土木工程中大體積混凝土結構裂縫成因及技術優化

王金福

(中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司，山東 濟南 250101)

1 工程概況

某工程地下室建筑面積為3 000 m2，混凝土強度設計為C40，抗滲等級設置為S8，地下室底板厚度設置為1 m，外墻厚度設置為0.8 m，凈高設置為4.5 m，使用泵輸送混凝土，采取分層澆筑施工的策略，層高設置為3.5 m。該工程于當年8月份完成外墻混凝土澆筑施工，后期發現墻體有開裂的地方，裂縫的間距大約為1.5 m，內墻一切正常。

2 分析開裂的原因

2.1 外界氣溫

外界氣溫對混凝土澆筑溫度的影響比較大，兩者為正相關關系，即外界氣溫越高，混凝土澆筑溫度也越高。該混凝土于當年8月份完成澆筑施工，此時正是炎炎夏日，混凝土內部溫度變化比較明顯，散熱能力比較低，使得溫度應力比較大。當外界氣溫降低時，混凝土的溫度梯度會隨之發生改變，特別是在氣溫變化非常明顯時，使得混凝土的內外溫差非常大。同年9月份利用取芯法檢測混凝土內部結構，發現存在裂縫，隨著溫度降低，裂縫漸漸向縱深延長，進而形成貫穿性裂縫，嚴重影響了整個結構的防水性、耐久性和整體性。

2.2 水泥的品種

在水化反應的過程中會有大量的熱量產生，使得大體積混凝土內部溫度持續升高，所以，要想使大體積混凝土的裂縫得到高效的控制，就要合理選擇混凝土的品種，重點關注水泥的水化熱、坍落度和強度。普通硅酸鹽水泥是該工程的主要施工材料，其使用到大體積混凝土結構中不太合適，主要是因為該水泥三天之內的水化熱能夠達到250 kJ/kg，比礦渣硅酸鹽水泥的水化熱高了1.5倍。特別是在澆筑施工的最初時期，低熱水泥使自身的發熱量降到最低，大大減少了混凝土澆筑塊體的內外溫差，所以使用礦渣硅酸鹽水泥能夠控制裂縫。使用早強型水泥以后，混凝土內部熱量散失比較少，增加了降溫的速度，墻體內外就會形成比較大的溫度差，使得澆筑施工初期容易產生通縫。使用泵輸送混凝土時為滿足混凝土的可泵性，需合理優化混凝土級配，摻加一定量的外加劑，以此改善混凝土性能，延遲水泥的水化熱峰值。

3 優化升級施工技術

3.1 混凝土材料

1)使用的材料標準一定要滿足國家的相關要求。

2)主要施工材料為中低水化熱水泥，具體選擇42.5級礦渣硅酸鹽水泥，將水化熱控制到最小的范圍之內，高效管控混凝土的溫升值。

3)科學控制混凝土后期強度，降低水泥用量10 kg，其水化熱可以讓混凝土溫度下降1℃，因此需要嚴格控制水泥用量。

4)在澆筑混凝土時預留好孔道，為后續的通冷氣或者通冷水的降溫措施做好充分的準備工作。

5)在拌和混凝土時，可摻加適量的膨脹水泥或膨脹劑，補償收縮混凝土，從而控制混凝土的溫度應力。

6)加入適量減水劑和磨細粉煤灰，以此降低用水量和水泥用量。

7)在選擇粗細骨料的時候，注意：①使用連續級配碎石和中砂，使同等情況下的混凝土水泥用量和用水量降到最少；②控制好石子、砂的含泥量，使水灰比降到最低，該工程施工使用的石子含泥量一定要控制在1%以內，做好振搗施工，顯著提升混凝土的抗拉強度和密實性。

8)合理管控可泵性混凝土的配合比，控制混凝土坍落度約14 cm，初凝時間應在10 h以內。

9)嚴控混凝土料出機溫度，混凝土料中溫度影響最大的因素是水和石子的溫度，其次是砂的影響。在混凝土攪拌施工時，對石堆場和砂場采取遮陽處理，使混凝土的出機溫度控制到最低，如果有施工需要可以向骨料中噴灑冷水降溫。

10)在控制混凝土的澆筑溫度時，從混凝土攪拌開始到運送施工現場的整個過程中都要準確掌控溫度。澆筑混凝土時，需要詳細記錄運到現場的混凝土的坍落度、溫度，在現場等待澆筑的過程中，往運輸罐噴灑適量冷水，保證混凝土的施工溫度在最佳范圍。

3.2 大體積混凝土施工

1)商品混凝土是施工混凝土的主要類型，攪拌車運輸混凝土，泵送入模中，混凝土需要一次性完成澆筑施工，在入模時做好模內通風，使模內熱量被及時地疏散掉。

2)商品混凝土具有較大的流動性，該工程施工采取四角度同時澆筑施工的策略，使用的主要澆筑方法為斜面澆筑施工法，使混凝土的暴露時間最少，顯著提升了混凝土的澆筑強度，并將混凝土的澆筑時間控制到最短。

3)混凝土分層澆筑，以后澆帶為界將其劃分兩個部分，兩部分一起施工，同時配備兩臺混凝土泵送機，采取階梯斜面分層式澆筑法，澆筑厚度保持在40 cm以內。在混凝土澆筑施工的過程中，監理人員和施工技術人員在施工現場進行指導，每層澆筑施工的間隔時間比混凝土初凝時間長，上一層混凝土的強度滿足設計標準以后，方可澆筑下一層混凝土。分層澆筑施工的具體情況見圖1。

(a)

4)泵送混凝土時，中間泵位要優先供應，以突弧形的方式向前完成澆筑施工，使混凝土泌水隨著混凝土澆筑流向兩側后流出，使用軟軸水泵將泌水清理干凈。

5)待混凝土初凝2 h后處理混凝土表面，具體利用長括尺以標高為參考將其刮平，在混凝土初凝后抹壓打磨兩次，使用硬掃帚將混凝土表面刷平，使早期收縮裂縫高效閉合。

3.3 底板降排水

強風化礫泥質砂巖是該工程的主要地基土類型，地基土與底板直接接觸，會有承壓裂縫水涌出，因此要積極采取措施處理好地基土降排水。從該工程的實際情況出發，降排水時采取集水井結合盲溝的方式，使水面比墊層地面略低30 cm。柱墩、電梯井等位置是設置集水井的主要位置，與擋土墻的間距要保持在2 m左右。

3.4 大體積混凝土養護

在養護大體積混凝土時，重點做好混凝土的溫差控制工作，混凝土水化過程中將產生大量水化熱，其無法通過采取措施消除，因此會快速提升混凝土的內部溫度，使混凝土內外部出現較大的溫度差，進而導致溫縮裂縫。該工程在降低混凝土內部溫度時，采取的主要措施為將直徑為2 cm的鋼管作為循環水管埋設在底板內部，其位置為底板中線偏下，順著水平方向布置，間距設置為80 cm，在鋪設施工時最好與鋼筋直接接觸，借助鋼筋優良的導熱性快速降低溫度。實時監控混凝土的內部溫度，保證混凝土的內外溫差保持在規定范圍之內。溫度儀和溫度探頭是檢測溫度時使用的主要儀器，在混凝土的內部埋設溫度探頭，使用數據線將溫度探頭獲取的數據導出來并傳輸到溫度儀中，通過溫度儀完成各點溫度的有效分析。

3.5 保溫保濕

對于大體積混凝土來說，在混凝土硬化的過程中會有大量水化熱集中在其中心位置，從而使中心位置的溫度快速上升，與混凝土表面的溫差非常大，使混凝土易出現裂縫的情況，所以，要采取措施做好大體積混凝土的保濕保溫施工。在采取保溫措施時，將兩層草包覆蓋在塑料保溫膜的上面，混凝土表面四周砌一定高度的墻體，采取防水養護表面的方法，三周以后對最終的溫度進行監測，在所有的養護措施完成以后，如果沒有結構性裂縫存在則說明該方法有效。

3.6 計算地下室頂板溫度

1)混凝土內部最高絕熱溫升值的計算公式為：

Th=WQ/CP

(1)

式中，W為水泥用量；Q為水化熱；C為混凝土比熱；P為混凝土密度。將相關數據代入以后，最終的結論為Th=71℃。

2)計算混凝土內部最高溫度的公式為：

Tmax=Tj+Th·￡

(2)

在9月初期測算混凝土澆筑溫度，即入模溫度Tj=27℃，厚度為1.3 m頂板的散熱系數￡=0.43，最終的計算結果為Tmax=57.64℃。

3)混凝土表面與內部溫差的計算公式為：

Tb(t)=Tq+4÷H2×h′(H-h′)ΔTt

(3)

式中，Tq為環境溫度；H為頂板厚度，m，即H=h+2h′，h為混凝土實際厚度，m；h′為混凝土虛厚度，m，即h′=k·λ/β，k為計算折減系數，取值為0.67，β空氣層傳熱系數，當未采取保溫措施時，取值為23 W/(m2·K)；ΔTt為外界與混凝土內部最高溫差。最終值Tb(t)=29.41℃，比規定值25℃略大一些，所以要采取措施予以處理，防止出現表面裂縫的情況。

3.7 防裂措施

1)使用低熱水泥施工，將水泥水化熱控制到最低。

2)合理設置配合比，有效發揮混凝土后期強度的優勢。

3)采取分層分段澆筑施工的辦法，不斷擴大散熱面，使散熱速度得到顯著的提升，科學管控收縮應力和溫度。

4)在冷卻的過程中使用循環水施工，能夠將裂縫的發生幾率控制到最低。

5)對于大體積混凝土施工技術來說，保溫保濕養護十分重要。

6)采取加冰拌和和預冷內料等預冷技術，將澆筑溫度控制到最低。

4 結束語

在土木工程施工的過程中，使用大體積混凝土施工技術以后，使整個工程的施工質量發生了根本性的改變。施工人員需要對施工標準、施工重難點以及施工程序做到了如指掌，以施工規范、施工組織規劃方案和施工圖紙為核心，高效管理施工人員、施工設備和施工材料，為整個工程的順利施工奠定堅實的基礎，顯著提升其經濟效益和社會效益。

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