水工大體積混凝土施工裂縫原因分析及防裂措施

□倪志華（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局）

水工大體積混凝土施工裂縫原因分析及防裂措施

□倪志華（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局）

大體積混凝土施工一般在水工建筑物中比較常見，但是由于混凝土用量大，水泥水化放熱集中容易產(chǎn)生裂縫，嚴重影響了它的正常使用，所以就必須要采取有效的措施控制裂縫的產(chǎn)生。本文就此對水工大體積混凝土施工裂縫影響及防裂措施進行了分析。

水工大體積混凝土；施工裂縫；防裂措施

一、水工大體積混凝土施工裂縫

水工中經(jīng)常涉及到大體積混凝土施工，例如大型混凝土基礎、水利大壩以及重力壩等。而且由于它的體積龐大、結構厚實、穩(wěn)定性高等優(yōu)點已經(jīng)逐漸成為大型設施以及構筑物的重要組成部分。在進行大體積混凝土施工的過程中對于施工技術以及工程條件的要求也非常嚴格，特別是由于整個工程要用大量的水泥作為原材料，而且水泥在水化反應下釋放出大量的熱，很容易使混凝土內(nèi)部的結構發(fā)生變化從而導致表面出現(xiàn)裂縫，尤其是一些出現(xiàn)在重要部位的裂縫，能夠直接影響到設施的結構安全以及使用壽命，所以必須要足夠重視大體積混凝土施工裂縫帶來的影響。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)水工大體積混凝土施工裂縫的類型主要有結構型裂縫和材料型裂縫兩大類。其中結構型裂縫產(chǎn)生的原因主要是由于混凝土受到外部荷載力的作用引起的，包括常規(guī)結構計算中的主要應力以及其它的結構所產(chǎn)生的次應力的作用使得混凝土開裂。而材料型裂縫的產(chǎn)生則是在沒有受到外力的作用下，發(fā)生變形引起混凝土開裂，而發(fā)生變形的主要原因是由于水泥水化反應產(chǎn)生的溫度應力與混凝土自身的收縮作用，而在施工過程中產(chǎn)生的裂縫則主要是以材料型裂縫為主。下面就對大體積混凝土施工產(chǎn)生裂縫的原因進行分析。

（一）收縮裂縫

收縮裂縫包括干燥收縮、塑性收縮以及自身收縮等。干燥收縮主要是由于水泥水化反應產(chǎn)生熱量的同時也消耗了大量的水分，由于混凝土內(nèi)部的水分不斷散失產(chǎn)生收縮應力，而且這種應力一旦超過混凝土所能承受的最大拉力范圍時就會使大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。塑性收縮是指在水泥活性大，混凝土溫度較高時或者水灰比較低的情況下容易產(chǎn)生裂縫。因為這種情況下的混凝土泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，導致混凝土收縮出現(xiàn)裂縫，而且這些表面裂縫的出現(xiàn)又一次加劇了水分的蒸發(fā)，促使裂縫進一步加深。自身收縮主要是混凝土中水泥和用水量由于比例分配的不同所決定的，水泥所占的比重越大混凝土的收縮程度也隨之越大，而且不同品種的水泥其自身的收縮量也各不相同，中低熱水泥以及粉煤灰水泥的收縮量就相對較小。

（二）溫差裂縫

混凝土內(nèi)部和外部的溫差過大時也會產(chǎn)生裂縫，溫差裂縫的主要影響因素是水泥在水化反應時產(chǎn)生大量的熱，而且由于大體積混凝土施工時容易產(chǎn)生溫度梯度，熱量在表面的散熱程度快，內(nèi)部的熱量則相對集中并且溫度急速升高，這樣一來就容易使內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力外部產(chǎn)生拉應力，而且由于混凝土的凝結期短抗拉強度低，當溫度應力超過了混凝土所能承受的最大拉力范圍時就會使混凝土設施產(chǎn)生裂縫。

二、水工大體積混凝土施工防裂措施

解決水工大體積混凝土施工裂縫的問題，必須根據(jù)引發(fā)水工混凝土裂縫的不同的原因制定相應的針對性預防措施。由于材料型裂縫主要是由于混凝土收縮以及內(nèi)外溫度差所造成的，因此在裂縫的預防處理上主要可以分為以下幾種：

（一）混凝土水灰配合比的設計

水泥在發(fā)生水化反應的過程中需要消耗大量的水分，這樣一來混凝土內(nèi)部的含水量下降，體積減小收縮形成彎月面。而混凝土產(chǎn)生的這種干燥收縮以及自身收縮的影響剛好與水灰配合比相反，也就是當水灰配合比相對較低時混凝土產(chǎn)生的干燥收縮減小而自身收縮增大，所以在設計混凝土的水灰配合比時要考慮最佳的結合點，在設計時應該盡可能地減小混凝土的單位用水量，采用低砂率、低水膠比以及低坍落度的灰料，然后再配合使用高效減水劑和高性能引氣劑，配制出韌性大、強度高的抗裂型混凝土。還可以通過增加構造筋提升混凝土的抗裂性能，增加的構造筋必須滿足直徑小以及間距短的特點，以免由于結構突變而引發(fā)應力集中等問題。另外在混凝土結構的一些薄弱環(huán)節(jié)需要采取相應的加固措施，在應力集中的邊緣部位設置暗梁用來增加混凝土的極限拉伸。

（二）骨料的選擇

骨料在水工大體積混凝土施工中有著非常重要的作用，它占混凝土絕對體積的80%～83%，混凝土添加的骨料分為粗骨料和細骨料兩種。添加粗骨料時應盡量選擇大粒徑的，因為粗骨料的粒徑越大，孔隙度就越小，級配越好，可以最大限度地減少每立方米的砂漿用量以及水泥用量，水化反應產(chǎn)生的熱量也就相對較少，從而能夠有效地控制大體積混凝土施工裂縫的產(chǎn)生。在選擇細骨料時，應該選擇膨脹系數(shù)小、彈模性較低、表面潔凈的中粗砂，這種級配的細骨料，孔隙度小，總的表面積也相對較小，化熱就低，能夠有效地避免裂縫的產(chǎn)生。此外骨料中除了砂要滿足相應的要求以外，還應該注意石灰粉或者細粉的含量，適當?shù)脑黾邮曳刍蛘呒毞鄣暮坎粌H有助于提升混凝土的硬度，而且可以提高混凝土的密實度以及抗裂性。

（三）合理使用外加劑

在混凝土當中適當?shù)靥砑右恍┩饧觿┯兄跍p小裂縫產(chǎn)生的機率，因為一些外加劑是專門用來抑制混凝土產(chǎn)生的收縮性能。例如減水劑就是用來改善混凝土的和易性，在能夠在保證混凝土有足夠強度的同時又可以減少水泥的用量，降低水灰配合比從而防止大體積混凝土施工產(chǎn)生裂縫。而添加緩凝劑則可以延緩混凝土放熱速度，因為混凝土的強度跟凝結時間成正比，延緩放熱時間的主要作用就是能夠保證混凝土在熱量達到最高時具有足夠的強度，從而抵抗有溫差產(chǎn)生應力。另外適當?shù)靥砑右龤鈩┠軌蛱嵘炷恋哪途眯浴⒑鸵仔砸约翱杀眯?，在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。但所有的外加劑只是作為輔助性材料幫助提升混凝土的抗裂性能，用量應該適當不能大量使用，否則會產(chǎn)生一些負面影響。

（四）適當摻加粉煤灰

為了能夠降低水化反應產(chǎn)生的熱量，最有效的方法就是降低水泥的用量。因此可以在水泥中摻加一定量的粉煤灰。選擇時要注意粉煤灰的粒徑和水泥粒徑保持一致，并且含硫量和含堿量要小，這樣的粉煤灰用水量少。水泥與粉煤灰混合使用后，有助于提升混凝土的耐久性、抗?jié)B性，抑制收縮，降低水化反應產(chǎn)生的熱量，提高混凝土的抗裂能力等。另外由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物，這些硅鋁氧化物非常容易和水泥的水化產(chǎn)物進行二次反應，也就減小了水泥的使用量，降低了混凝土的熱膨脹。而且由于粉煤灰顆粒較細，具有足夠大的反應面積，在混凝土中擴散的也更加均勻。同時粉煤灰參加反應后進一步改善了混凝土內(nèi)部的孔隙度，使其內(nèi)部結構更加密實，分布也更加合理，而且硬化后的混凝土強度更大，能夠有效的抑制收縮，避免產(chǎn)生裂縫。但是由于粉煤灰的比重小于水泥，所以在進行振搗時較輕的粉煤灰經(jīng)常會浮在混凝土的表面，導致了配比不均勻，表面上部的摻量較大，強度低容易產(chǎn)生塑性裂縫。因此應該根據(jù)工程的實際情況適量添加粉煤灰并且還應該盡量攪拌均勻。

（五）水泥的選擇方法

在制備水工大體積混凝土的過程中，除了對添加料有嚴格的要求外，水泥的選擇也是至關重要的。因為不同品種的水泥其自身的收縮量也各不相同，所以要根據(jù)工程需要選擇適合的水泥，然后再根據(jù)水泥的種類考慮添加劑的用量。例如選用低水化熱水泥時，就應該選擇含泥量較少的粗細骨料。在選擇大體積混凝土用水泥時，應該優(yōu)先采用具有膨脹性或者收縮性小的水泥。因為這種水泥在水化反應時，可以發(fā)生膨脹產(chǎn)生一定的預壓應力，而這種預壓應力可以幫助混凝土抵消一部分有溫差產(chǎn)生的應力，從而有助于提高混凝土的抗裂能力。水泥熟料中的堿含量應該相對較低，這樣才能使水泥具有長期穩(wěn)定的微膨脹抗裂能力。在混凝土制拌的過程中，還要嚴格控制添加料的計量標準、嚴格控制混凝土的出機塌落度以及盡量降低混凝土的出機溫度，通常保持在6℃左右，降低溫度時可以采用冷風機送風或者通過加冰拌合冷卻。

（六）混凝土澆注的控制

水工大體積混凝土在澆注過程中要注意觀察混凝土拌合物的坍落度等性能，杜絕在澆注中發(fā)生離析現(xiàn)象，若有問題，應及時對混凝土配合比作合理調(diào)整?；炷翝沧⑼瓿珊蟊仨毐ＷC混凝土均勻密實，表面平整光潔，這就需要在混凝土入模時進行充分的振搗，保證混凝土的密實度排出氣泡，這樣才能獲得高質(zhì)量的符合設計要求的混凝土。振搗時間應該均勻一致，以表面泛漿為宜。進行混凝土澆注時要求分層澆筑，分層流水振搗，同時還要確保上層混凝土在下層初凝前結合緊密。澆注完畢后，表面要進行壓實以及抹平處理，用以防止表面開裂。

總之，水工大體積混凝土施工裂縫主要是由其結構內(nèi)部與表面產(chǎn)生的巨大溫度差引起的，所以當混凝土澆注好后還應該采取必要的防護措施。澆注的混凝土內(nèi)部較表面散熱快，會形成內(nèi)外溫差，表面收縮受內(nèi)部約束產(chǎn)生拉應力，由于這種拉應力通常很小，不至于超過混凝土的抗拉強度而產(chǎn)生裂縫。但是如果此時受到冷空氣的侵襲，或者是過分的通風散熱，使表面溫度降低的速度明顯加快，就很容易導致裂縫的產(chǎn)生，所以當混凝土進行拆模時，特別是在低溫季節(jié)，應該在拆模后確保覆蓋材料供應充足，避免由于表面溫度降低過快產(chǎn)生裂縫。另外當混凝土澆注完畢后，還應該進行必要的養(yǎng)護措施，及時地給混凝土表面淋水使其保持濕潤，這樣既能減少外界高溫倒灌，又能防止干縮產(chǎn)生裂縫。

三、結語

綜上所述，水工大體積混凝土施工裂縫的產(chǎn)生原因是非常復雜的，通過對裂縫產(chǎn)生的原因分析可知，主要是由于溫度應力和混凝土的收縮引起的，因此控制水泥水化反應過程中釋放的熱量是裂縫產(chǎn)生的關鍵因素。在進行大體積混凝土施工時要充分考慮原材料的選擇，適當?shù)負饺牖旌狭?，并且在施工過程中采用科學、合理的方法才能有效地防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生。

倪志華（1974-），男，工程師。

2011-08-12