大體積混凝土溫度裂縫的產生與控制

段海云

(山西呂梁公路建設有限公司，山西呂梁 033000)

0 引言

在混凝土工程中，裂縫是最常見的一種缺陷，是影響混凝土結構使用壽命的最主要因素。微觀裂縫，指寬度一般在0.05 mm以下，肉眼不可見，為一般混凝土結構所固有。在大體積混凝土結構施工中，水化熱導致混凝土內外部溫度差很大，經常出現很多裂縫是工程實踐中存在的常見問題。本文所稱裂縫指的是寬度超過0.05 mm，肉眼可見的宏觀裂縫。

近年來，隨著我國基礎設施建設的快速發展，一些大壩、橋梁以及高層建筑的基礎工程等大型工程項目越來越多，大體積混凝土應用也越來越多。混凝土硬化時產生溫度裂縫是不可避免的。當出現的裂縫影響到結構的整體性和耐久性時，就會對建筑物的結構安全產生極其不利的影響。因此，研究大體積混凝土溫度裂縫成因，進行溫度裂縫控制就尤為重要。

1 大體積混凝土裂縫的危害

在我國GB 50496-2009大體積混凝土施工規范中大體積混凝土的定義為，混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土。

在大體積混凝土中，主要材料包括水泥、砂和石料等。在混凝土結構中，水泥漿體硬化后，其干縮值比較大，石料會對水泥漿體的自由收縮產生限制，使得混凝土結構從硬化開始就會在骨料與水泥漿體的粘結面上形成微裂縫。同時，由于混凝土中各種材料的物理性能不同，在混凝土結構中出現諸如空洞、孔道、裂縫、疏松等固有缺陷。

在不大的外力或變形作用下，混凝土結構中的微裂縫是穩定的。但當受到外力導致混凝土產生變形的作用較大時，在混凝土內部的微裂縫逐漸發展擴大，甚至能夠對硬化后的水泥石形成貫穿，逐步發展成為宏觀裂縫，影響混凝土結構安全。

在大體積混凝土結構中，存在的部分輕微細小的裂縫，甚至極少量的宏觀裂縫，這僅會對結構外觀造成影響，對結構的使用性能、耐久性能及安全性能不會有大的影響。但當宏觀裂縫逐步發展擴大，形成較寬較深的宏觀裂縫時，就給腐蝕介質的侵入留下通道，水分及有害物質順著裂縫滲入，誘發出現如鋼筋銹蝕、混凝土碳化和酥松脫落等病害，則會對結構的耐久性和防水性造成破壞性的影響，影響混凝土結構的安全。

一旦出現裂縫，分析成因并采取適當的補救措施是非常必要的。在建筑物基礎、地下或半地下結構中，裂縫最主要是對結構的防滲性能產生影響。產生的裂縫寬度在0.1 mm～0.2 mm范圍內時，會表現出輕微滲水，經過一段時間的使用后一般可自愈。當裂縫的寬度范圍超過0.2 mm時，則必須進行處治，如采用化學注漿等。

2 裂縫產生的機理

在大體積混凝土結構中，出現裂縫的原因是多種多樣的，但拉應力是裂縫產生的必要條件。在混凝土的結構中，當發生體積變化時，一般主要是由于受到約束或荷載作用時，在結構內部產生的拉應力過大，超過混凝土結構當時的抗拉強度時，則裂縫產生。

2.1 混凝土結構變形的內外約束作用

當混凝土結構發生變形時，在其內部各質點之間就會產生內約束，表現為混凝土表面裂縫。在大體積混凝土結構內部，由于水泥水化熱使得其內部溫度比表面高，相應的產生的熱膨脹也比表面大，則會在混凝土結構的表面產生拉應力。當產生的表面拉應力超過混凝土當時的抗拉強度時，則會形成混凝土表面裂縫(見圖1)。

當混凝土的結構發生變形時，不同結構之間就會產生外約束，表現為混凝土深層裂縫。當大體積混凝土澆筑數日后，水泥水化熱基本完畢，混凝土內部溫度就會逐漸降低。同時，集料中的多余水分也會蒸發，混凝土體積就會出現自由收縮。外部結構會對混凝土的這種自由收縮產生約束作用。在外部結構的約束作用下，內外溫差產生溫度應力。當溫度應力(一般是拉應力)超過混凝土當時的抗拉強度時，就會從約束面開始形成溫度裂縫，當溫度應力足夠大時，形成的裂縫甚至會貫穿整個截面(如圖2所示)。

圖1 內約束引起表面裂縫

圖2 外約束引起深層裂縫

在大體積混凝土裂縫中，外約束應力占主要地位。

2.2 水泥水化熱

在混凝土結構澆筑初期，水泥水化熱引起溫升，且結構表面自然散熱。因此，在澆筑后的3 d～5 d，混凝土內部達到最高溫度。混凝土結構自身的導熱性能差，且大體積混凝土由于體積巨大，本身不易散熱，水泥水化現象會使得大量的熱聚集在混凝土內部，使得混凝土內部迅速升溫。而混凝土外露表面容易散發熱量，這就使得混凝土結構溫度內高外低，且溫差很大，形成溫度應力。當產生的溫度應力(一般是拉應力)超過混凝土當時的抗拉強度時，就會形成表面裂縫。

3 大體積混凝土溫度裂縫的控制措施

從以上可以看出，混凝土裂縫形成受多種因素的影響，主要是水泥水化熱大量積聚使得混凝土早期溫升和后期降溫導致溫度應力過大。在施工中，對裂縫成因的影響因素進行分析，可針對性的解決大體積混凝土裂縫問題。

3.1 影響因素

在大體積混凝土結構中，影響溫度裂縫形成及擴展的因素很多，主要包括混凝土結構中的水泥使用量、配合比設計、外加劑與施工工藝、養護條件等。

1)原材料和配合比。

水泥量、水泥強度、水泥活性、水膠比、骨料粒徑、骨料含泥量、摻合料、外加劑等混凝土本身性能起決定性作用。

2)施工質量。

在施工中，混凝土的攪拌時間、運輸流程及時間、澆筑時機、振搗工藝、養護作業，模板拆除和預應力施工的時機，施工接槎處理，壓抹、施工季節等都對施工質量產生影響。

3)設計缺陷。

結構體型、結構設縫、局部配筋不足、配筋方式不當、保護層厚度不夠、環境條件選擇不當等設計合理與否對裂縫狀態具有重要影響。

4)使用環境耐久性。

嚴重超載、疲勞荷載等非設計工況、改變結構用途、改造結構形式、結構超期服役而抗力退化、侵蝕環境下結構長期使用、沒有及時維護需定期更換的構件。

3.2 裂縫控制措施

在大體積混凝土項目建設中，裂縫有時會成為貫穿全斷面的結構性裂縫，造成結構安全隱患。要減少裂縫的發生，主要是從有效控制混凝土的溫升，延緩前期降溫速率，減少后期收縮，提高混凝土的抗拉值，改善約束條件，完善混凝土結構設計和加強施工中的溫度監測等方面采取措施。

1)從設計角度控制。

設置伸縮縫，釋放大部分的熱量和變形，減小約束應力。合理布置鋼筋，以減輕混凝土的收縮，限制裂縫的展開。設置后澆帶。

2)從施工角度控制。

a.控制出機溫度。

對混凝土出機溫度影響最大的是石子。在施工中，采取有效方法降低石子溫度。

b.控制澆筑溫度。

施工時，混凝土的澆筑溫度過大會引起較大的干縮，應采取措施適當控制澆筑溫度在40℃以下為宜。

c.澆筑工藝和處理。

在施工中，采用二次投料的砂漿裹石工藝和凈漿裹石攪拌工藝，利于提高混凝土的密實度，有效提升混凝土的極限拉伸值和抗裂性能。

合理確定澆筑順序，加強振搗。

d.養護措施。

進行潮濕養護，通過在表面不斷地補給水分，降低內外溫差。如淋水，鋪設濕砂層、濕麻袋或草袋等，一般不少于半個月。

e.加強溫度檢測。

在混凝土硬化過程中，監測其內部溫度場變化分布情況，以采取相應措施，確保混凝土不產生過大的溫度應力。

3)原材料角度控制。

水泥的品種及用量:應根據結構特點，選擇水化熱低且強度高的水泥。同時，在確保混凝土強度和耐久性的前提下，盡可能的減少水泥用量，以緩解水熱化。

在配合比設計中，適量的加入外加料，能有效降低水泥用量，降低澆筑前期的升溫，減少后期的收縮。如:適量摻入木質素磺酸鈣(也稱木鈣)用作減水劑使用，可顯著降低水化熱，延遲水化熱釋放速度(如表1所示)。適量摻入膨脹劑(AEA:礬土水泥、天然明礬石、硬石膏;UEA:燒結明礬石、天然明礬石、硬石膏等)置換相同質量的水泥，產生的膨脹自應力可使混凝土處于受壓狀態，抵消產生的部分拉應力，避免裂縫的發生和發展。適量摻入粉煤灰能有效地提高混凝土的抗滲性能，顯著改善混凝土拌合料的工作性能，并具有減水作用。

表1 水泥中摻入木鈣后的水化熱情況對比

在施工中，上述措施并不是孤立的，必須結合工程實際，綜合考慮施工條件、現場氣候、工程成本等多種因素，選擇采用合適的控制措施，以取得良好的裂縫控制效果。

4 結語

在大體積混凝土中，裂縫會給結構帶來質量隱患。在大體積混凝土工程項目中，根據混凝土性質，優化混凝土配合比，精心組織施工，做好混凝土的養護，同步監測混凝土的溫度，就可以很好的控制混凝土有害裂縫的產生，保證混凝土澆筑的施工質量。

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