大体积混凝土裂缝产生的原因及控制

(中铁六局 呼和浩特铁路建设公司，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章从大体积混凝土结构的特点入手，简要说明 裂缝的种类和危害后果，分析了建筑结构中大体积混凝土裂缝产生的主要原因，指 出 通过改变大体积混凝土中使用水泥的品种及用量、掺加外加料和外加剂、控制骨料质量、优 化大体积混凝土的设计可以有效的控制裂缝的发生，重点说明了大体积混凝土施工中通过施 工工艺的改变可以有效防止和控制裂缝的发生。
关键词：大体积混凝土；裂缝；质量控制
中图分类号：TU528  文献标识码：B  文章编号：1007—6921(2008)15—0105—03

随着社会经济的快速发展，现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工,如高层楼房基础、大 型设备基础、铁路桥梁结构等，大体积混凝土在建筑结构中的应用越来越多。
1 大体积混凝土简述

大体积混凝土的定义，目前世界各国解释不尽一致，日本建筑学会定义为：“结构最小断面 尺寸在80 cm以上，同时水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混 凝土，称之为大体积混凝土。”原苏联规范规定：“夏期施工时，浇筑表面系数大于3的结 构物，混凝土拌合物从搅拌站运出时的温度应不超过30℃～35℃。”

我国在《普通混凝土配合比设计规范》(JGJ/T55)中对大体积混凝土解释为：混凝土结构 物中实体最小尺寸不小于或等于1 m，或易引起裂缝的混凝土。美国混凝土学会规定为：任 何就地浇筑的大体积混凝土，必须采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大 限度减少开裂。

目前，国内外对机械荷载引起的开裂问题研究得较为透彻。而对温度荷载引起得有关裂缝的 研究尚不充分。应对此加以重视，防止危害结构的裂缝产生。另外对于大体积混凝土内温度 应力与裂缝控制也多集中在水利工程中的大坝、高层建筑的深基础底板。而对于铁路桥梁中 大体积混凝土的裂缝的研究并未得到足够的重视。现在此对其进行分析，以探讨裂缝出现的 原因及控制措施。
2 大体积混凝土裂缝产生的原因
2.1 大体积混凝土结构通常具有以下特点

混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1／10左右。大体积混凝土的断面尺寸较大， 由于水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升；以及在以后的降温过程中，在一定的约束 条件下会产生相当大的拉应力。大体积混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋，或者不配 钢筋。因此，拉应力要由混凝土本身来承担。

大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿 裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。它切断了结构的断面，可能 破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的；而深层裂缝部分地切断了结构断面，也 有一定危害性；表面裂缝一般危害性较小。出现裂缝并不是绝对影响结构安全，它都有一个最大允许值。处于室内正常环境的一般构件 最大裂缝宽度≤0.3mm；处于露天或室内高湿度环境的构件最大裂缝宽度≤0.2mm。

对于地下或半地下结构，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般当裂缝宽度在0.1～0.2mm 时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈。如超过0.2～0.3mm，则渗漏 水量将随着裂缝宽度的增加而迅速加大。所以，在地下工程中应尽量避免超过0.3mm贯穿全 断面的裂缝。如出现这种裂缝，将大大影响结构的使用，必须进行化学灌浆加固处理。

大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，一方面是混凝土内部因素：由于内外温差而产生 的；另一方面是混凝土的外部因素：结构的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止混凝土 收缩变形，混凝土抗压强度较大，但受拉力却很小，所以温度应力一旦超过混凝土能承受的 抗拉强度时，即会出现裂缝。这种裂缝的宽度在允许限值内，一般不会影响结构的强度，但 却对结构的耐久性有所影响，因此必须予以重视和加以控制。
2.2 产生裂缝的主要原因有以下几方面
2.2.1 水泥水化热的影响

水泥水化过程中放出大量的热，而大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水 泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去，以至 于越积越高，使内外温差增大。且主要集中在浇筑后的最初3～5天左右，一般每克水泥可以 放出500J左右的热量，如果以水泥用量350Kg/m3～550 Kg/m3来计算，每立方米混凝土将放 出17500KJ～27500KJ的热量，从而使混凝土内部升高(降温管出水温度可达70℃左右，甚至 更高)。尤其对于大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。因为混凝土内部和表面的散热条 件不同，因此混凝土中心温度很高，这样就会形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表 面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。单位时间 混凝土释放的水泥水化热，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄 期而增长。
2.2.2 外界气温变化的影响。大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的 影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温 度叠加之和组成。温度应力是由于温差引起温度变形造成的；温差愈大，温度应力也愈大。 同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达60～65℃， 并且有较长的延续时间。因此，应采取温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的温度应力 。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。尤其在 北方地区昼夜温差大，遇到气温骤降时，会大大增加内外层混凝土温差，这对大体积混凝土 是极为不利的。
2.2.3 混凝土的收缩。

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土中约20%的水分是水泥硬化 所需的，而约80%的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的 主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形，受到 外部约束时(支承条件、钢筋等)，将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝 土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝 固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。如 果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替会 引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有 很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。

影响混凝土收缩，主要是水泥品种、混凝土配合比、外加剂和掺合料的品种以及施工工艺( 特别是养护条件)等。
2.2.4 其他原因

①设计结构中的断面突变而产生的应力集中所产生的构件裂缝。②设计中对构件施加预应力不当，造成构件的裂缝(偏心、应力过大等)。③设计中采用的混凝土等级过高，造成用灰量过大，对收缩不利。④粗细集料含泥量过大，造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间 断级配，容易造成混凝土收缩的增大，诱导裂缝的产生。⑤骨料粒径越细、针片含量越大，混凝土单方用灰量、用水量增多，收缩量增大。⑥混凝土外加剂、掺和料选择不当、或掺量不当，严重增加混凝土收缩。⑦周围环境影响，酸、碱、盐等对构筑物的侵蚀，引起裂缝。⑧现场浇捣混凝土时，振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快，均会影响混 凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生。⑨现场养护措施不到位，混凝土早期脱水，引起收缩裂缝。10现场模板拆除不当，引起拆模裂缝或拆模过早。
3 大体积混凝土裂缝的控制
3.1 大体积混凝土中水泥的品种及用量

理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。水 泥应根据结构的要求选择合适的品种、等级，尽量选用低水化热、凝结时间长的水泥，避免 采用早强高的水泥。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物 中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙(C3A)，其他成分依次为硅酸三钙(C3S)、硅 酸二钙(C2S)和铁铝酸四钙 (C4AF)。另外，水泥越细发热速率越快，但是不影响最终发 热量。因此在大体积混凝土施工中应尽量优先采用中热硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤 灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。充分利用混凝土的后期强度，以减少水泥的用量。 因为大体积混凝土施工期限长，不可能28d向混凝土施加设计荷载，因此建议在设计中考虑 采用56天龄期混凝土强度值作为设计值，以减少混凝土单方用灰量。这一点，很多专家均提 出类似的建议。这样充分利用后期强度每立方混凝土可以减少水泥40 Kg～70 Kg左右，混凝 土内部的温度相应降低4℃～7℃。

但是，水化热低的矿渣水泥的析水性比其他水泥大，在浇筑层表面有大量水析出。这种泌水 现象，不仅影响施工速度，同时影响施工质量。因析出的水聚集在上下两浇筑层表面间，使 混凝土水灰比改变，而在掏水时又带走了一些砂浆，这样便形成了一层含水量多的夹层，破 坏了混凝土的粘结力和整体性。混凝土泌水性的大小与用水量有关，用水量多，泌水性大； 且与温度高低有关，水完全析出的时间随温度的提高而缩短；此外，还与水泥的成分和细度 有关。所以，在选用矿渣水泥时应尽量选择泌水性的品种，并应在混凝土中掺入高效减水剂 ，以降低用水量。在施工中，应及时排出析水或拌制一些干硬性混凝土均匀浇筑在析水处， 用振捣器振实后，再继续浇筑上一层混凝土。
3.2 掺加外加料和外加剂

积极采用掺合料和混凝土外加剂。掺合料和外加剂目前已作为混凝土的第五、六大组份，在 大体积混凝土中掺入一定量的掺合料后，可以明显地起到降低水泥用量、降低水化热、增加 混凝土的密实度、提高抗渗能力、改善混凝土的工作度、降低最终收缩值和混凝土成本的作 用。大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下，应提高掺合料及骨料的含量或 采用掺合料双掺技术，降低大体积混凝土的水泥水化热引起的内部温升，防止结构出现温度 裂缝。

外加剂在保证坍落度的条件下，宜采用缓凝剂和高效减水剂，这样可以延缓水化热的峰值期 并改善混凝土的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的。
3.3 大体积混凝土的骨料控制

在骨料的选择上应该选取粒径大强度高级配优良的砂、石原材料，含泥量应符合规范要求， 粗骨料宜采用连续级配，细骨料宜采用中砂。这样可以获得较小的空隙率及表面积，从而减 少水泥的用量，降低水化热，减少干缩，减小了混凝土裂缝的开展。

配合比设计人员应深入施工现场，依据施工现场的浇捣工艺、操作水平、构件截面等情况， 合理选择好混凝土的设计坍落度，针对现场的砂、石原材料质量情况及时调整施工配合比， 协助现场搞好构件的养护工作。
3.4 优化大体积混凝土的设计

虽然大体积混凝土不布置钢筋或者布筋较少，但可以在裂缝易发生部位布置一些钢筋，从而 让钢筋代替混凝土承担拉应力，这样可以有效的控制裂缝的发展。为了避免裂缝的出现，在 设计中利用中低强度的水泥充分利用混凝土的后期强度。在工程结构设计中要特别注意降低 结构的约束度。对于混凝土中钢筋保护层的厚度应当尽量取较小值，因为保护层的厚度愈大 愈容易发生裂缝。
3.5 大体积混凝土的施工
混凝土施工包括混凝土的生产、运输、浇筑和养护，是控制大体积混凝土温度裂缝的关键环 节。
3.5.1 温度力的控制手段主要是控制混凝土的内外温差△T

△T＝T_p＋T_r－T_f

式中：T_p—起始浇筑温度；T_r—水泥水化温升；T_f—天然或人工冷却后浇筑块的稳定 温度。

在温度较高的情况下进行施工，要注意降低混凝土浇筑时的温度。可以在施工现场对堆在露 天的砂石用布覆盖，以减少阳光对其的辐射，同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程 中向混凝土中添加冰水。以上这些措施都可以有效的降低混凝土的入模温度。在混凝土构件 内部通入冷却循环水，采用循环法保温养护，以便加快混凝土内部的热量散发。混凝土表面 应该覆盖一些织物进行保温、保湿养护，这样不但可以降低混凝土内外温差，防止表面产生 裂缝，还可以防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝，并且还可以使水泥顺利水化，防止产生湿 度裂缝。为了及时掌握混凝土内部温升与表面温度变化值，可以在混凝土内埋设一定量的测 温点，从而可以更好的了解混凝土的温度变化情况，一旦内外温差超过允许值25℃，便于及 时采取措施。

如果是在冬季进行施工，因为要防止早期混凝土受冻问题，所以要求混凝土浇筑时应该具有 较高的浇筑温度。但另一方面，正是由于天气寒冷，混凝土稳定温度一定较低，往往超过允 许温差，不能防止混凝土裂缝要求。所以，混凝土浇筑温度在冬季施工时一般以5℃～10℃ 为宜，在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁预热，对原材料应视气温高低 进行加热。加热石料时应避免过热和过分干燥，最高温度不应超过75℃。另外还要注意运输 中的保温、浇筑过程中减少热量的损失以及保温养护。
3.5.2 大体积混凝土常采用的浇筑方法有以下几种
3.5.2.1 全面分层。即在第一层全面浇筑全部浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝 ，如此逐层连续浇筑，直至完工为止。采用这种方案，适用于结构的平面尺寸一般不宜太大 ，施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段，从中间向两端或从两端向 中间同时进行浇筑。
3.5.2.2 分段分层。混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层 。由于总的层数较多，所以浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可以从第二段依 次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，不象第一种方案那样集中 。这种方案适用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。
3.5.2.3 斜面分层。要求斜面的坡度不大于1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下 端开始，逐渐上移。
353 浇捣工作。浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振 ，应提倡采用二次振捣、二次抹面或压面技术，以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。
3.5.4 大体积混凝土养护时的温度控制。大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过人工的温度控制，防止因温度 变形引起混凝土的开裂。

温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行人为的控制。

在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点：①混凝土的内部温度与表面温度之差、混凝 土表面温度与环境温度之差均应大于20℃；养护 时间不低于14天，当掺用掺和料时，不低于21天。②混凝土拆模时，混凝土的温差不超过20 ℃。其温差应包括表面温度、芯部温度和外界气温之间的温差。
4 结语

综上所述，虽然大体积混凝土很容易产生裂缝，但是大量的科学研究以及成功的工程实例都 表明：只要在配合比设计、施工工艺、材料选择以及后期的养护过程中能够充分考虑的各种 因素的影响，还是可以避免危害结构的裂缝的产生。随着当今对混凝土耐久性研究的不断深 入，材料科学的不断发展和建筑技术水平的不断提高，相信混凝土裂缝问题将会逐渐得以圆 满地解决。
［参考文献］
［1］ 严家.道路建筑材料［M］.北京：人民交通出版社出版，2003.
［2］ 铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准［M］.北京：中国铁道出版社，2007 .
［3］ 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准［M］.北京：中国铁道出版社，2006.