淺議大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生機(jī)理及防治措施

摘要：大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題一直嚴(yán)重困擾著建筑工程的施工質(zhì)量。文章對大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和原因進(jìn)行了分析和思考，結(jié)合工程實(shí)例探討了大體積混凝土裂縫防治措施和取得的效果。

關(guān)鍵詞：大體積；混凝土；裂縫；產(chǎn)生機(jī)理；防治措施

《大體積砼施工規(guī)范》（GB50496-2009）指出：大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1M的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。大體積混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比具有結(jié)構(gòu)厚、體形大、混凝土數(shù)量多、工程條件復(fù)雜、施工技術(shù)要求高，難度大等特點(diǎn)，相比普通混凝土結(jié)構(gòu)，更易出現(xiàn)危害整體工程質(zhì)量的有害裂縫。因此，如何進(jìn)一步認(rèn)識大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和原因，針對性地制定控制裂縫產(chǎn)生發(fā)展的防治措施，就成為大體積混凝土施工的一個關(guān)鍵問題。

1、工程實(shí)例：

君域名苑商住樓工程，總建筑面積65802m2，2層地下室。裙樓之上分為四棟單體住宅樓，建筑總高度91.6m。底板是梁板式底板結(jié)構(gòu)，底板厚600mm，承臺尺寸主要有：8650×5600m×2000、9280×3600×2400等；四層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換梁主要截面有：900×2400、1600×2400等。

2.大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的機(jī)理和對應(yīng)思考：

2.1大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的機(jī)理：

水泥混凝土是多種脆性材料組成的非均質(zhì)材料，具有較高的抗壓強(qiáng)度、良好的耐久性的同時，具有抗拉強(qiáng)度低、抗變形能力差、易開裂的特性，因此出現(xiàn)裂縫是不可避免的。在不同的受力狀態(tài)下，混凝土的破裂過程和其內(nèi)部不規(guī)則分布、沿截面不貫穿、肉眼看不見、寬度小于0.05MM以下、無害的“微觀裂縫”的發(fā)展情況相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)“微觀裂縫”在外荷載、次應(yīng)力和變形變化作用下持續(xù)擴(kuò)展成寬度不小于0.05MM的“宏觀裂縫”，就有可能對混凝土結(jié)構(gòu)造成危害?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)的最大允許裂縫寬度為：室內(nèi)正常環(huán)境下一般構(gòu)件為0.3MM，露天或室內(nèi)高溫環(huán)境下為0.2MM。最初期的宏觀裂縫表現(xiàn)為“表面裂縫”，又稱龜裂。這種裂縫無規(guī)則，縫比較短而淺，在混凝土硬化過程中，混凝土由于水化熱的散發(fā)造成其內(nèi)外部溫度梯度，致使混凝土內(nèi)外部收縮不一致而產(chǎn)生的“表面裂縫”，雖不屬于結(jié)構(gòu)性裂縫，但在混凝土收縮時，由于表面裂縫處的斷面已被削弱，如果受到約束條件和外界氣溫變化的影響，更易產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂縫進(jìn)一步發(fā)展成為危害性更大的“深層裂縫”，甚至“貫穿裂縫”。深層裂縫比較有規(guī)則，縫較長而深，部分切斷了結(jié)構(gòu)斷面，具有較大的危害性?！吧顚恿芽p”在溫度應(yīng)力、約束條件、外界氣溫、混凝土自身收縮等綜合因素影響下持續(xù)發(fā)展，混凝土整個截面就會產(chǎn)生“貫穿性裂縫”，“貫穿裂縫”危害最大，它切斷了結(jié)構(gòu)的全斷面，破壞了結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性、耐久性、防水性等，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用。

2.2對應(yīng)思考：

（1）在采用集中攪拌、罐車運(yùn)輸、泵送工藝的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于其截面大，水泥用量多，水泥水化所釋放的水化熱比較大。而大體積混凝土比較厚，且混凝土導(dǎo)熱系數(shù)比較小，因此混凝土內(nèi)部的水化熱不易向外散發(fā)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度很高，而混凝土外部的水化熱容易向外散發(fā)，這樣使混凝土內(nèi)外形成溫差而產(chǎn)生溫度應(yīng)力?；炷羶?nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力（混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壓應(yīng)力），混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。這種由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的混凝土產(chǎn)生裂縫的重要因素顯然是水泥的水化熱。一般情況下，水泥在水化過程中產(chǎn)生的大量的熱量在澆筑完的三天之內(nèi)會釋放總量的1/2，而混凝土內(nèi)部最高溫度集中在3～5天，其溫度可達(dá)100℃～200℃，因此選用水化熱低的水泥，降低混凝土在澆注前的自身溫度，在滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下控制水泥用量、隔離混凝土和外界接觸、充分保持隔離層下混凝土的濕潤和溫度，是防止混凝土因水化過程產(chǎn)生的溫度應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫的有力措施。

（2）混凝土產(chǎn)生裂縫的另一種主要原因是內(nèi)外約束條件的限制。當(dāng)混凝土溫度上升時（即早期升溫時）產(chǎn)生的膨脹變形受到基坑四周磚胎膜和底部墊層混凝土（δ=300mm）的約束，形成壓應(yīng)力。由于混凝土的彈性模量小，因此壓應(yīng)力也較小。關(guān)鍵是當(dāng)溫度下降時，產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會出現(xiàn)垂直裂縫?；A(chǔ)埋深的溫度受外界溫度影響小，這一點(diǎn)實(shí)際上是控制溫度不會受外界影響迅速下降的有利因素。因此保證混凝土在硬化過程中其溫度平穩(wěn)下降，就保證了混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力不會超過混凝土的抗拉強(qiáng)度。

（3）大體積混凝土在施工期間，外界氣溫的變化對大體積混凝土成型質(zhì)量有著重大影響。混凝土的內(nèi)部溫度是由幾種疊加溫度構(gòu)成，其內(nèi)部熱量不易向外散發(fā)，因此外界溫度對其影響不大，關(guān)鍵是混凝土表層熱量容易向外散發(fā)，也同樣會很快接受外界溫度下降的現(xiàn)實(shí)，出現(xiàn)其表面溫度也很快下降，因此在混凝土配制中適量加入具有緩凝作用的外加劑，并在養(yǎng)護(hù)時采取措施控制混凝土內(nèi)外溫差也就控制了有害裂縫的出現(xiàn)。

（4）混凝土的收縮變形。除了混凝土塑性收縮外，混凝土硬化過程中其體積會發(fā)生變化，這是因?yàn)榛炷涟韬嫌盟兄挥?0%的水分是水泥水化所必需的，其余80%的都要蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部多余的水分蒸發(fā)，造成混凝土收縮。混凝土表面溫度低（相對混凝土內(nèi)部溫度），水分不充足（表面水分容易散失）因而水泥水化較慢，混凝土的收縮速度也慢。而混凝土內(nèi)部溫度高（相對混凝土外部溫度），水分充足（內(nèi)部水分不容易散失），因而水泥水化較快，混凝土的收縮速度也快?；炷羶?nèi)外因收縮不一致而使混凝土表面產(chǎn)生裂縫。防止這種裂縫的最好辦法：①保證連續(xù)澆筑，同時多次修整抹面。②及時進(jìn)行充分的保溫、保濕養(yǎng)護(hù)。③嚴(yán)格控制水灰比，減少用水量是控制其體積變形減小收縮應(yīng)力出現(xiàn)的重要因素。

3.混凝土裂縫防治措施和成果：

3.1大體積混凝土材質(zhì)及配合比要求：

（1）砂選擇Ⅱ區(qū)中砂，石子選5～30mm（泵送混凝土）連續(xù)級配（石子粒徑在符合規(guī)范條件下，體積相同時，粒徑越大，表面積越小，水和水泥用量越?。?。砂石的合理級配有利于增強(qiáng)混凝土和易性，降低水和水泥用量，減小混凝土的水化熱和凝結(jié)收縮時的泌水及干縮。

（2）砂石的含泥量：石子含泥量小于1%，泥塊含量小于0.5%，砂含泥量小于3%。砂石含泥量超標(biāo)會直接影響骨料與水泥的粘結(jié)，影響施工所需的和易性，又影響混凝土的水化熱和干縮。

（3）水泥選用水化熱低，初凝時間較長的礦渣硅酸鹽水泥。

（4）混凝土拌和用水采用潔凈的地下水，地下水溫度較低，有利于降低混凝土的澆筑溫度。

（5）在滿足工程設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量減少單位體積的水泥用量，以降低水化熱，以減少混凝土的應(yīng)力裂縫。

（6）為改善混凝土的和易性和操作條件，便于搗固，在混凝土中摻入減水劑、膨脹劑和泵送劑。減水劑利用表面活化作用，分散水泥顆粒，把水泥凝聚體中所包含的水釋放出來，使水泥達(dá)到充分的水化，因而可減少混凝土拌合水量，降低水灰比，可有效增大混凝土的坍落度，提高和易性，有利于混凝土強(qiáng)度的增長及物理性能的改善，減少混凝土的收縮。膨脹劑通過化學(xué)反應(yīng)使混凝土產(chǎn)生膨脹，可以抵消一部分混凝土在硬化過程中的收縮，且使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，防止混凝土的收縮裂縫。

3.2攪拌、運(yùn)輸措施：

（1）混凝土攪拌必須充分，不能有生料出倉。

（2）因澆筑混凝土?xí)r氣溫高達(dá)32℃，所以用地下水沖洗砂石（并隨時測定砂石的含水量）降低砂石溫度，且能減小砂石的含泥量。

（3）攪拌采用溫度較低的地下水，有利于降低混凝土的澆筑溫度。

（4）罐車運(yùn)輸，防止混凝土離析?；炷凉捃囋诘却铝系倪^程中用地下水沖澆混凝土罐體，有利于降低混凝土的澆筑溫度。

（5）混凝土運(yùn)輸應(yīng)盡量縮短時間及轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，混凝土一旦出現(xiàn)初凝現(xiàn)象應(yīng)做廢料處理。

（6）在混凝土泵管上覆蓋濕麻袋，避免泵管受太陽直射，促成輸送升溫現(xiàn)象。

3.3澆筑、測溫、養(yǎng)護(hù)措施

（1）項(xiàng)目部管理人員24小時輪流值守，澆筑點(diǎn)至少二人，負(fù)責(zé)指揮澆筑和振搗混凝土，保證各下灰點(diǎn)混凝土的連續(xù)澆筑。操作工人實(shí)行三班倒制度，現(xiàn)場人員必需充足，并有專人負(fù)責(zé)振搗流淌的混凝土。

（2）混凝土機(jī)械振搗時須依次振搗密實(shí)，防止漏振、欠振。

（3）成堆混凝土的攤平澆筑時：a.振動棒從混凝土堆的下部逐漸插向上部，避免在頂部振動攤平形成砂漿窩，影響質(zhì)量。b.插入混凝土中的速度要小于混凝土的流動速度，避免變成搗固，否則混凝土因振動時間過長會發(fā)生分離。c.為保證混凝土不漏振，底板大體積混凝土澆筑時派兩人專門搗固流淌的混凝土。d.澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)隨澆隨平，不得堆積在傾斜面上，澆混凝土?xí)r應(yīng)從低處開始，且澆筑面應(yīng)保持水平。

（4）混凝土澆筑時，振搗工作非常重要，振動棒的振動順序，依澆筑順序而定，并垂直于澆筑的前進(jìn)方向往返進(jìn)行。

（5）插點(diǎn)要均勻布置，逐漸移動，順序進(jìn)行，不得遺漏，振動棒的移置距離不得超過其振動半徑的1.5倍，間距50cm左右。

（6）一般將振動棒插入和抽出2-3次，垂直插棒，快插慢拔，逐點(diǎn)移動，每次插入抽拔時間為8-15s，以表面泛漿，不出現(xiàn)氣泡，無明顯下沉現(xiàn)象為宜。

（7）振動要盡量避免過分振搗，插入深度不超過振動棒長度的1.25倍，不得過深或太淺。

（8）混凝土在終凝前進(jìn)行多次抹壓，有利于防止混凝土表面收縮裂縫。

（9）混凝土抹壓完后須及時覆蓋麻袋薄膜進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。

（10）防雨措施：為防止?jié)仓^程中雨水侵入混凝土降低其表面的溫度，須在施工現(xiàn)場準(zhǔn)備足夠大的塑料布，一旦下雨，立即進(jìn)行覆蓋操作，已澆筑的混凝土表面再滿鋪一層塑料布。

（11）在混凝土澆筑時由于混凝土坍落度較大，攤鋪面積較寬，為保證初凝時間即可覆蓋第二層，在施工中采用分倉澆筑的辦法。即每20m在底板中加密目鋼絲網(wǎng)片，將其分隔澆筑。

（12）測溫a.根據(jù)工程項(xiàng)目的平面形狀尺寸、厚度等不同情況，合理、經(jīng)濟(jì)地布設(shè)測溫點(diǎn)，并測繪測溫點(diǎn)布置圖。b.溫度測點(diǎn)以集成溫度傳感器作感溫元件，在埋設(shè)前對感溫元件作環(huán)氧樹脂封閉，澆注前按測溫布置圖要求，對測點(diǎn)予以固定和保護(hù)，確保測溫工作順利進(jìn)行。c.每次測溫后，立即匯總整理混凝土內(nèi)部溫度場與溫差數(shù)值，提供給施工指揮部門，以指導(dǎo)現(xiàn)場的施工。

（13）采用薄膜和草墊進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，前后左右搭接（約100mm）覆蓋嚴(yán)密，因混凝土抹壓后薄膜覆蓋不及時導(dǎo)致表面失水過快的局部，可以在混凝土表面澆熱水（80℃以下）后迅速覆蓋薄膜和草墊。

（14）時刻觀測混凝土表面的濕潤程度（薄膜的內(nèi)表面必須有水珠），若混凝土表面干燥，必須在澆熱水養(yǎng)護(hù)后及時蓋上薄膜和草墊養(yǎng)護(hù)時間不得少于14天。

4.結(jié)論：

建筑施工中，大體積混凝土施工結(jié)構(gòu)裂縫的防治，直接關(guān)系到整個工程混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能。該工程實(shí)施時，針對大體積混凝土施工結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生機(jī)理和原因，制定實(shí)施了上述應(yīng)對措施，有效地防止了有害裂縫的出現(xiàn)，很好地保證了該工程大體積混凝土的施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]《建筑施工技術(shù)》（第三版），主編：李繼業(yè)，科學(xué)出版社2006年出版。

[2]《大體積砼施工規(guī)范》（GB50496-2009）。

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204—2002）

[4]韓亦斌：大體積混凝土施工中的溫度控制[J].施工技術(shù)，2002，8：51～52