大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生原因及其控制措施

宋　萌　李田田　周小鳳

摘要：大體積混凝土裂縫產(chǎn)生后，將嚴(yán)重影響混凝土的性能，破壞混凝土的正常運(yùn)行。文章對(duì)大體積混凝土裂縫的研究現(xiàn)狀、產(chǎn)生原因進(jìn)行論述，從各個(gè)方面提出了預(yù)防混凝土開裂的控制措施。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；裂縫預(yù)防；裂縫控制；裂縫研究

中圖分類號(hào)：TU757文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009－2374(2009)12－0153－02

隨著建筑水平的發(fā)展，各種大跨度、超高層建筑越來(lái)越受到社會(huì)的青睞。在這些大型項(xiàng)目中，往往離不開大體積混凝土結(jié)構(gòu)，如各種形式的混凝土大壩、高層建筑的地下室里的土地板以及大型設(shè)備的基礎(chǔ)承臺(tái)等都是用大體積混凝土澆筑而成的。與此同時(shí)，與大體積混凝土相關(guān)的各種問題相繼出現(xiàn)，尤其是大體積混凝土裂縫的問題，對(duì)工程帶來(lái)了巨大的危害。如何有效地控制大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，保證項(xiàng)目的正常運(yùn)行，一直以來(lái)都受到了工程人員的高度重視。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫研究一直都是工程界密切關(guān)注的問題，早在19世紀(jì)各國(guó)科學(xué)家就從結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度理論角度出發(fā)，探索混凝土開裂的基本原理，最早提出的理論建立在簡(jiǎn)單基本試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在均值、彈性、連續(xù)的假定前提下推導(dǎo)出材料強(qiáng)度的各種計(jì)算公式，后期引進(jìn)了塑性理論公式，為解決問題提供了理論依據(jù)。

1985年美國(guó)陸軍工程師對(duì)willow大壩采用一維溫度場(chǎng)分析，開創(chuàng)的仿真分析的先例，利用仿真分析是在得到的溫度場(chǎng)上建立合適的力學(xué)模型，求解結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，進(jìn)而決定是否采用控制措施，這種方法得到了普遍的認(rèn)可。

目前，許多學(xué)者利用飛速發(fā)展的計(jì)算技術(shù)，綜合多學(xué)科的基本理論，考慮混凝土的入模溫度、混凝土彈性模量的變化、水泥水化熱的散熱規(guī)律、外界氣溫變化、養(yǎng)護(hù)措施及徐變影響等因素，采用有限元法或有限單元法求解一、二及三維大體積混凝土溫度場(chǎng)。

現(xiàn)階段，大多數(shù)國(guó)家為了控制混凝土中的裂縫產(chǎn)生，主要是通過設(shè)置永久式的伸縮縫來(lái)實(shí)現(xiàn)的，伸縮縫的間距為30～40m，個(gè)別為10～20m，即使一些工程不設(shè)置伸縮縫，那也要在施工過程中設(shè)置臨時(shí)性的伸縮縫一后澆帶一來(lái)控制裂縫的產(chǎn)生。

二、大體積混凝土施工裂縫產(chǎn)生的原因

根據(jù)有關(guān)資料，由施工因素造成的混凝土早期裂縫占80％左右，因混凝土材料方面的原因造成的占15％左右，因設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的裂縫僅占5％左右，可見，大體積混凝土的施工過程不當(dāng)是裂縫產(chǎn)生的主要原因。

大體積混凝土施工階段所產(chǎn)生的溫度裂縫主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面是結(jié)構(gòu)物的外部約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束，一旦溫度應(yīng)力超過混凝土所能承受的抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

(一)水化熱的影響

水泥的水化過程是大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因，水泥水化過程中要散發(fā)出一定的熱量，大體積混凝土結(jié)構(gòu)物一般較厚，表面系數(shù)相對(duì)較小，水泥水化過程中產(chǎn)生的熱量聚集在結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部不易散失，引起了混凝土內(nèi)部的溫度差異。單位時(shí)間混凝土釋放的水泥水化熱，與混凝土單位體積中水泥用量和水泥品種有關(guān)，并隨混凝土的齡期而增長(zhǎng)，通過實(shí)測(cè)，水泥水化引起的升溫，在水利工程中一般為15℃～25℃，在建筑工程中一般為20℃～30℃，甚至更高。

混凝土的導(dǎo)熱性能差，且內(nèi)部與表面的散熱條件不同，混凝土中心溫度高、表面溫度低形成了溫度梯度，使得混凝土內(nèi)部受到壓應(yīng)力，而外部卻存在壓應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土極限拉應(yīng)變時(shí)，就產(chǎn)生了裂縫。

(二)溫度變化的影響

混凝土的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱升溫和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和。溫度應(yīng)力是由于溫差引起變形造成的，溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內(nèi)部的最高溫度一般可以達(dá)到60℃～65℃，且有較長(zhǎng)的延續(xù)時(shí)間，此時(shí)混凝土內(nèi)外有較大的溫差，易增加混凝土的裂縫；此外，外界氣溫的變化對(duì)大體積混凝土溫差的變化和裂縫的產(chǎn)生有嚴(yán)重影響。如果外界溫度下降過快也會(huì)出現(xiàn)很大的溫度應(yīng)力，極容易引發(fā)混凝土的開裂，尤其是在北方地區(qū)晝夜溫差大，遇到氣溫驟降時(shí)，會(huì)大大增加混凝土內(nèi)外層溫差，這對(duì)大體積混凝土十分不利。因此，應(yīng)采取溫度控制措施，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力。

(三)混凝土收縮變形的影響

混凝土拌合水中的80％的水分是為了保證澆筑中和易性的需要而非混凝土水化需要。對(duì)于普通混凝土來(lái)說，大多是收縮變形，少數(shù)為膨脹變形?；炷翝沧⑼瓿珊?，水化過后多余水分的蒸發(fā)是致使混凝土體積收縮的主要原因。有關(guān)研究資料證明，混凝土的最終收縮變形值一般在2～6×10范圍內(nèi)波動(dòng)，有時(shí)高達(dá)10×10，在工程計(jì)算中，混凝土的極限收縮值一般為3.24×10。

(四)外界約束條件的影響

大體積混凝土一般與地基整體澆筑在一起，當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)受到地基的限制，因而產(chǎn)生外部的約束應(yīng)力。當(dāng)混凝土早期溫度上升時(shí)，產(chǎn)生的膨脹變形會(huì)受到約束面的約束而產(chǎn)生壓應(yīng)力，而此時(shí)混凝土的彈性模量很小，因而壓應(yīng)力較小；當(dāng)溫度下降，由于混凝土抗拉性能差，收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力易超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土表面也容易出現(xiàn)垂直裂縫。

三、裂縫的控制措施

由以上影響因素可見，在尋求避免和減少混凝土開裂的途徑時(shí)，應(yīng)圍繞提高混凝土的抗裂能力、控制溫度變化因素、減少混凝土結(jié)構(gòu)中的約束應(yīng)力和變形等方面進(jìn)行探討。

(一)混凝土質(zhì)量的控制

1原材料的優(yōu)選。原材料盡量選擇同一品牌、規(guī)格、型號(hào)、產(chǎn)地的水泥、砂、石、等原材料，避免因質(zhì)量差異導(dǎo)致工程質(zhì)量的差異和變化。

德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)R.Springcnsehmid教授根據(jù)在開裂試驗(yàn)中記錄的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同因素降低混凝土開裂溫度的作用進(jìn)行了比較，得出了結(jié)論：含堿(Na₂O、K₂O)量低、硫酸鹽含量(相對(duì)于鋁硅酸鹽而言)多、粉磨細(xì)度較小的水泥抗裂性能較好。

大體積混凝土中多選用325號(hào)和425號(hào)的水泥，在條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥，如礦渣水泥、硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥等，同時(shí)應(yīng)綜合考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度、塌落度和絕熱溫升等因素。

大體積混凝土應(yīng)盡量選用粒徑大的級(jí)配良好的卵石配置混凝土。這樣配置出的混凝土和易性好、抗壓強(qiáng)度高、同時(shí)可以減少用水量和水泥用量，從而使水泥水化熱減少，降低混凝土絕熱升溫。根據(jù)試驗(yàn)資料表明，采用5～40mm的石子比采用5～25mm的石子可減少用水量15kg／m,比在水灰比相同的條件下減少水泥用量20kg左右；細(xì)骨料宜采用中粗砂為宜，在相同規(guī)定要求下，采用細(xì)度模數(shù)為2.80、平均粒徑為0.38mm的中粗砂比采用細(xì)度模數(shù)為2.10、平均粒徑為

0.36mm的細(xì)砂能減少用水量20～25kg／m³、減少水泥用量25～35kg/m,大大減少混凝土的溫升，進(jìn)一步控制了混凝土的收縮和開裂。

在大體積混凝土中加入一定量的粉煤灰，可以增加混凝土的密實(shí)度，提高抗?jié)B性，改善混凝土的耐久性，降低最終收縮值。因此，用粉煤灰作摻合料是防止混凝土開裂的有效的方法之一。

2優(yōu)化的混凝土配合比設(shè)計(jì)?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)時(shí)，在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出“高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高極拉值”的抗裂混凝土。

(二)大體積混凝土施工

1大體積混凝土的澆筑與振搗?；炷翝仓r(shí)應(yīng)采用“分區(qū)定點(diǎn)、一個(gè)坡度、循序漸進(jìn)、一次到頂”的澆筑工藝，澆筑時(shí)先在一個(gè)部位進(jìn)行，待達(dá)到一定高度后，混凝土形成扇形向前流動(dòng)后，在其坡面上連續(xù)澆筑，以此類推，最后在移動(dòng)回原位繼續(xù)上次循環(huán)澆筑。施工時(shí)可以采用“同時(shí)振搗，分層堆壘，一次到頂”的斜面層方案，用斜面分層的方法可以增強(qiáng)密實(shí)性、保證防水質(zhì)量。振搗時(shí)重點(diǎn)控制兩頭，即混凝土流淌的最近點(diǎn)和最遠(yuǎn)點(diǎn)，震動(dòng)要均勻，不要漏振。布置三道振搗，第一道設(shè)置在混凝土的坡角，第二道設(shè)置在混凝土的坡中間，第三道設(shè)置在混凝土的坡頂。根據(jù)一定的分層厚度分層進(jìn)行振搗，振搗棒要快插慢拔，以混凝土面泛漿為宜。

2大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)和保溫。養(yǎng)護(hù)主要是加強(qiáng)混凝土的保溫和保濕，從而達(dá)到減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，降低混凝土表面的溫度梯度和防止表面產(chǎn)生裂縫的目的。采用保溫養(yǎng)護(hù)措施時(shí)，應(yīng)使混凝土澆筑塊體的里外溫度及降溫速度滿足溫控指標(biāo)的要求；保溫養(yǎng)護(hù)的時(shí)間一般不少于15d，保溫覆蓋層處于保濕狀態(tài)。此外，還應(yīng)加強(qiáng)測(cè)溫和溫度檢測(cè)管理，隨時(shí)調(diào)整保溫和養(yǎng)護(hù)措施，從而使混凝土溫度梯度和濕度不至于過大，隨時(shí)調(diào)整應(yīng)對(duì)措施。

四、結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土的裂縫給工程帶來(lái)了巨大的危害。當(dāng)混凝土開裂后，性能與原狀態(tài)混凝土有很大的差異，其耐久性大幅度降低，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和安全。因此，大體積混凝土裂縫的控制措施一直以來(lái)都得到了工程界的關(guān)注。一般來(lái)說，上述幾種混凝土裂縫的控制措施，可大大減少大體積混凝土裂縫的出現(xiàn)，新的、更為有效的控制方法有待我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：宋萌(1988-)，女，北京人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：工業(yè)與民用建筑；李田田(1987－)，女，江蘇徐州人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：交通土建；周小鳳(1986-)，女，江蘇徐州人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：交通土建。