将泌水清理干净。

5)待混凝土初凝2 h后处理混凝土表面，具体利用长括尺以标高为参考将其刮平，在混凝土初凝后抹压打磨两次，使用硬扫帚将混凝土表面刷平，使早期收缩裂缝高效闭合。

3.3 底板降排水

强风化砾泥质砂岩是该工程的主要地基土类型，地基土与底板直接接触，会有承压裂缝水涌出，因此要积极采取措施处理好地基土降排水。从该工程的实际情况出发，降排水时采取集水井结合盲沟的方式，使水面比垫层地面略低30 cm。柱墩、电梯井等位置是设置集水井的主要位置，与挡土墙的间距要保持在2 m左右。

3.4 大体积混凝土养护

在养护大体积混凝土时，重点做好混凝土的温差控制工作，混凝土水化过程中将产生大量水化热，其无法通过采取措施消除，因此会快速提升混凝土的内部温度，使混凝土内外部出现较大的温度差，进而导致温缩裂缝。该工程在降低混凝土内部温度时，采取的主要措施为将直径为2 cm的钢管作为循环水管埋设在底板内部，其位置为底板中线偏下，顺着水平方向布置，间距设置为80 cm，在铺设施工时最好与钢筋直接接触，借助钢筋优良的导热性快速降低温度。实时监控混凝土的内部温度，保证混凝土的内外温差保持在规定范围之内。温度仪和温度探头是检测温度时使用的主要仪器，在混凝土的内部埋设温度探头，使用数据线将温度探头获取的数据导出来并传输到温度仪中，通过温度仪完成各点温度的有效分析。

3.5 保温保湿

对于大体积混凝土来说，在混凝土硬化的过程中会有大量水化热集中在其中心位置，从而使中心位置的温度快速上升，与混凝土表面的温差非常大，使混凝土易出现裂缝的情况，所以，要采取措施做好大体积混凝土的保湿保温施工。在采取保温措施时，将两层草包覆盖在塑料保温膜的上面，混凝土表面四周砌一定高度的墙体，采取防水养护表面的方法，三周以后对最终的温度进行监测，在所有的养护措施完成以后，如果没有结构性裂缝存在则说明该方法有效。

3.6 计算地下室顶板温度

1)混凝土内部最高绝热温升值的计算公式为：

Th=WQ/CP

(1)

式中，W为水泥用量；Q为水化热；C为混凝土比热；P为混凝土密度。将相关数据代入以后，最终的结论为Th=71℃。

2)计算混凝土内部最高温度的公式为：

Tmax=Tj+Th·￡

(2)

在9月初期测算混凝土浇筑温度，即入模温度Tj=27℃，厚度为1.3 m顶板的散热系数￡=0.43，最终的计算结果为Tmax=57.64℃。

3)混凝土表面与内部温差的计算公式为：

Tb(t)=Tq+4÷H2×h′(H-h′)ΔTt

(3)

式中，Tq为环境温度；H为顶板厚度，m，即H=h+2h′，h为混凝土实际厚度，m；h′为混凝土虚厚度，m，即h′=k·λ/β，k为计算折减系数，取值为0.67，β空气层传热系数，当未采取保温措施时，取值为23 W/(m2·K)；ΔTt为外界与混凝土内部最高温差。最终值Tb(t)=29.41℃，比规定值25℃略大一些，所以要采取措施予以处理，防止出现表面裂缝的情况。

3.7 防裂措施

1)使用低热水泥施工，将水泥水化热控制到最低。

2)合理设置配合比，有效发挥混凝土后期强度的优势。

3)采取分层分段浇筑施工的办法，不断扩大散热面，使散热速度得到显著的提升，科学管控收缩应力和温度。

4)在冷却的过程中使用循环水施工，能够将裂缝的发生几率控制到最低。

5)对于大体积混凝土施工技术来说，保温保湿养护十分重要。

6)采取加冰拌和和预冷内料等预冷技术，将浇筑温度控制到最低。

4 结束语

在土木工程施工的过程中，使用大体积混凝土施工技术以后，使整个工程的施工质量发生了根本性的改变。施工人员需要对施工标准、施工重难点以及施工程序做到了如指掌，以施工规范、施工组织规划方案和施工图纸为核心，高效管理施工人员、施工设备和施工材料，为整个工程的顺利施工奠定坚实的基础，显著提升其经济效益和社会效益。

[ID:013488]