淺談大體積混凝土裂縫成因及控制技術(shù)

李星

摘 要 大體積混凝土被廣泛應(yīng)用于建筑工程、水利工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，而大體積混凝土的開裂問題是長期困擾工程界的難點(diǎn)之一，本文簡要介紹了大體積混凝土的裂縫成因及控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞 大體積混凝土;裂縫成因;控制技術(shù);預(yù)防措施

1相關(guān)概念

目前，大體積混凝土并沒有統(tǒng)一的定義。我國《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496-2009里規(guī)定：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(huì)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，稱之為大體積混凝土。

在討論混凝土結(jié)構(gòu)裂縫之前，首先要明確“裂縫”的基本概念。裂縫通常是物體表面窄長形狀，可以用肉眼觀察到的間隙，這種間隙造成了材料的間斷和不連續(xù)。肉眼可見的“裂縫”的寬度一般都在0.05mm以上，可能引起觀感上的不安和疑慮。事實(shí)上，混凝土不同于鋼材、木材和其他建筑材料，它是多相體的非勻質(zhì)材料，由于其組成成分多樣化，以及特殊的結(jié)構(gòu)成型方式，決定了在混凝土中的裂縫是這種材料不可避免和與生俱來的現(xiàn)象。混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際上是帶裂縫承載受力的，這是工程界的共識(shí)，想要完全避免裂縫幾乎是不可能的，但是裂縫的寬度應(yīng)加以控制[1]。

2裂縫成因

混凝土裂縫成因復(fù)雜，主要機(jī)理為開裂驅(qū)動(dòng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因大概有以下四個(gè)方面：

（1）水泥水化熱。水泥在水化過程中要釋放出一定的熱量，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚，表面系數(shù)相對較小，所以水泥產(chǎn)生的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失。這樣混凝土內(nèi)部的水化熱無法及時(shí)散發(fā)出去，導(dǎo)致溫度不斷上升，使內(nèi)外溫差持續(xù)增大，產(chǎn)生溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。水化熱產(chǎn)生導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部最高溫度，多發(fā)生在澆筑后的最初3天至5天，以后逐漸降低。由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，澆筑初期混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都很低，對水化熱引起的急劇溫升約束不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小。隨著混凝土齡期的增加，彈性模量逐漸增大，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也就越來越大，導(dǎo)致產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗拉應(yīng)力時(shí)，便開始出現(xiàn)裂縫。

（2）混凝土的收縮變形。塑性收縮裂縫發(fā)生在混凝土硬化之前，混凝土仍處于塑性狀態(tài)。它的產(chǎn)生主要是上部混凝土的均勻沉降受到了限制，如遇有鋼筋或大的混凝土骨料，或者平面面積較大的混凝土，其水平方向的減縮比垂直方向更難時(shí)，就會(huì)形成不規(guī)則的深裂縫。這種裂縫通常是互相平行的，間距為0.2～1m左右，并且有相當(dāng)?shù)纳疃取?/p>

干燥收縮。混凝土中80%的水分要蒸發(fā)，約20%的水分是水泥硬化所必需的。而最初失去的30%自由水分幾乎不引起收縮，隨著混凝土的繼續(xù)干燥而使20%的吸附水逸出，就會(huì)出現(xiàn)干燥收縮。而表面干燥收縮快，中心干燥收縮慢。由于表面的干縮受到中心部位混凝土的約束，因而在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。

（3）外界氣溫變化。大體積混凝土在施工階段，常受外界氣溫變化的影響。一般而言，外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也愈高。當(dāng)氣溫下降，特別是氣溫驟降，會(huì)大大增加外層混凝土與混凝土內(nèi)部的溫度梯度，因而會(huì)造成溫差和溫度應(yīng)力，使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。

（4）約束條件。大體積混凝土因溫度變化而發(fā)生變形也要受到不同程度的約束，限制其變形，因而產(chǎn)生了約束應(yīng)力。大體積混凝土與地基澆筑在一起，早期混凝土溫度上升時(shí)，混凝土膨脹受到地基約束會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力;當(dāng)后期溫度下降時(shí)，混凝土收縮受到地基約束便會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于混凝土的抗壓性能優(yōu)于抗拉性能，所以在受壓時(shí)一般不會(huì)出現(xiàn)裂縫，而在受拉時(shí)，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在混凝土中出現(xiàn)垂直裂縫[2]。

3裂縫預(yù)防和控制措施

大體積混凝土的裂縫的出現(xiàn)破壞了結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，一旦出現(xiàn)大的裂縫很難修復(fù)，因此對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，應(yīng)以預(yù)防為主?？偨Y(jié)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，為了預(yù)防和減少大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)從以下幾方面著手：

3.1 選擇合理的結(jié)構(gòu)形式

（1）結(jié)構(gòu)形式對溫度應(yīng)力和裂縫具有重要影響。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分重視結(jié)構(gòu)形式對溫度應(yīng)力和裂縫問題的影響，特別在寒冷地區(qū)，應(yīng)盡量少用對溫度變化敏感的薄壁結(jié)構(gòu)。

（2）澆筑塊尺寸對溫度應(yīng)力有重要影響。澆筑塊越大，溫度應(yīng)力也越大，越容易產(chǎn)生裂縫。因此，合理的分縫分塊對防止裂縫有重要意義。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，當(dāng)澆筑塊平面尺寸控制在15m×15m左右時(shí)，溫度應(yīng)力比較小，基礎(chǔ)約束高度也只有3～4m。在氣候溫和地區(qū)，產(chǎn)生裂縫的可能性較小;但在寒冷地區(qū)，由于溫差過大，這種尺寸的澆筑塊仍然難免出現(xiàn)大量裂縫，需要采取嚴(yán)格的保溫措施。

在同一澆筑塊內(nèi)應(yīng)避免基礎(chǔ)過大的起伏，在結(jié)構(gòu)形式上應(yīng)盡量避免或減緩應(yīng)力集中。

3.2 選擇混凝土原材料、優(yōu)化配合比

選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比，使混凝土具有較大的抗裂能力，即要求混凝土絕熱溫升小、抗拉強(qiáng)度大、極限拉伸變形能力大、線脹系數(shù)小、自生體積變形小。

（1）選擇水泥。水泥應(yīng)盡量采用低水化熱和安定性好的水泥，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，盡量減少水泥用量。當(dāng)環(huán)境水具有硫酸鹽侵蝕性時(shí)，應(yīng)采用抗硫酸鹽水泥。

（2）摻用混合材料。摻用混合材料的目的是降低混凝土的絕熱溫升、提高抗裂能力。常用的混合材料有礦渣、粉煤灰、燒黏土等。

（3）摻用外加劑。外加劑減水劑、引氣劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑等。

（4）優(yōu)化砼配合比。在保證混凝土強(qiáng)度及流動(dòng)性條件下，盡量節(jié)省水泥，降低混凝土絕熱溫升。

3.3 嚴(yán)格控制混凝土溫度，減小基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差及表面溫度驟降

（1）降低混凝土澆筑溫度。通過冷卻拌和水、加冰、預(yù)冷骨料等辦法降低混凝土出機(jī)口溫度，采用加大混凝土澆筑強(qiáng)度、倉面保冷等方法減少澆筑過程中的溫度回升。

（2）水管冷卻。在混凝土內(nèi)埋設(shè)水管，通低溫水以降低混凝土溫度。

（3）表面保溫。在混凝土表面覆蓋保溫材料，減少內(nèi)外溫差，降低混凝土表面溫度梯度。

在混凝土澆筑時(shí)，做到薄層、短間歇、均勻上升，利用低溫季節(jié)澆筑基礎(chǔ)部分混凝土。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，嚴(yán)格控制溫度。

4結(jié)束語

雖然大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因很多，但只要嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范施工，深入探索裂縫產(chǎn)生的原因，及早采取相應(yīng)的預(yù)防措施，就可以有效的控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫。

參考文獻(xiàn)

[1] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：77-78.

[2] 何星華，高小旺.建筑工程裂縫防治指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：51.