大體積混凝土裂縫成因與預防控制措施應用研究
——以華陽街道28街坊J1-3地塊項目為例

殷攀

上海金鹿建設（集團）有限公司 上海 200335

引言

隨著社會飛速發展，近幾十年我國大型基礎設施不斷建設并得到了高速發展，如高層、超高層建筑，水利工程設施，公路鐵路橋梁等建設規模越來越大，其中大體積混凝土在各類大型工程項目中得到了廣泛應用。眾多建設者們通過各類工程實例作了大量實踐并積累了豐富的施工經驗。大量實踐以及豐富的施工經驗一方面可供后來者參考學習；另一方面也使得大體積混凝土施工技術得到了不斷的突破和發展[1]。

1 華陽街道28街坊J1-3地塊項目概況

項目概況：地下建筑面積44160m2，挖土方量約13萬m3，基坑安全等級為二級；區域底板混凝土理論計算使用量為3100m3，設計強度級別為35MPa，抗滲級別為8級。基礎底板厚分別為1000mm和2000mm，按規范《大體積混凝土施工標準》GB 50496-2018相關條款，該項目底板混凝土屬于大體積混凝土。部分區域在不采取混凝土內部預埋冷卻水管措施的情況下保證底板混凝土工程質量優質、無裂縫、無滲漏等質量缺陷是本工程施工過程質量控制的重點問題

2 大體積混凝土裂縫形成的原因

2.1 大體積混凝土定義

按照現行《大體積混凝土施工標準》GB 50496-2018中的表述，大體積混凝土為結構最短幾何尺寸大于或等于1m的大方量混凝土結構，或者混凝土收縮及膠凝材料水化熱導致的溫度差可能形成危害結構安全的裂縫的混凝土結構。

按照美國混凝土學會的定義，大體積混凝土為現場施工的大體積砼其尺寸之大，不得不考慮技術措施等應對水化熱及水化熱導致的體積變化問題，以最大限度減少開裂。

按照日本建筑學會的定義，大體積混凝土為結構截面最短尺寸大于80cm，水化產生熱量導致混凝土結構內部與外部環境之間溫度差可能大于25℃的砼結構。

大體積混凝土的特點一是尺寸、體量特別大，二是水泥水化反應時混凝土結構內形成大量的熱，而大體積混凝土結構斷面較厚，由于混凝土導熱系數小使得膠凝材料水化產生的熱量被束縛在結構內部而難以散發出去，這就容易導致大體積混凝土結構的內部和外部產生較大溫差而產生溫度裂縫。

所以大體積混凝土不但要考慮尺寸、體量還得考慮膠凝材料的種類、強度以及后期在環境中產生的熱量值計算[2]。

2.2 混凝土裂縫形成的原因

裂縫成因大致分為以下兩種：①溫度裂縫；②收縮裂縫。

2.2.1 溫度裂縫的成因。

2.2.1.1 大體積混凝土裂縫形成。溫差過大造成，膠凝材料在水化反應期間釋放大量的熱量使得混凝土結構內部溫度不斷升高甚至達到六七十度，但此時混凝土結構表面溫度卻在三四十度左右。混凝土的熱傳導性能較差，剛澆筑完成不久時，混凝土結構尚未形成有效強度，對水化熱快速升高積聚導致的體積變化約束較小，此時水化熱導致的應力不大。伴隨混凝土齡期的增加，混凝土強度逐漸升高，對混凝土溫度降低引起體積收縮變化的約束越來越大，也就使混凝土結構產生較大的溫度應力，當混凝土結構自身的抗拉強度小于溫度應力時，大體積混凝土結構外表逐漸形成溫度裂縫。一般這種情況暫時只發生在表面，不會對混凝土內部結構造成影響，大體積混凝土整體結構還是完整的。

2.2.1.2 外部溫度對大體積混凝土澆筑時的影響。大體積混凝土結構施工時，外部環境的溫度情況也是大體積混凝土裂縫形成的重要因素。混凝土結構的內部溫度受混凝土入模溫度、水泥水化產生的熱量值和混凝土結構自身散熱降溫等多種因素共同影響。外部環境溫度越高，混凝土的入模溫度越高；若外部環境溫度降低，會使混凝土溫度降低的幅度增大，尤其當外部環境溫度急速下降時，就導致混凝土結構表面與內部的溫差增大，這對大體積混凝土極為不利。溫度相差越大，產生的溫度應力也越大。因此，探究應對溫度的合理方法，對預防大體積混凝土結構因內外溫度相差過大形成較大的溫度應力，具有重要意義。

2.2.1.3 一些約束條件對裂縫的影響。混凝土結構溫差較大的同時還有外部條件對大體積混凝土結構進行約束，例如對大體積混凝土澆筑在平地面和工程樁上面進行比較。當澆筑在類似均質的平地面沒有樁基約束時，可以認為大體積混凝土結構可以自由膨脹收縮變形而不會產生裂縫。當澆筑在樁基礎上時，樁基對局部的混凝土結構變形產生了約束，大體積混凝土結構中產生附加約束應力而導致裂縫的產生。

溫度裂縫產生的過程經筆者分析可分以下三個階段：①第一階段裂縫—混凝土澆筑完畢后兩三天內的升溫階段，期間混凝土結構內部溫度會急劇上升達到峰值而外部溫度上升緩慢。巨大溫度差引起的溫度應力超過此時的混凝土抗拉強度導致形成裂縫。②第二階段裂縫—當混凝土結構內部水化熱達到峰值過后的降溫階段，結構物與周圍環境溫度接近，此時有別的結構物對混凝土結構有附加約束力，例如樁基對承臺混凝土約束產生的附加約束應力，當混凝土抗拉強度小于該附加約束應力時，大體積混凝土裂縫形成。③第三階段裂縫—當混凝土結構與外部周圍環境維持在一個穩定的情況下時，環境發生改變，由于混凝土結構與周圍環境導熱系數不一樣而形成溫度階梯，當大體積混凝土結構表面與外部環境溫差超過規范允許的范圍時，混凝土結構會產生裂縫[3]。

圖1 混凝土從澆筑開始內、表溫差曲線

溫度控制：溫度裂縫一般認為是難以避免的，但是要將其控制在規范允許范圍以內，需進行科學的預測和合理的技術措施，一般可以從混凝土澆筑開始進行測溫，包括出料的溫度、澆筑入模的溫度、周圍環境的溫度；在混凝土澆筑完成后、初凝前及時抹面和保溫保濕養護并且根據溫控的要求及時調整養護溫度和濕度條件。如上圖所示，混凝土澆筑完成后內部與外部的溫差在第30小時左右達到峰值，此時溫度應力最大。在諸多的影響因素中，溫度、接觸界面、濕度、溫差、混凝土初凝時間、風速等影響較大，特別是風速大溫度低時，混凝土最高升溫將降低，這與實際測量比較是吻合的。但是也得避免降溫過快形成較大的溫度差，在高溫季節可采取蓄水等養護措施，低溫季節可采取加蓋泡沫保溫海綿等養護措施。如果大體積混凝土結構處于大風、氣候干燥的地區，混凝土結構在模板拆除后，需盡快采取防風和保溫措施，條件允許時，及時進行回填土是很好的保護措施，最終結果表明，這些措施對混凝的溫度影響系數的改變，裂縫的控制是成功有效的[4]。

2.2.2 收縮裂縫。拌和混凝土所需的用水中，水泥水化真正需要的水量大概僅有20%，后期會蒸發剩余的80%水量。混凝土結構隨著水泥水化過程及齡期的增加，體積會發生變化，大部分屬于收縮變形，少部分是膨脹變形，起主要決定性影響的因素是拌和混凝土中膠凝材料的屬性。混凝土中水化所需水量之外多出水量的蒸發是造成混凝土結構收縮變形的一個重要原因。這種硬化收縮變形若存在外界附加約束，就會導致收縮應力形成。在混凝土澆筑過程中振搗不密實或者過振導致面層浮漿過多，澆筑完成后、初凝前沒有及時進行抹壓，未及時進行覆蓋，遭受風吹日曬使得表面水分散發過快而產生干縮。當混凝土抗拉強度小于結構中產生的收縮應力時，大體積混凝土結構會形成收縮裂縫，這種收縮裂縫在泵送大體積大流態混凝土施工中是非常常見的。

3 大體積混凝土質量保證與裂縫預防措施

3.1 選用中、低水化熱水泥

水泥水化熱會造成混凝土升溫，因此選用低水化熱的水泥可以有效減少升溫。在大體積混凝土結構施工時多采用等級為42.5礦渣硅酸鹽水泥。根據水泥水化熱理論數據對比來看：強度等級為42.5礦渣硅酸鹽水泥3天水化熱為180kJ/kg，但強度等級為42.5普通硅酸鹽水泥為250kJ/kg，相對而言水化熱減少了28%。

3.2 摻加減水劑木質素磺酸鈣

木質素磺酸鈣簡稱木鈣，是一種多組分高分子聚合物陰離子表面活性劑，具有較強的黏結性、分散性、螯合性等特點。一般作為混凝土拌和外加劑使用時，摻加量大約為水泥用量的0.25%～0.3%，可使用水量減少10%～14%以上，從而減少水化產生的熱量，延緩水化熱的釋放速率，熱量釋放峰值也較不摻時推遲，改善了混凝土和易性，提高了工程質量。夏季使用，可以使混凝土初凝和終凝時間延遲5～8小時并且抑制坍落度損失。

3.3 摻加粉煤灰外摻料

相關實驗數據表明，粉煤灰具有一定的活性，因此在混凝土中摻加一定數量的粉煤灰可以起到潤滑作用，提升混凝土拌合物的粘塑性、可泵送性等性質。同時，粉煤灰能夠代替少量水泥，縮減了水泥量，降低混凝土的水化熱[5]。

粉煤灰改善后期混凝土強度的同時會使早期抗拉強度略微降低，對于早期抗拉要求較高的結構在摻加粉煤灰時應控制用量，否則會導致表面出現細微裂紋。

3.4 粗細骨料選擇

混凝土配置一般采用自然連續級配，這樣能確保混凝土有較好的和易性，以相對少量的水和水泥量獲得設計需求的抗壓強度。達到預定要求的同時，也發揮了水泥的最佳效用。粗骨料的最優粒徑的選擇受到結構物的配筋間距，模板形狀和施工工藝限制，因此在滿足施工的情況下，盡量選擇粒徑較大的粗骨料，就可以縮減拌合用水量，從而抑制混凝土的泌水、收縮。

3.5 采取切實有效的施工方法

依據大體積混凝土的泵送施工特點，混凝土澆筑可采用分段定點，統一坡度，薄層澆筑，循環推進，一次到頂的方式澆筑，混凝土自然流淌形成的坡度能與泵送工藝相適應，減少中間管道拆、改、移程序，提高工作效率，簡化泌水處理，使上層與下層之間混凝土的澆筑時間間隔小于下層混凝土初凝時間。根據現場形成的坡度在出料口和坡腳兩處設置振動器，分別保證上部和下部混凝土的振搗密實。隨著澆筑工作推進，振動設備隨時跟上保證整體混凝土澆筑質量。大體積混凝土澆筑后的表層浮漿應在初凝前盡快用鐵輥壓實以閉合收縮裂縫。

圖2 底板大體積混凝土澆筑分層分段順序

3.6 嚴格控制混凝土入模溫度

大體積混凝土宜選擇在春季、秋季或一天中溫度較低時施工，這樣可以使混凝土澆筑時的溫度較低。選擇在高溫季節施工時，需要采取合理措施降低混凝土拌合物澆筑時的溫度，在混凝土澆筑時最好有遮陽措施，避免澆筑好的混凝土在太陽底下暴曬。

3.6.1 粗骨料在混凝土中的比重約為50%，降低粗骨料的溫度也能夠很好地降低混凝土的出料溫度，據相關數據表明粗骨料每降低5℃混凝土的出料溫度可降低1℃，所以在高溫季節用冷卻水對粗骨料進行灑水降溫，保證骨料溫度降低，但是骨料灑水會造成含水率不穩定從而導致拌和料的坍落度較大，嚴重的甚至離析，這就要求實驗室工作人員做好混凝土施工配合比工作，適時作出調整。

3.6.2 用于大體積混凝土的水泥儲存場所應通風良好，水泥溫度不宜超過60℃，控制好水泥的溫度是確保混凝土拌合物入模溫度的有效措施。

3.6.3 高溫季節可采用經冷水機冷卻后的水作為拌合用水，水溫通常在5℃，或者采用在水里加入碎冰塊來保證水溫穩定。

3.7 增加適當預埋件

在工期允許的條件下，厚度較大的混凝土可以采用水平分層澆筑，每層厚度在1.5m這樣，時間間隔7天以上，層之間設置抗縮鋼筋網片，這種方法可以很好地降低內部溫度，減少人、材、機的投入，降低造價。

3.8 改進施工技術

鋼材導熱系數高容易產生較大的溫度梯度，這也會誘發裂縫的產生，施工過程中一定要加強鋼筋設置區域的振搗抹壓和養護。

3.9 加強混凝土養護

3.9.1 混凝土澆筑后條件允許應盡快回填土，土基本具備了所有養護材料的特性，這對預防和控制裂縫產生非常有效。

3.9.2 當需要采用覆蓋保溫養護時，應在12小時內進行覆蓋和灑水。對有抗滲要求的混凝土，保濕養護時間應不短于14天，期間需要混凝土表面保持濕潤。白天溫度較高時可以可適當揭開散散熱，夜晚需要覆蓋密實[6]。

3.10 加強混凝土的測溫工作

圖3 溫度測點布置示意圖

溫度測點布置：①能反映整個大體積混凝土的溫度場及溫度變化規律。②混凝土厚度不同區域、結構中心部位和邊緣部位、厚度變化過渡段、由溫度導致的約束應力較大部位，溫度變化可能大的區域加密布置，溫度變化小的區域稀疏布置。③大氣溫度測點設置在避免太陽照射的通風大氣環境中，測量混凝土環境溫度。《大體積混凝土施工標準》(GB50496-2018)規定，混凝土體表的溫度與大氣溫度相差不超過20℃，在監測混凝土內部溫度時，還需要對大氣溫度進行實時監測。④保溫層測點布置在混凝土上表面上被保溫層覆蓋，測量混凝土保溫層內溫度。《混凝土結構工程施工規范》（GB50666—2011）規定，“混凝土結構外表面40～80mm以內位置與結構內部的溫度相差不宜超過25℃，同時與結構外表溫度相差不宜超過25℃”。（測溫設置如圖所示）。

前五天每兩小時測溫一次，之后每四小時測溫一次，直至溫度表現相對穩定時可以停止觀測。根據施工的測溫情況看，混凝土內部溫升的高峰值一般在3天內產生，內外溫差值在20℃左右，基本都控制在規范允許的范圍以內，未見異常。

3.11 其他注意事項

3.11.1 泵送大體積混凝土級配控制。采用泵送施工大體積混凝土時，泵送管時常會發生堵塞故障，因此混合料的可泵送性也不容忽視。須管線布置順暢，壓力和直徑滿足泵送要求；選擇良好的砂石級配，粗骨料一般不超過管徑1/3，砂率宜控制在40%～50%之間，坍落度控制在180mm～200mm之間。

3.11.2 大體積混凝土澆筑順序及泌水排出。大體積混凝土一次澆筑量大，因此混凝土模板側壓力也大，需要根據現場的實際條件以及當時的氣候條件，適當設置混凝土澆筑層數同時混凝土的暴露面也不宜過大，以免造成后一層混凝土還沒施工完畢，前一層已經凝結形成冷縫，對工程質量造成影響。在澆筑混凝土時，盡量選擇從一個方向推進澆筑，這樣在混凝土出現泌水時可以及時采取措施，泌水量少時可以用水桶提出來，泌水量大時可以采用小抽水泵直接抽出（如下圖所示）。這兩種方法都排除了施工階段的積水，并且簡單易行[7]。

圖4 積水排出及混凝土澆筑、分層流程

4 結束語

綜上所述，此項目在施工前各種保證措施到位和充分科學預測的前提下，確保在施工過程中嚴格控制以及施工后的監測養護等工作，在沒有采取布置冷卻水管進行降溫措施的情況下，仍然順利完成了底板大體積混凝土的施工工作。在后期的不斷監測中并未發現明顯的裂縫出現。

施工前嚴格控制材料質量關，混凝土中摻加聚丙烯纖維等都是提高混凝土抗拉強度的有效措施。使用水化熱低的水泥，降低單位體積水泥量，降低原拌和料溫度來控制混凝土入模溫度等措施，使混凝土內部降溫來減小溫度應力。如果措施得當，某些情況下大體積混凝土施工不布置冷卻水管來降溫也可以做到無危害裂紋產生，同時還可以降低成本。