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摘要：伴随着社会的进步和发展,,建筑工程中大体积混凝土应用越来越多, 而在施工中较为容易出现裂缝的问题。本文主要对大体积混凝土产生裂缝的原因及措施进行分析。
关键词：大体积混凝土 裂缝 控制措施
1 大体积混凝土产生裂缝的分析
1.1 水化热的影响
大体积砼中主要温度升高因素是水泥水化热。砼在硬结过程中，由于水泥的水化作用，大量的水化热是在初始几天产生的，水泥在水化反应过程中会产生大量的热量从而导致砼温度升高。这也是大体积砼内部温升的主要热量来源。试验可以证明每克普通硅酸盐水泥放出的热量可达 500J。由于大体积砼主要外观特点即截面尺寸大，水化热聚集在结构内部不容易散发出去，所以会引起砼结构内部急骤升温。而建筑工程中一般为 20~30℃，有的甚至更高。试验表明，水泥水化热在 1~3 天内放出的热量最多。如图 1，大约占总热量的 50%左右，砼浇筑后的 3~5 天内，内部温度最高。
在升温阶段，砼未充分硬化，弹性模量小，因此拉应力较小，只引起砼表面裂缝。随着龄期的增长，砼弹性模量和抗压、抗拉强度相应不断提高，对砼降温收缩变形的约束也愈来愈强，导至产生较大拉应力。当砼抗拉强度不足以抵抗此拉应力时，温度裂缝便出现。如图2 所示。
图 2 砼内外温差产生的应力
水泥水化热引起的绝热温升与单位体积的水泥用量、砼结构的截面尺寸和水泥品种有关。砼结构的水泥用量愈多，截面尺寸愈大，水泥早期强度愈高，砼结构的内部温升就愈快。因此降温导致收缩产生的拉应力较大，比较容易在砼中心部位形成较高拉应力区，当砼拉应力大于此龄期砼的抗拉强度时，大体积砼便产生贯穿裂缝。
1.2 内外约束的影响
实践中各种结构会受到一定的约束，砼结构在变形变化中，必然会受到一定的约束，从而阻碍其自由变形，通常把阻碍变形的因素称之为约束条件。大量研究资料表明，在全约束的条件下，砼的结构变形是温差和砼线膨胀系数的乘积，即=ΔΤ·α。显然，当超过砼的极限拉伸值时砼便出现裂缝。砼温度膨胀系数α一般为 10×10-6/℃，极限拉伸值一般在 50~100×10-6之间，此时容许砼的内外温差值应在 5~10℃，而实践证明，多数工程砼的温差一般在 20~25℃尚未开裂。通过分析认为这主要因为结构物不可能受到约束，而处于绝对自由状态，砼也不可能完全没有徐变和塑性变形的缘故。
1. 3 外界气温变化的影响
在施工阶段，外界气温的变化对防止大体积砼开裂有着重大影响。外界气温愈高，砼的浇筑温度也就愈高；如果外界温度下降，又增加砼降温的幅度，特别是气温骤降，会大大扩大外层砼与砼内部的温度梯度，因而会导致过大的温度应力，容易使大体积砼结构出现裂缝。砼的内部温度是由三部分温升叠加而成，即水化热的绝热温升、浇筑温度和结构物的散热温度的叠加，由于温度应力是由温差所引起的温度变形造成的，故温差愈大，温度应力也愈大。在高温条件下，大体积砼由于尺寸较大，不容易散热，砼内部的最高温度一般可达 60~65℃，有的工程竟高达 90℃以上，（如金茂大厦基础承台砼最高温度为 97.5℃），且一般有较长的持续时间。由于防止砼内外温差引起的过大温度应力，对于防止砼裂缝的产生十分重要，因此本文重点研究综合采取合理的温度控制措施，达到控制大体积砼裂缝的目的。
1.4 混凝土的收缩变形影响
“自生体积变形”即砼水化作用时产生的体积变形。 这种变形主要取决于胶凝材料的性质，对于普通水泥砼来说，少数为膨胀变形，大多数为收缩变形，一般在±50×10-6范围内。
砼的收缩机理比较复杂，其最主要原因，笔者认为可能是内部空隙水蒸发变化时引起的毛细管引力（混凝土中约 20%的水分是水泥硬化所必须的，约 80%的水分要被蒸发掉）。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果砼收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原来的体积。干湿交替将引起砼体积的交替变化，是很不利的。
2 大体积混凝土温度裂缝控制措施
2.1 大体积混凝土开裂分析
由大体积砼裂缝产生的机理，可以得出：当(t)> σ(t)时，砼就不会开。其中：(t)是砼在 t 龄期时的抗拉强度；
(t)是由整体变形受到外约束引起的应力(t)和内部质点与表面质点不均匀变形受内约束引起的应力(t)组成。
即：(t)=(t)+(t)
应力(t)是由中心温度与表面温度之差 △T(t)产生的相对变形受内约束引起的。
应力(t)是由砼内部从最高温度降至环境温度(t)产生的收缩受到外约束的阻滞而引起的。其温降值 △T 为：
△T(t)=[ +T(t)-Ts(t)-Td(t)]max-(t)|t=t0 （1）
式中：Td(t)—非温度收缩因素产生的收缩当量温度；
(t)—环境温度值；
t0—砼中心温度降至环境温度时的时间参数值；
(t)= (t)+(t)+(t)-(t)
式中：
(t)—总温降收缩受约束产生应力；
(t)—收缩变形受约束产生的应力；
(t)—其它次要因素产生的应力；
(t)—徐变释放的应力；
所以，只要满足下式时，大体积砼就不会产生温度裂缝。
(t)＞(t)+(t)+(t)+(t)-(t) （2）
分析公式（1）式可得到以下结论：
①由公式（1）左边可知，控制大体积砼开裂的决定因素是砼的抗拉强度要大于各种因素引起的开裂应力；②由公式（1）右边可知，降低总温度应力、内部与外部温差应力，砼收缩应力，加强砼变形能力，改善徐变与松弛能力，也可以控制大体积砼开裂；③砼温度应力取决于砼浇筑温度，水泥水化热和砼表面温度。即通过优化砼配比，选择水泥品种，改善砼养护条件，亦可达到控制大体积砼裂缝的目的。
2.2 混凝土材料选择控制
搅拌大体积砼时应优选材料以降低砼水化热温升。
(1) 选用水化热较低的水泥
由于矿物成分及掺加混合材数量不同，水泥的水化热差异较大。混合材料量多的水泥水化热较低；铝酸三钙(C3A)和硅酸三钙(C3S)含量高的，水化热较高,当有抗渗要求时含量不能高于 8%。为降低水化温升、减小体积变形，大体积混凝土一般不应使用水化热高的水泥，如硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，应使用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥；同样，也不应使用早强型水泥。因此，在满足砼设计要求的前提下，应尽可能采用低水化热水泥。
(2) 降低水泥用量
水泥水化产生的水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。干湿变化和化学反应也会造成体积变化，但通常都远小于水泥水化热产生的体积变化。因此，除采用水化热低的水泥外，要减少温度变形，还应尽可能地降低水泥用量。
(3) 掺加矿渣粉和粉煤灰等掺合料
掺加磨细矿粉可显著减少单方砼的用水量、水泥量，降低水灰比，延缓凝结时间，提高早强，获得高强，抑制水泥初期水化热，推迟热峰出现时间，提高砼的抗裂能力，防止或减少砼早期裂缝，避免冷缝。提高密实性、抗透水性、抗渗性。抑制碱骨料反应的产生。发挥其填充作用、火山灰效应及微珠效应。提高砼的施工工作性能，改善和易性、聚粘性、保水性，提高坍落度，并控制坍落度损失，提高砼车送、泵送性。
掺加粉煤灰有以下优势：首先，粉煤灰的水化热远小于水泥，实验表明 28 天约为水泥的 1/2。其次，优质粉煤灰，有减水作用，可降低砼的单位用水量和水泥用量；还可减小砼的自生体积收缩，有的还略有膨胀，有利于防裂。再次，掺粉煤灰还能抑制碱-骨料反应并防止因此产生的裂缝。大体积砼的强度通常要求较低，允许掺较多的粉煤灰，但粉煤灰掺量不宜超过胶凝材料用量的 40%。
(4) 优化砼的骨料粒径和级配
尽可能采用大的骨料最大粒径。最大粒径越大，骨料的空隙率和表面积越小，细骨料宜采用中砂，其细度模数宜大于 2.3，砼的水泥浆及水泥用量就越小。并严格控制骨料含泥量，含泥量不应大于 1.5%。
(5) 合理选用外加剂
施工前外加剂的品种、掺量应根据工程所用胶凝材料经试验确定，并要求提供外加剂对硬化混凝土收缩等性能的影响。掺减水剂主要是为有效地降低砼的单位用水量，水胶比不变的情况下降低水泥用量。减水剂的缓凝作用，在大体积砼施工过程中可以避免冷接缝，提高了工作性及流动性，且对收缩及抗拉强度几乎没有什么影响。一定程度上可以延迟水化热释放速度，也有所降低热峰。
2.3 施工阶段控制
(1) 混凝土配合比的优化确定
夏季大体积砼施工之后容易出现裂缝的原因较为复杂，但主要有以下三个方面的因素引起的裂缝必须控制，即：砼温升阶段由内外温差导致的表面裂缝；由碱集料反应使砼产生的裂缝；由砼失去水分形成的收缩裂缝等。针对上述引起的砼裂缝的因素在配合比设计时采取技术措施，总结和借鉴以往工程经验，针对工程的特点、难点和现场实际情况，应进行大量的、细致的工作，经过多次优化，减小单方砼中的水泥用量。控制水灰比及砂率。砼配合比的设计的基本要求是：水灰比控制在 0.40-0.43；砂率在 38％-42％范围内；拌和水用量不宜大于 175kg/m3；抗渗等级比设计要求提高一级(0.2Mpa)；砼初凝时间在 11h-12h 以上；采用掺加 I 级粉煤灰和适量 S95 磨细矿粉及外加剂；
采用 60d 强度评定砼的强度等级；砼的碱含量不大于 3kg／m3。
(2) 降低骨料温度及砼入模温度
①提高骨料堆放高度，并在料仓和砼运输车辆上搭设防晒棚。②尽量降低库房温度，水泥在搅拌站的入机温度不应大于 60℃。③炎热天气浇筑混凝土时，宜采用遮盖、洒水、拌冰屑等降低混凝土原材料温度的措施，混凝土入模温度宜控制在 30℃以下；冬期浇筑混凝土，宜采用热水拌和、加热骨料等提高混凝土原材料温度的措施，混凝土入模温度不宜低于5℃。④混凝土宜采用二次振捣工艺。
(3) 混凝土表面保温措施
保温的目的是减少砼表面与内部温差及表面砼温度梯度，防止表面裂缝的发生。其基本原理是利用砼的初始温度加上水泥水化热的温升，在缓慢的散热过程中通过人为控制，使砼获得必要的强度。
刚浇筑的砼，强度低，抵抗变形能力小，如遇到不利的温湿度条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。如有条件，应设计永久性保温、保湿层，以防止结构在正常使用期间受寒潮袭击而开裂。
塑料薄膜、麻袋、阻燃保温被等，可作为保温材料覆盖混凝土和模板，必要时，可搭设挡风保温棚或遮阳降温棚。在保温养护过程中，应对混凝土浇筑体的里表温差和降温速率进行现场监测，当实测结果不满足温控指标的要求时，应及时调整保温养护措施。
3 结束语
本文通过探讨了大体积混凝土裂缝的原因，例如：混凝土收缩水泥水化热等。与此同时，也充分了解到想要让大体积混凝土裂缝得到有效控制，就应该对大体积混凝土采用原材料的选择控制，也需要对大体积混凝土在施工阶段进行控制措施。
论文作者:申世卫
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期
论文发表时间:2015/10/13
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