大体积混凝土温度裂缝控制与优化分析

苏建滨

（福建长泰第一建筑有限公司，福建 漳州 363900）

大体积混凝土广泛应用于建筑领域，并已采用大体积混凝土泵送，但由于其存在温度裂缝问题日益突出，严重影响建筑的安全性和耐久性，降低工程项目的建设质量。目前，温度裂缝问题已成为大体积混凝土结构的重要研究方向，需要深入、细致地研究大体积混凝土产生温度裂缝的原因和机理，并有针对性地采取相应的预防措施。

1 大体积混凝土温度裂缝生成原因

1.1 大体积混凝土的特点

（1）大体积混凝土结构横截面的长、宽、厚都相对较大。

（2）由于水泥的体积大，在水化过程中会释放大量水化热，而混凝土本身的导热性差，因此，大体积混凝土内部会积聚大量水化热，导致中心温度升高。

（3）大体积混凝土的弹性模量不大，蠕变大，温度升高主要是由压应力引起的。随时间增加、温度下降，大体积混凝土的弹性模量增加，并且蠕变仍然很小。如果大体积混凝土的内部温度与外部温度之间存在较大差异（即温度梯度非常陡峭），会导致大体积混凝土的温度应力过大，进而容易开裂。

1.2 大体积混凝土产生裂缝的原因

大体积混凝土一旦产生裂缝将影响建筑物的整体质量。大体积混凝土属于特殊材料，开裂的原因很多。一是在施工过程中，施工人员没有严格遵守大体积混凝土的比重要求，导致大体积混凝土的承重性能下降，材料易碎，无法承受上层压力，进而产生裂缝。二是原材料成本过低，材料质量不合格，也是大体积混凝土产生裂缝的原因。三是大体积混凝土的内部温度无法适应外部温度，温差过大，产生温度裂缝。并且大体积混凝土的开裂原因大多与温度有关。

1.3 混凝土裂缝的危害

混凝土起到凝结建筑结构整体坚固性的作用，好的混凝土结构可以保证建筑物的稳定性，并可以大大减少因地质灾害造成的人员伤亡和财产损失。已经建好的建筑物中，轻微裂缝会影响建筑物外观，连续裂缝会直接影响建筑物的寿命，并威胁人们的生命、财产安全。在施工过程中大量的混凝土裂缝将直接影响建筑物的安全。

2 大体积混凝土温度裂缝影响因素

2.1 温度变化

大体积混凝土具有热膨胀和收缩的特性。当外部或内部温度变化时，大体积混凝土会产生应力，当应力超过混凝土的抗拉强度时，大体积混凝土就会变形，产生温度裂缝。

2.1.1 温差

大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑。浇筑后，水泥因水化引起水化热，由于是大体积混凝土，积聚在内部的水化热不易散发，其内部的温度显著升高，而表面散热较快，形成较大温度差，导致大体积混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。

2.1.2 水化热

浇筑完成后48h内，由于产生水化热，大体积混凝土内部温度不断升高，导致其中心温度较高，上下温度较低，温差的变化率不大。如果温度测量记录中的最大温差小于25℃，可以采取优化配合比、冷却系统布局、降低出口温度、分层和维护等措施控制大体积混凝土的内部水化热。

2.2 混凝土收缩

在实际建筑工程中，最常见的是混凝土收缩产生裂缝。其中，塑性收缩和干收缩是混凝土变形的主要原因，还存在自生收缩和碳化收缩。混凝土收缩裂缝大多数是表面裂缝，裂缝宽度较小，呈十字形，形状不均匀。

2.3 地基基础变形

在建筑工程中，地基基础的垂直沉降或水平位移不均匀都会在结构中产生额外的应力，当应力超过大体积混凝土结构的抗拉强度时，便会导致结构开裂。地基沉降不均匀的主要原因有：地质勘测准确性不足或测试数据不准确、地面地质差异太大、结构载荷差太大、不同类型的结构基础以及桥梁基础位于滑坡体、洞穴上、断层之类的不良地质区域等。

2.4 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀是造成大体积混凝土产生裂缝的主要原因。为防止钢筋腐蚀，在设计时应按规格确定保护层的厚度，在施工期间控制混凝土的水灰比，并加强振动，以保证混凝土的致密性，防止氧气侵入。同时，减少含氯盐的混合物用量，特别是在沿海地区或其他腐蚀性空气和地下水较强的地区，必须严格控制钢筋锈蚀。

3 大体积混凝土温度裂缝控制措施

大量的研究结果表明，大体积混凝土结构中不可避免会产生裂缝，重要的是采取合理的预防和控制措施，避免裂缝产生和蔓延。大体积混凝土的工程条件复杂，施工条件不同，混凝土原料也有很大不同。因此，预防和控制大体积混凝土的温度裂缝不是一件简单的事情，需要对原材料、设计、构造及监控等问题进行分析。

3.1 材料控制措施

3.1.1 选择低热或中热水泥

由于矿物成分和混合物含量不同，水泥的水化热明显不同。目前，矿渣硅酸盐水泥的水化热小于普通水泥的60%，并且其耐腐蚀性优于普通水泥。

3.1.2 选择性能较好的骨料

选择热学性能较好、含泥量较少的骨料，并严格控制骨料等级和泥浆含量。对于粗骨料，通常选用连续级配为10～40mm的碎石，泥浆含量为1%或以下；对于细骨料，通常细度系数为2～3.11，沙子和中型沙子的泥浆含量应不超过3%，同时，沙子中不应有有机杂质。在大体积混凝土浇筑过程中，可以抛入一定数量和标准的碎屑并掩埋，以减少水泥用量，吸收水化热，抑制大体积混凝土开裂。

3.1.3 添加剂以减少水泥消耗

在大体积混凝土中混合一定量的混合材料，可以减少水泥消耗，并有效降低大体积混凝土的水化热。目前，通常选用粉煤灰作为散装混凝土的混合材料。粉煤灰不仅可以代替部分水泥，还可以减少水化热产生的高温峰，提高混凝土的强度和密度，减少收缩和变形，并降低混凝土的可加工性。最大含量取决于水泥的类型，通常可以替代10%～30%的水泥。用粉煤灰替代30%的水泥，可以将混凝土的隔热温度降低2℃～3℃。

3.2 设计控制措施

3.2.1 合理选择结构类型，避免应力集中

在设计大体积混凝土结构时，应尽量避免出现方形空隙和突然变化。孔设计应为圆形，以减少应力集中。在孔周围加设倾斜的钢筋和钢丝网，并在可变截面中逐渐更改。

3.2.2 减轻大体积混凝土的约束

合理的接缝可减轻大体积混凝土的约束，缩小约束范围。降低地基混凝土的强度，以减少温度应力，防止大体积混凝土产生温度裂缝。当地基基础是软土时，可使用沙垫加固地基基础，以减少地基基础对混凝土的约束。同时，可以增加地基基础的承载力，减少水的影响。当基座是硬岩时，可在基座底部放置一层滑动层，如铺设油毡、沥青砂浆等。在大型高层建筑中，可以考虑安装后浇带，以减少混凝土的温度变形，防止出现温度裂缝和收缩裂缝。

3.3 施工控制措施

3.3.1 降低进入模具的混凝土温度

①添加冷却剂或冰，以混合混凝土。通常冰的添加率为混合水的40%～50%，温度可降低约5℃～7℃。此过程非常简单，并且已被大多数项目采用。②预冷骨料。常用的预冷方法有水冷和空冷。③低温或夜间施工。南方的春季、秋季等低温季节更适合大体积混凝土浇筑。

④在高温季节采取保温和冷却措施，以缩短混凝土的运输和暴露时间。混凝土的入口温度应尽量控制在25℃以下。

3.3.2 后浇带留置

在施工过程中，后浇带处的钢筋是连续的，在浇筑混凝土后早期不易将其从模板中移除，可在混凝土硬化后移除。地面混凝土浇筑时，必须严格控制浇筑时间，并与地质调查设计部门沟通，确定沉降值，在设计沉降明显后再浇筑混凝土。浇筑前应对后浇带两侧的混凝土进行凿毛并仔细检查，这将直接影响混凝土的内聚力和冷缝的产生。还需放置橡胶止水带，以防止泄漏，防水时应加固结构表面。

3.3.3 控制大体积混凝土内外部温度

通过采用“外部保护和内部减少”或“外部存储和内部分散”的方法来降低大体积混凝土内部和外部的温度差和温度梯度，以提高大体积混凝土的表面温度，降低其中心温度。为避免大体积混凝土产生温度裂缝，在浇筑并固化混凝土后，可在混凝土表面使用绝缘材料或储水槽，以减慢表面混凝土的冷却速度。绝缘材料应为低成本、低导热性的草编袋、木板、干沙等。同时，节水养护具有良好的隔热效果，可以防止混凝土表面开裂，而且水温控制不应太低，加水速度也不能太快。浇筑混凝土后，可以使冷水循环流经埋在内部的冷却水管，以降低混凝土的温度，减少大体积混凝土内部和外部之间的温差。

4 结语

在施工过程中，混凝土的使用率很高，大量的混凝土裂缝直接影响建筑物的安全。良好的混凝土结构不仅能确保建筑物的稳定，而且能大大降低因地质灾害带来的人员伤亡和财产损失。大体积混凝土已广泛应用于建筑工程，要根据工程结构的具体情况科学选用大体积混凝土的原料，如选用低热水泥、细砂、砾石、优质粉煤灰以及具有减水、阻滞和引气作用的复杂混合物。科学地布置工艺计划，从而使工程项目符合工程结构质量标准，全面控制大体积混凝土温度裂缝。