大体积混凝土常见裂缝分析及预防控制措施

刘 印 （上海建科工程咨询有限公司，上海 200032）

0 前 言

按照《大体积混凝土规范》（GB50496-2009），大体积混凝土是指最小几何尺寸大于1 m 以上的混凝土结构。与普通钢筋混凝土相比,具有体积大、结构厚、混凝土量大、工程条件复杂和施工技术要求高等特点。

随着我国建筑业的快速发展，大体积混凝土在工程中的应用也日益增多，比如水利水电工程中的混凝土大坝、高层建筑的地下室混凝土底板以及许多大型设备的基础承台等均采用大体积混凝土浇筑而成。由于大体积混凝土结构断面尺寸大，混凝土浇筑后，水泥水化产生大量的水化热，内部温度急剧上升，与混凝土表面及周围环境形成较大温差，在一定约束条件下产生相当大的拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就可能产生裂缝。裂缝一旦形成，特别是重要的结构部位出现贯穿裂缝，危害极大，不仅会降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，同时还可能危害到构造物的安全使用。因此，有必要对大体积混凝土裂缝产生的原因及预防措施进行分析研究。

1 裂缝的类型及原因

形成混凝土裂缝的因素有很多，由于受到不同因素的影响会形成不同的裂缝，混凝土裂缝按其成因大体可分为两类：收缩裂缝；温度裂缝。收缩是混凝土的固有特性，收缩裂缝又可细分为塑性收缩裂缝、塑性沉降裂缝、自生收缩裂缝以及干燥收缩裂缝等。

1.1 塑性收缩裂缝

塑性收缩是新拌混凝土由于表面水分蒸发引起的收缩。新拌混凝土颗粒之间的空间完全充满水,当遇上高风速、低相对湿度、高气温和高温度的混凝土时，浆体表面水分不断蒸发，这时产生毛细管负压力，即基质吸力。随着蒸发的继续发展,毛细管负压逐渐增大,产生收缩力,使浆体收缩,当收缩力大于基体的抗拉强度时,混凝土表面发生开裂。 塑性收缩裂缝常见于新浇筑的暴露于空气中的混凝土构件表面，尤其是大块板面，如道路、地坪和楼板等，以夏季施工最为普遍。

气温、相对湿度与风速等环境条件影响水分蒸发量，因而对混凝土塑性收缩有重大影响，其中尤以相对湿度的影响最为主要。在具体工程实践中，建议新拌混凝土的蒸发速度如接近1kg/m2·hr 时，就应采取预防措施以对付塑性收缩开裂的可能性， 如果是水灰比低于0.4 的混凝土， 蒸发速度应控制在0.5kg/m2·hr 以下。此外，影响混凝土塑性收缩还包括水灰比、细掺料、浆骨比、混凝土的温度和凝结时间等内部因素。

1.2 塑性沉降裂缝

在新拌混凝土中，由于骨料的重量密度大于水泥浆体，所以骨料在浆体中有下沉趋势。当垂直下沉的固体颗粒遇到水平设置的钢筋或紧固螺栓等埋设件，或受到侧面模板的摩擦阻力时，就会受到阻拦并与周围的混凝土形成沉降差，结果在混凝土顶部表面处产生塑性沉降裂缝。此外，如果同时浇筑梁、板或柱(墙)的混凝土，由于这些构件的深度不同，有着不同的沉降，从而在这些构件交接面处形成沉降差并产生塑性沉降裂缝。塑性沉降裂缝与混凝土的坍落度有关，坍落度愈大沉降开裂的可能性愈大。在接近表面的水平钢筋上方最容易形成沉降裂缝，并随钢筋直径加粗和保护层减薄而趋于严重。

1.3 自生收缩裂缝

在已硬化的水泥浆体中，未水化的水泥继续水化是产生自生收缩的主要原因。水化使孔隙尺寸减小并消耗水分，如无外界水分补给，就会引起毛细水负压使硬化水化产物受压产生体积变化即自生收缩。自生收缩主要发生在混凝土硬化的早期，一般认为混凝土在开始凝结后的几天或十几天内即可完成自生收缩。影响混凝土自生收缩裂缝的因素主要有：水灰比、水泥类型、水泥矿物组分、矿物掺合料、高效减水剂和水泥细度等。水灰比越低，自生收缩越大；掺加粒化高炉矿渣及硅粉更能加大自生收缩；水泥细度增加，早期自收缩值明显增加。为了控制自生收缩，需要在混凝土硬化一开始就加水养护。防止塑性干缩的一些措施大都有利于改善和控制自生收缩。

1.4 干燥收缩裂缝

干燥收缩裂缝是指混凝土硬化过程中，由水分不断蒸发干燥而引起的裂缝。混凝土干燥收缩主要由水泥石的干燥收缩造成。混凝土的干燥收缩由外向内、由表及里逐渐发展,过程非常缓慢,即使达到28d 龄期也不能说已经终止，有的工程可以持续若干年甚至几十年。干缩裂缝一般产生在表层,裂缝细微,宽度通常在0.05mm～0.2mm 之间，纵横交错呈龟裂状,常常不为人们所重视,但是干缩裂缝会加快混凝土碳化,导致钢筋锈蚀,不仅会严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久性,对大体积混凝土而言,表面裂缝会发展成为更严重的裂缝,影响结构的耐久性和承载能力。

影响混凝土干燥收缩的因素主要有水泥品种和用量、骨料品种和用量、用水量、外加剂、粉煤灰等火山灰质掺和料、混凝土的施工、环境条件、构件尺寸等。

1.5 温度收缩裂缝

混凝土在硬化过程中，水泥水化会产生大量的水化热，导致大体积混凝土内部温度迅速升高。 由于混凝土的导热性能差，内部的热量不易传至表面挥散出来，所以，在混凝土的结构表面和内部以及混凝土与外部环境之间存在较大温差，当温度拉应力超过混凝土的极限拉应力时，混凝土即出现开裂。

由以上分析可知，由于材料质量及材料化学反应的影响，混凝土难免会产生裂缝， 而从钢筋混凝土结构变形的角度考虑，在可控范围内的裂缝也是允许的。世界各国对混凝土都有一个允许裂缝宽度的限制，如新西兰规范对干燥环境下的允许裂缝宽度为0.4mm，我国为0.2mm～0.3mm，美国ACI224 委员会规定的裂缝允许宽度为：干燥空气中0.4mm；潮湿空气或土中0.3mm；有除冰盐作业时0.175mm 等。

裂缝也可以自行愈合，其机理是硬化水泥浆液中的氢氧化钙与周围空气或水份中的二氧化碳结合生成碳酸钙，碳酸钙与氢氧化钙结晶沉淀并积聚于裂缝内，这些结晶相互交织，产生力学粘结效应，同时在相邻结晶、结晶与水泥浆体、结晶骨料表面之间还有化学粘结作用，结果使裂缝得到密封，但是过宽的或还在发展的裂缝特别是裂缝还有水的流动就很难自愈合了，一般认为宽度小于0.15mm～0.20mm 的裂缝是可以愈合的。

但裂缝若发展过大，超过相应的容许值时，既影响外观形象，更影响地下空间的正常使用，所以减少和防止地下结构混凝土的开裂特别是防止大裂缝具有特别重要的意义。

2 减少裂缝的措施

2.1 塑性收缩裂缝的防治措施

塑性收缩裂缝防治的关键是减少混凝土表面水分的蒸发，为此可采取以下措施：①降低混凝土的入模温度；②高温季节施工时，对混凝土表面采取降温、保湿措施，如用喷雾湿润混凝土上方的空气、设置遮荫棚等；③将搅拌时间限制在最低所需程度；④尽量缩短从搅拌到浇筑的时间，以及从浇筑到抹面、养护的时间；⑤浇筑前润湿模板和底板；⑥浇注后立即用塑料膜覆盖或喷水雾必要时喷洒密封剂。

2.2 塑性沉降裂缝的防治措施

①在满足工作度前提下，混凝土坍落度应尽可能的低，混凝土的配比应保证混凝土有良好的稠度和保水性；

②在浇筑柱、梁、板等相互联接的不同深度的构件时，如果不能在高度差处设置施工缝，则宜分层浇筑，比如先浇筑到梁底面，待沉降稍稳定后再往上浇筑，其间的时间间隔一般不小于2h(热天则应适当缩短)，防止在构件的联接部位出现裂缝；

③增加表面钢筋的保护层厚度；

④合理振捣；

⑤外掺引气剂；

⑥保证模板刚度及地基的稳定性；

⑦表面抹平、压光也可去除较浅的沉降裂缝，但如裂缝较深，则在抹平后的干燥收缩过程中又会裂开。

2.3 自生收缩裂缝的防治措施

①减少拌和水的用量， 加大粗骨料的最大粒径和骨料含量，挑选刚度大的骨料品种，尽量减少水泥用量；

②降低混凝土的干燥速率，延缓表层水份损失；

③采用补偿收缩混凝土和后浇带施工；

④采用后浇带申缩缝等施工措施。

2.4 温度收缩裂缝的防治措施

①降低水化热及其释放速度。减少水泥用量、掺加粉煤灰等矿料、采用低热水泥这些措施都能降低水化热。

②降低混凝土的浇筑温度(入模温度)。采用冷水或冰水搅拌混凝土，降低骨料温度，尽量减少混凝土在输送过程中由于环境影响造成的温升。

③控制散热过程并防止混凝土表面温度的骤降，为防止温度骤然变化，混凝土冷却时的降温速度不宜超0.5～1℃/h，否则就很有可能开裂。在表面设置隔热层，隔热层材料的热导率可在3.6～0.5kgcal/m2/hr℃之间选用。 在浇筑大体积混凝土时，可采用分层浇筑的施工方法，待下一层混凝土的水化热基本释放后(如每隔5d～7d)再浇筑上一层，同时控制每层混凝土的厚度不使热量过于积聚。

④改善混凝土的强度和热学性能。提高混凝土的抗拉性能和降低混凝土的热膨胀系数均有利于防止温度收缩开裂。

⑤设置构造钢筋。在构件中配置构造钢筋可以控制裂缝的宽度并限制其发展，其实质是通过减少裂缝间距，使裂缝宽度能够控制在可以接受的范围内。

3 综合控制措施

影响混凝土收缩开裂的因素众多而且复杂多变，施工现场很难将裂缝原因与针对措施相对应。为了防止混凝土开裂，总体原则是希望减少收缩量、降低收缩应力、提高抗裂强度。施工过程需要在技术与管理方面进行预控。

3.1 综合技术措施

3.1.1 充分重视原材料选用及配合比设计

3.1.1.1 胶凝材料

宜采用水化热较低的水泥，不宜采用早强水泥，以降低早期温度的升高。每立方米混凝土中水泥用量不应过多，为降低混凝土水化温度和改善混凝土拌合物的工作性能，应掺加适量的粉煤灰等掺合物。

3.1.1.2 细骨料

宜采用级配良好的中、粗砂，细度模数大于2.6，砂率过大容易收缩，砂率过小又容易离析泌水，建议控制在40%左右。

3.1.1.3 粗骨料

宜用级配良好的碎石或卵石。

3.1.1.4 减水剂

为了降低混凝土的早期温度升高，应采用缓凝型高效减水剂，掺量应根据工作需要而定，并应注意其与水泥的相容性。

3.1.1.5 膨胀剂

为了降低混凝土收缩引起的裂缝，宜掺加具有补偿收缩、增强抗裂性能的膨胀剂，建议掺量为水泥用量的10%左右。

3.1.1.6 用水量

为了降低收缩和减少混凝土拌合物的离析和泌水，保证拌合物工作度满足施工的条件下用水量不宜过大。

3.1.2 温度控制

要求浇注温度不高于30℃，热天可放宽至35℃；混凝土内部的最高温度不高于65℃， 混凝土内部与外部的温差控制在20℃以内，混凝土表面与养护水的温度差不高于15℃。施工过程要进行测温监控。

3.1.3 设置控制缝等措施

充分并合理利用控制缝、后浇带、滑动层、构造配筋等控制开裂的手段和措施。

3.1.4 严格控制施工技术

①称重应严格按照配比要求， 注意沙子、 石子含水率测定，并在用水量中扣除砂、石中的含水，严禁搅拌完成后再加水。

②混凝土应合理均匀搅拌，砂石先进行搅拌，加入水泥、膨胀剂、粉煤灰、水、减水剂后再进行充分的搅拌。

③搅拌车运到现场后，应快速搅拌10s 并测定塌落度，如因堵车运输时间过长可再掺入一定量的外加剂，但一定要有技术人员计量加入，不能加水。

④浇筑与捣实：混凝土自由倾落高度不宜超过2m，必须用振捣器垂直插入捣实，不得使用振捣棒赶混凝土或抛送以免造成离析，不得漏振和过振。

⑤支模：支模应牢固，变形小。钢模板用对拉锚固筋，切断时应尽量短，否则混凝土易开裂。浇筑前用水湿润溜槽和模板。

⑥养护：顶底板蓄水养护，先浇筑的混凝土初凝后，立即覆盖湿麻袋养护，待混凝土全部初凝后蓄水养护9d，侧墙挂草帘或麻袋淋水养护， 每隔2h～4h 淋一次水， 养护时间应超过7d。

3.1.5 设计优化措施

①增配构造钢筋提高抗裂性能， 配筋采用小直径、 小间距。

②在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。

③充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇带。

3.2 综合管理措施

①拌制混凝土的原材料均需进行检验，合格后方可使用。同时要注意各项原材料的温度，以保证混凝土的入模温度与理论基本相近。

②在混凝土搅拌站设专人掺入外加剂，掺量要准确。

③综合现场对商品混凝土要逐车进行检查，测定混凝土的塌落度和温度，检查混凝土量是否相符。同时，严禁混凝土搅拌车在施工现场临时加水。

④混凝土浇筑应连续进行， 间歇时间不得超过3h～5h，同时已浇筑的混凝土表面温度在未被新浇筑的混凝土覆盖前不得低于相关规定。

⑤试验部门设专人负责测温及保养的管理工作，发现问题应及时向项目技术负责人汇报。

4 结 论

混凝土结构难免会出现一定宽度的裂缝，但施工中仍尽可能采取有效的技术措施控制裂缝，使混凝土结构尽量不出现裂缝，或尽量减少裂缝的数量和宽度，特别是避免有害裂缝的出现。此外，为确保工程质量，除加强施工技术外，还应加强现场综合管理。

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