大體積混凝土的裂縫產生的可能原因與預防措施

張孟強

(承德市交通運輸局承張高速公路管理處)

1 大體積混凝土裂縫的可能原因

大體積混凝土墩臺身或基礎等結構裂縫的發生是由多種因素引起的。各類裂縫產生的主要影響因素如下:

(1)收縮裂縫

混凝土的收縮引起收縮裂縫。收縮的主要影響因素是混凝土中的用水量和水泥用量，混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土的收縮就越大。

選用水泥品種的不同，干縮、收縮的量也不同。收縮量較小的水泥為中低熱水泥和粉煤灰水泥。

混凝土的逐漸散熱和硬化過程引起的收縮，會產生很大的收縮應力，如果產生的收縮應力超過當時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產生收縮裂縫。

人們對收縮給予了很大的關注，但引人關注的并不是收縮本身，而是由于它會引起開裂。混凝土的收縮現象有好幾種，比較熟悉的是干燥收縮和溫度收縮，這里著重介紹的是自身收縮，還順便提及塑性收縮問題。

自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對濕度降低，體積減小。水灰比的變化對干燥收縮和自身收縮的影響正相反，即當混凝土的水灰比降低時干燥收縮減小，而自身收縮增大。如當水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計;但是當水灰比小于0.35時，體內相對濕度會很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則接近各占一半。

自身收縮中發生于混凝土拌合后的初齡期，因為在這以后，由于體內的自干燥作用，相對濕度降低，水化就基本上終止了。換句話說，在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分已經產生，甚至已經完成，而不像干燥收縮，除了未覆蓋且暴露面很大的地面以外，許多構件的干縮都發生在拆模以后，因此只要覆蓋了表面，就認為混凝土不發生干縮。

在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應力增大，所以在水工大壩施工時早就將自身收縮作為一項性能指標進行測定和考慮。現今許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，如上所述，已“達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響”，因而也需要像大壩一樣，需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響，況且在這些結構里，兩者的發展速率均要比大壩混凝土中快得多，因此也激烈得多。

還有塑性收縮，在水泥活性大、混凝土溫度較高，或者水灰比較低的條件下也會加劇引起開裂。因為這時混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現分布不規則的裂縫。出現裂縫以后，混凝土體內的水分蒸發進一步加快，于是裂縫迅速擴展。所以在上述情況下混凝土澆注后需要及早覆蓋。

(2)溫差裂縫

混凝土內部和外部的溫差過大會產生裂縫。溫差裂縫的主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內部和混凝土表面的溫差過大。特別是大體積混凝土更易發生此類裂縫。

大體積混凝土結構一般要求一次性整體澆筑，澆筑后，水泥因水化引起水化熱，由于混凝土體積大，聚集在內部的水泥水化熱不容易散發，混凝土內部溫度將顯著升高，而混凝土表面土則散熱較快，形成了較大的溫度差，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，此時，混凝齡期短，抗拉強度很低。當溫差產生的表面抗拉應力超過混凝土極限抗拉強度，則會在混凝土的表面產生裂縫。

大體積混凝土施工，由于混凝土內部與表面散熱速率不一樣，在其表面形成較大的溫度梯度，從而引起較大的表面拉應力。同時，此時混凝土的齡期很短，抗拉強度很低，溫差產生的表面拉應力，超過此時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土表面產生表面裂縫。此種裂縫一般產生在混凝土澆筑后的第3 d(升溫階段)。混凝土降溫階段，由于逐漸降溫而產生收縮，再加上混凝土硬化過程中，由于混凝土內部拌合水的水化和蒸發以及膠質體的膠凝等作用，促使混凝土硬化時收縮。這兩種收縮由于受到基底或結構本身的約束，也會產生很大的拉應力，直至出現收縮裂縫。

(3)安定性裂縫

安定性裂縫表現為龜裂，主要是因水泥安定性不合格而引起的。

2 裂縫的防治措施

2.1 設計措施

(1)精心設計混凝土配合比

混凝土配合比設計時，在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能的降低混凝土的單位用水量，采用“三低(低砂率、低坍落度、低水膠比)二摻(摻高效減水劑和高性能引氣劑)一高(高粉煤灰摻量)”的設計準則，生產出“高強、高韌性、中彈、低熱和高極拉值”的抗裂混凝土。

(2)增配構造筋提高抗裂性能，配筋應采用小直徑、小間距。全截面的配筋率應在0.3% ～0.5%之間。

(3)避免結構突變產生應力集中，在易產生應力集中的薄弱環節采取加強措施。

(4)在易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸。

(5)在結構設計中應充分考慮施工時的氣候特征，合理設置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30 m，保留時間一般不小于60 d。如不能預測施工時的具體條件，也可臨時根據具體情況作設計變更。

2.2 施工措施

(1)嚴格控制混凝土原材料的的質量和技術標準，選用低水化熱水泥，粗細骨料的含泥量應盡量減少(1% ～1.5%以下)。

(2)優選混凝土各種原材料。

在選擇大體積混凝土用水泥時，在條件許可的情況下，應優先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。因為這種水泥在水化膨脹期(1～5 d)可產生一定的預壓應力，而在水化后期預壓應力可部分抵消溫度徐變應力，減少混凝土內的拉應力，提高混凝土的抗裂能力。為此，水泥熟料中的堿含量應低且適宜，熟料中MgO含量在3.0% ～5.0%，石膏與C3A的比值盡量大些，C3A、C3S和C2S含量應分別控制在5.0%以內、50.0%左右和20.0%左右，這種熟料比例的水泥具有長期穩定的微膨脹抗裂性能。

骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對體積的80% ～83%，因此，在選擇骨料時，應選擇線膨脹系數小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。

砂除滿足骨料規范要求外，應適當放寬石粉或細粉含量，這樣不僅有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密實性、耐久性和抗裂性。有研究表明，砂子中石粉比例一般在15%～18%之間為宜。

粉煤灰只要細度與水泥顆粒相當，燒失量小，含硫量和含堿量低，需水量比小，均可摻用在混凝土中使用。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗滲性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強度，抑制堿骨料反應，減少新拌混凝土的泌水等。這些諸多好處均將有利于提高混凝土的抗裂性能。

高效減水劑和引氣劑復合使用對減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力學、熱學、變形、耐久性等性能起著極為重要的作用，也是混凝土向高性能化發展的不可或缺的重要組分。

(3)細致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，減少混凝土的坍落度，合理摻加塑化劑和減少劑。

(4)采用綜合措施，控制混凝土初始溫度。

混凝土溫度和溫度變化對混凝土裂縫是極其敏感的。當混凝土從零應力溫度T2降低到混凝土開裂的溫度Tt時，t時刻的混凝土拉應力σt超過了t時刻的混凝土極限拉應力σtu。因此，通過降低混凝土內的水化熱溫度(主要通過摻用高效減水劑減少用水，減少膠凝材料，多摻粉煤灰和礦物摻和料)和混凝土初始溫度(通過骨料水冷和風冷降溫、加冰和加冷卻水拌和、各生產環節加強保溫以免冷量損失等措施，降低混凝土初始溫度)，減少和避免裂縫風險。

人工控制混凝土溫度的措施(如:體內埋設冷卻水管和風管、表面灑水冷卻、表面保溫材料保護)主要是針對后期而言，對早期因熱原因引起的裂縫是無助的。比如表面保溫材料保護可以減少內外溫差，但不可避免的招致混凝土體內溫度T1很高，從受約束而導致貫穿裂縫的角度看，是一個潛在惡化裂縫的條件。因為體內熱量遲早是要散發掉的。另外人工控制混凝土溫度還需注意的問題是防止“過速冷卻”和“超冷”，過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大，而且早期的過速超冷會影響水泥—膠體體系的水化程度和早期強度，更易產生早期熱裂縫。超冷會使混凝土溫差過大，引起溫差裂縫。

澆筑時間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設簡易遮陽裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時，在水平及垂直泵管上加蓋草袋，并噴冷水。

(5)根據工程特點，可以利用混凝土后期強度，這樣可以減少用水量，減少水化熱和收縮。

(6)加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。

(7)混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應下降15℃以上，混凝土的現場試塊強度不低于C5。

(8)采用兩次振搗技術，改善混凝土強度，提高抗裂性。

(9)根據具體工程特點，采用UEA補償收縮混凝土技術。

(10)對于高強混凝土，應盡量使用中熱微膨脹水泥，摻超細礦粉和膨脹劑，使用高效減水劑。通過試驗摻入粉煤灰，摻量15% ～50%。

［1］ 金華山.混凝土裂縫產生原因及分析［J］.公路與汽運，2004，(1).

［2］ 陳向東.淺析混凝土裂縫防止措施［J］.中小企業管理與科技，2009，(6).

［3］ 王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，1996.