大体积混凝土开裂的原因及防裂措施

许雪艳

（山西旅游职业学院，山西 太原 030031）

1 大体积混凝土结构的施工特点

1.1 施工复杂度高

大体积混凝土施工受材料、施工工艺、环境温度等内、外因素影响，施工复杂度高，可能因对某些因素管控不到位而出现质量问题。同时，大体积混凝土对温度较为敏感，如混凝土浇筑时，水泥水化热导致温度升高，不利于混凝土正常成型，此外，环境温度等均有可能影响混凝土的施工质量。

1.2 裂缝的发生率高

大体积混凝土结构尺寸较大，施工时，所用混凝土材料较多，结构内部的混凝土浇筑过程中会伴随剧烈的水化热，若水化热程度未在许可范围内，将引起温度应力和应力收缩，使大体积混凝土结构表面产生裂缝，从而影响结构完整性、稳定性、防水性等多项性能。

2 大体积混凝土裂缝成因

设计和施工两个阶段的工作未落实到位均有可能引起大体积混凝土裂缝，各自又细分为诸多因素，具体如图1 所示。

图1 裂缝产生的原因

可根据裂缝类型不同，探寻成因。

2.1 干缩裂缝

混凝土与水混合时，有明显的水分蒸发现象，由于水分降低，混凝土内部开始干缩，出现不同程度的干缩裂缝。随着水分蒸发量增加，内部收缩愈发剧烈，产生的拉应力较强，混凝土成型过程中出现异常，表现出表面干缩裂缝。

2.2 沉陷裂缝

若建筑物地基缺乏均匀性，或建筑建设在松散土质中，建筑物会随基础沉降而下沉，此时混凝土结构可能出现沉陷裂缝。若混凝土施工时模板间距较大或所用模板强度不达标，混凝土施工后，也容易出现沉陷裂缝。

2.3 温度裂缝

混凝土浇筑后发生凝固和硬化，水泥水化热在此阶段释放热量，而大体积混凝土施工时材料用量较大，水泥水化热剧烈，外部混凝土的热量可正常散失，而内部混凝土因封闭性较强而出现热量持续积累的情况，迫使内部温度大幅升高，大体积混凝土内、外存在明显温差。由于温度的差异化，混凝土内部和外部表现出不同程度的热胀冷缩，内部温度较高发生膨胀，产生较强的拉应力，并作用于混凝土表面，混凝土无法承受过强的拉应力时出现裂缝，且随着拉应力的增加，裂缝愈发明显。

2.1.2 结构变动度分析[8-10]。结构变动度是一种分析费用构成总体特征和结构变动趋势的动态数据处理方法，最早用于经济学领域中居民消费结构的分析[11]，近几年在医疗卫生费用方面的应用引起关注，且多项研究表明，结构变动度分析方法能对医疗收入的结构变动情况进行有效的分析[9, 12, 13]。

3 大体积混凝土防裂措施

防裂的基本思路如图2 所示。

图2 大体积混凝土防裂措施

3.1 科学设计

经周密设计后，从源头上降低裂缝的发生率，以大体积混凝土结构内部设计为例，作如下分析：

（1）精心挑选高强度钢筋，规划钢筋的布设区域，协调各钢筋位置。科学配筋，发挥钢筋材料在提高混凝土结构抗裂性方面的作用。以厚度为400～600 mm 的墙板为例，若为此类墙体配置构造钢筋，可发挥出类似于温度筋的作用，此时增设的钢筋有助于提高混凝土的抗裂性能。宜按照小直径、小间距的原则配置构造筋，较可行的方案是采用直径6～14mm 的构造筋，按照100～150mm 的间距布设。若条件允许，根据对称原则进行全截面配筋。

（2）混凝土施工方法需合理，在设计阶段考虑混凝土浇筑速度、浇筑方量、振捣频率、振捣时间等。转角和孔等局部混凝土强度低于其他部位，可能出现断面突变现象，为予以规避，可采取增设钢筋的方法。

（3）大体积混凝土施工量大，施工期间考虑因素较多，难以在混凝土浇筑过程中同步铺设施工缝，因此，可采用后浇施工缝的方式，即在混凝土浇筑后进行施工缝设置。若施工缝设计合理，将有效降低大体积混凝土凝结期间的应力，避免因应力作用过强而导致部分结构异常。

3.2 合理选取原材料

（1）水泥。大体积混凝土施工中，水泥有剧烈的水化热，易引起裂缝。因此，在大体积混凝土施工中宜采用低热水泥，而根据水化热是其矿物成分与细度函数的规律，可通过优化矿物组成和调节水泥细度等方法抑制水泥的水化热。其中，提高熟料中C2S 和C4AF 含量，降低C3A 和C3S 含量具有可行性。

（2）活性混合材料。粉煤灰是混凝土施工中应用较为广泛且效果良好的活性混合材料，合理选择粉煤灰类型并控制用量后，可减少水泥掺量，避免因水泥剧烈水化放热而导致混凝土温度异常。粉煤灰的火山灰反应速度迟缓，在短时间内无明显发热，以第7d 为例，其发热量约为同条件下纯硅酸盐水泥的17%，据此进一步分析两种材料对混凝土内部温度升高的影响，若采用100kg 纯硅酸盐水泥，混凝土内部温升达到8℃～12℃，而调整为等量的粉煤灰后，将有效抑制温度上升，降低顶峰温度，且更长时间后才会出现顶峰温度，对现场施工及质量控制均有利。掺入粉煤灰可改善混凝土的和易性，便于混凝土施工。

（3）外加剂。大体积混凝土中掺入外加剂主要具有如下作用：一是缓凝作用。水泥水化热释放的热量高，混凝土内部温度和外部温度存在差异，易因温差过大而引起大体积混凝土开裂。若向混凝土中掺入外加剂，可发挥其缓凝作用，放缓水泥的水化放热速率，避免大体积混凝土内部温度异常升高，也便于散热，从而避免温度裂缝。二是高效减水作用。突出效果在于降低混凝土的拌和用水量，而在W/G 不变的条件下，拌制相同规模的混凝土时，水泥用量减少，从源头上减弱水泥的水化热作用，降低大体积混凝土结构裂缝的发生率。

3.3 施工工艺控制

通过多项措施联合控制大体积混凝土裂缝，具体见表1。

表1 大体积混凝土裂缝控制措施

实践表明，大体积混凝土的表面系数明显影响其温度升高状况和温差程度，为强化温度控制效果，建议单面、双面散热时，结构断面的最小厚度分别在75 cm 以上、100 cm 以上。

3.4 全面养护

养护方法需根据大体积混凝土施工环境而定，以夏季施工为例，夏季环境温度较高，宜在混凝土终凝后覆盖塑料膜和保温层，适量洒水，避免混凝土干缩。养护过程中及时测量温度并进行控制，如混凝土硬化时，中心与表面以下50 mm 的温差不大于20℃；表面以下50 mm 的温度与表面外50 mm 处的温度差不大于25℃；混凝土降温速度不超过1.5℃/d；密切关注大体积混凝土各关键部位的温度，确定温差，在表面温度与大气温度差值不大于20℃时，可撤除保温层。

大体积混凝土温度控制的关键特征值在于浇筑温度Tp、最终稳定温度Tf、最高温度Tm（取Tp和Tr的总和，其中Tr为混凝土的水化热温升）。因此，大体积混凝土内外温差为：

不同温度指标的控制难度存在差异，其中，Tf的高低与保温条件和现场环境有关，且易因气候条件变化而发生波动，缺乏可控性，宜将Tp和Tr作为温差控制的重点对象。随着Tp的提高，水泥水化速度加快，达到20℃、30℃时，第一个24h 内水泥水化产生的热量分别占7d 全部水化总热量的43%、62.5%，混凝土仅以较短时间便达到温度最高值，热量散发时间缩短，混凝土温度降低效果差。Tp的高低与原材料的初始温度密切相关，为在许可范围内最大限度地降低Tp，可针对原材料采取降温措施，或在条件允许时于环境温度较低的时段施工。Tr的高低主要受水泥性质和龄期的影响，关系式如下：

式中：

Co——单位水泥用量，kg/m3；

pc——混凝土表观密度，kg/m3；

Ho——水泥水化热，J/kg；

Cc——混凝土比热容，J/kg·℃；

a——试验常数，视水泥特性而定，如早强水泥、普通水泥、中热硅酸盐水泥的a 值分别为1.2、1.0、0.9。

假定Cc取0.88J/kg·℃，pc取2 400kg/m3，则有：

即：水泥用量、水泥性质与龄期、水化热是影响水化热温升的关键因素，为有效控制大体积混凝土温度，需从各关键因素着手，采取应对措施。例如，选用水化放热量低、放热速度慢的水泥，在不影响混凝土性能的前提下，减少水泥用量，以免大体积混凝土施工较短时间内出现剧烈的水化放热，从而降低大体积混凝土的内部温度，减小内外温差。

4 结语

综上所述，相关工程人员应高度重视裂缝对大体积混凝土结构施工质量的影响，结合工程条件，做好设计、原材料选取、规范施工等工作，从源头上预防裂缝，全面保证大体积混凝土的施工质量。