大體積混凝土裂紋分析及預防措施

張壘 高建 劉中存 王輝

伊犁新天煤化工有限責任公司新疆伊寧835000

大體積混凝土裂紋分析及預防措施

張壘 高建 劉中存 王輝

伊犁新天煤化工有限責任公司新疆伊寧835000

通過對某大型塔設備的大體積混凝土裂紋產生原因進行分析，采取相應的控制措施，避免或減少大體積混凝土裂紋的產生，保證結構的正常使用。

大體積混凝土裂紋成因分析

《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）中大體積混凝土定義為：體積較大的、可能由膠凝材料水化熱引起的溫度應力導致有害裂縫的結構混凝土。在大型項目施工中,混凝土通常一次澆筑量較大,這種大體積混凝土的澆筑極易出現裂縫,如果不加以控制,會產生許多嚴重的后果。當前，我國重大工程項目，尤其是煤化工、煉油裝置日益向著大型化發展。研究大體積混凝土裂紋的控制對于結構安全、功能使用具有重要意義。

本文以某大型塔設備的混凝土基礎為例，對混凝土產生裂縫情況及其發生的可能原因進行了分析，并通過平行驗證，探索出了比較成熟的大體積混凝土有害裂縫的控制與預防方法。

1 裂紋情況

根據相關標準和已定施工方案，該塔設備基礎澆筑養護9d后開始拆模，拆模后在基礎外側發現縱向裂紋。經檢查共計13道裂紋，裂紋分布情況如見圖1所示。

裂紋為縱向通縫（基礎底板自頂面至底面），檢測中心現場檢測裂紋寬度為0.25～0.45mm；對現場其中一條裂紋進行鑿探檢查，測得裂紋深度為20～30mm,初步判斷為表面裂紋。

2 裂紋分析

2.1 裂紋成因分類

大體積混凝土結構一般要求一次性整體澆筑。通常情況下大體積普通混凝土的承臺、墩（臺）身在施工養護的過程中很容易開裂。產生裂紋的原因有很多種，裂紋的種類也較多，但主要分為兩種，即收縮裂紋和溫差裂紋。

2.1.1 收縮裂紋

混凝土收縮包括塑性收縮、干燥收縮和自收縮三類。

塑性收縮原因是混凝土沉降、泌水，一般發生在拌合后3～12h以內，終凝前比較明顯。

干燥收縮是因為混凝土水分蒸發，導致混凝土體積變化。當用水量、膠凝材料用量越多，水泥的水化熱大并向空氣中蒸發大量水分，混凝土的收縮就越大。

自收縮是在混凝土澆筑成型后與外界無水分交換的條件下，由于水泥水化造成混凝土內部干燥而引起的。

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紋。

2.1.2 溫差裂紋

混凝土內部與表面或混凝土表面與環境溫差過大會產生溫差裂紋。水泥遇水發生水化作用，產生水化熱。由于混凝土體積大，聚集在內部的水化熱不易散發，混凝土內部溫度將顯著升高，而其表面由于受內部溫度影響較慢，且散熱較快，溫度較低，因此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。此時的混凝土齡期短，抗拉強度低，當溫差產生的表面拉應力超過混凝土極限抗拉強度，則會在混凝土表面產生裂紋。

2.2 裂紋具體分析

2.2.1 混凝土原材料

經過對混凝土原材料進行分析，塔設備基礎混凝土原材料均符合《大體積混凝土施工規范》（GB50496-2009），具體見表1。

表1 混凝土原料分析表

2.2.2 混凝土設計配合比設計分析

該塔設備基礎混凝土配比見表2。根據該配比，進行數據計算。

表2 混凝土配比表

根據以上數據，可得：混凝土試配強度，43.22N/mm2；計算水灰比，0.42；混凝土單位用水量，400.6kg/m3；選取砂率，40%；骨料用量，mco=400.6kg，mso=771.76kg，mgo=1157.64kg，mwo=170kg；每m3水泥用量，360.54kg；每m3粉煤灰用量，40.06kg；細骨料用量，757.91kg；混凝土基準配合比，水泥∶砂∶石∶粉煤灰∶水=361∶758∶1158∶40∶170。

以上數值符合《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2011及《大體積混凝土施工規范》GB50496—2009之規定。

2.2.3 混凝土的制備及運輸分析

該塔設備的混凝土由集中攪拌站提供，混凝土運輸采用混凝土攪拌運輸車，混凝土泵車實際平均輸出量為30.6m3/h；每臺混凝土泵車配備7臺混凝土攪拌運輸車。所有運輸車均具有防風、防曬、防雨和防寒設施。攪拌運輸車在裝料前將罐內的積水排盡再進行裝料運輸。運輸過程中均未向拌合物中加水。運輸過程中未出現分層離析現象。

混凝土的制備及運輸均符合《預拌混凝土》GB/T14902-2003及《大體積混凝土施工規范》GB50496—2009之規定。

2.2.4 混凝土施工過程分析

塔基礎混凝土澆筑過程嚴格按照監國家相關規范、規定和審批確定的施工方案進行施工。

（1）混凝土的澆筑

兩臺混凝土汽車泵（47m）平均泵送約70m3/h，510m3混凝土理論時間7.28h澆筑完畢，實際澆筑時間為當日13時開始澆筑,當天24時結束，澆筑方量為504m3,連續澆筑時間約10h。

混凝土澆筑時采用循序推進、全面分層、連續澆筑的方法。混凝土澆筑應滿足整體連續性的要求，初凝時間按2h控制，由專人統一指揮布料，避免出現施工冷縫。依據布料順序分區分層振搗混凝土，并由專人根據布料統一指揮振搗，責任到人，避免混凝土的冷縫和振搗不密實，保證質量。在澆筑的過程中隨著混凝土內部溫度的上升，混凝土的水化加快，凝結時間縮短，需要進一步加大澆筑速度，在已澆筑的混凝土暴露面初凝前，覆蓋上新澆混凝土，避免出現冷縫（見圖2）。

（2）泵送

施工中泵送的線路從東西兩端向中間澆筑，每層虛鋪混凝土厚度不超過500mm。砼推進寬度必須保證在已澆筑的混凝土暴露面初凝前覆蓋上新澆混凝土，避免出現冷縫。

（3）混凝土振搗

依據布料順序分層振搗混凝土，采用插入式振搗器振搗，鋼筋密集區采用加長插式振搗器振搗。底板與基礎插筋由于不宜直接從上部下料，只有使用振搗器往交叉點部位送料，通過四周分層擠壓出料方能把交叉點擠密實。混凝土振搗時振動棒直上直下，快插慢拔，插點距離不超過0.5m，振動上層混凝土時，振動棒必須插入下層50～100mm，以確保上下層混凝土結合處的密實度，振搗混凝土時間以15～20s為宜，不得欠振或超振。每臺泵車配備三臺振搗器，一臺振搗源頭處混凝土，控制澆筑厚度，兩臺在后細致振搗，特別應加強兩臺泵澆筑面相接處的混凝土振搗，防止漏振。振搗以表面水平、不再下降、不再出現氣泡、表面泛出灰漿為準。

（4）混凝土的泌水處理及表面處理

大流動性砼在澆筑、振搗過程中，上涌的泌水和浮漿順混凝土坡面下流到坑底，故在砼墊層施工時，預先在橫向上做出2cm的坡度，使大部分泌水順墊層坡度通過兩側模板底部預留孔排出坑外。少量來不及排除的泌水隨著砼向前推進被趕至坑頂端，由頂端模板下部的預留孔排至坑外。當砼坡面的坡腳接近頂端模板時，改變砼的澆筑方向，從頂端往回澆筑與原斜坡相交成一個集水坑，另外有意識地加強兩側模板外的砼澆筑速度，這樣集水坑逐步在中間縮小成水潭，用軟軸泵及時排除，采取這種方法排除最后階段的所有泌水。

同時，對砼的表面進行處理。大體積泵送混凝土其表面水泥漿較厚，在混凝土澆筑結束后要認真處理，初步按標高用長刮尺刮平，隔1～2h左右，用木搓二次打磨、壓實、找平，并用鋼抹子壓光，以閉合收水裂縫，隨后進行保溫、保濕養護。

從混凝土澆筑過程得知，混凝土施工過程均符合《大體積混凝土施工規范》GB50496—2009之規定。

2.2.5 混凝土養護過程分析

根據混凝土養護方案，采用了外部保溫、內部循環水冷卻帶走水化熱的方法進行養護，并做好觀察記錄。

根據方案,基礎內部布置了上下兩層冷卻水管，其中下層設置兩個系統，上層設置一個系統,冷卻水管間豎向距為0.9m，水平間距為1.5m,管徑為Φ48×2.5，采用兩臺抽水機不間斷利用循環水冷卻；基礎表面采用棉被保溫確保內外溫差不大于25℃。基礎放置了6個測溫點,每個測點有表面、中心、底面三個測溫管（見圖3）,第一天安排技術人員間隔2h測溫一次,以后間隔4h測溫一次。

《建筑施工手冊》第四版計算出理論溫度變化值如圖4所示。根據現場實際測量溫度變化記錄任意取其中一點的天平均溫度進行對比（取3號測溫點），具體數據見圖5。

通過圖4、圖5的對比，可以得出計算結果與實際測溫的結果基本吻合。混凝土養護過程符合《大體積混凝土施工規范》GB50496—2009之規定。

2.2.6 混凝土結構設計分析

根據該塔基礎的施工藍圖及圖紙會審記錄內容，塔設備基礎內鋼筋配置見圖6、圖7，由圖6“1-1剖面圖”可見。其中在豎直方向上未設置抗溫變的構造鋼筋。

根據《大體積混凝土施工規范》GB50496—2009條文說明中第三節的第二條規定：大體積混凝土施工對結構的配筋除應滿足結構強度及構造要求外，還應滿足大體積混凝土施工的具體辦法配置承受因水泥水化熱和收縮引起的溫度應力和收縮應力的構造鋼筋。

該混凝土結構設計中未設置抗溫變的構造鋼筋，不符合《大體積混凝土施工規范》GB50496—2009之規定，是構成低溫甲醇洗洗滌塔基礎出現裂紋的直接原因。

2.3 裂紋成因總結

通過分析，可以得知大體積混凝土產生裂縫的根本原因是由于其在凝固過程中體積收縮、產生水化熱、水分蒸發和溫差過大等原因產生的溫度應力和收縮應力。在本項目中，塔設備基礎所采用的原料合格，配比適當，施工工序和養護措施得當。該塔設備基礎裂紋屬溫差裂紋，造成溫差裂紋的直接原因為未設置溫度構造鋼筋。

2.3.1 設置抗溫度構造鋼筋的原因

大體積混凝土溫度裂紋的關鍵在如下兩個時段：

（1）內外溫差比較大時的溫度應力，溫差過大會產生表面裂縫；

（2）降溫階段后期時的溫度應力。降溫階段混凝土的收縮受到地基等外部約束而在混凝土內部產生拉應力，該拉應力首先抵消升溫階段產生的壓應力，而在降溫階段后期變成較大的拉應力，從而在混凝土內部產生貫穿裂紋甚至貫穿裂縫。

在混凝土表面適量配筋，約束混凝土在達到抗拉極限強度后的塑性變形從而分擔混凝土的內應力，推遲混凝土裂紋的出現，亦即提高了混凝土的極限拉伸，防止或減少裂紋的產生。

2.3.2 抗溫變構造鋼筋的配置的原則

（1）大體積混凝土內部不宜配置抗溫變構造鋼筋

混凝土內部拉應力較小，不會導致貫穿裂縫的產生，混凝土內部一般不配置溫度構造鋼筋。此外，在大體積混凝土結構中，由于鋼筋和混凝土的熱膨脹系數差異較大，如果在高溫區設置構造鋼筋，反而加大了混凝土的拉應力。從這一角度來說，鋼筋也不宜配置在混凝土內部中心區域。

（2）大體積混凝土表面應配置抗溫變的構造鋼筋

雖然在降溫階段混凝土內部產生了拉應力，但與此同時混凝土的抗拉強度也在不斷提高，在厚度相對較小的設備基礎大體積混凝土中，產生的拉應力一般不會超過其抗拉強度，所以溫度構造鋼筋應設置在混凝土表層，其目的是防止混凝土產生表面裂縫，中間層則不再設置溫度構造鋼筋。當基礎底板較厚（2.0m左右）時，為了提高混凝土的抗裂性能，底板中間層四周應力相對較大的區域可以設置構造鋼筋。

（3）大體積混凝土表面抗溫變構造鋼筋加密區

溫度構造鋼筋的加密區應是溫度應力相對較大的區域，由于同一深度平面四周拉應力大于中心區拉應力，所以表層溫度構造鋼筋應在平面四周加密，中心部位可相應減少配筋率，從而避免由于應力與鋼筋的數量不均衡現象而導致的混凝土開裂。

3 平行驗證

在本項目中，有設備基礎完全相同的塔兩個（1#塔和2#塔）。由于先澆筑的1#塔設備基礎產生了裂縫，并通過計算和分析得出了缺少抗溫變應力的構造鋼筋可能是裂縫產生的直接原因，在2#塔設備混凝土澆筑時采取措施，增加了構造鋼筋，避免了裂縫的產生。

4 小結

大體積混凝土產生裂紋很常見，這是混凝土施工中的難點，但可避免或減少。合理地布置構造鋼筋，并對易出現裂紋或裂縫的部位在施工過程中嚴格控制，采取有效的施工和養護措施，盡可能地避免開裂或減少裂紋的數量、長度和寬度。通過對裂紋或裂縫的妥善處理，控制裂紋或裂縫的產生，使其不至于對結構產生危害，保證結構的正常使用。

1《大體積混凝土施工規范》(GB50496—2009),中冶建筑研究總院有限公司主編，2009年10月1日實施。

2《建筑施工手冊》（第四版），中國建筑工業出版社編，2003年9月出版。

3《預拌混凝土》（GB/T14902-2003），中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局發布，2003年12月1日實施。

4《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011），中華人民共和國住房和城鄉建設部發布，2011年12月1日實施。

5《建筑施工計算手冊》（第二版），作者：江正榮，2007年7月1日出版。

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