变电站大体积混凝土病害分析及防治措施研究

李彩红，孙中华，孙冬梅

（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250000；2.中铁三局集团第六工程有限公司，山西 晋中 030600；3.郑州市轨道交通有限公司运营分公司，河南 郑州 450000）

0 引言

大体积混凝土，国内通常指实体最小几何尺寸不小于1 m的混凝土结构物，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土最主要的特点是混凝土一次浇筑数量大，水泥发生水化反应导致水化热集中，使得结构物内外温差大，容易导致混凝土因内外温差大而产生温度应力造成裂缝，影响大体积混凝土的使用寿命、耐久性及部分使用功能［1］。

大体积混凝土的功能和耐久性决定了建筑物的安全和寿命［2］。本文通过对变电站大体积混凝土病害进行分析，对大体积混凝土裂缝产生的原因、防治措施进行探讨。

1 大体积混凝土裂缝产生的原因

多方面因素可导致大体积混凝土裂缝［3］，本文主要根据裂缝产生的原理将裂缝分为塑性收缩裂缝、温度裂缝、施工应力裂缝及混凝土收缩应力裂缝。

1.1 塑性收缩裂缝

塑性裂缝多在新浇注的混凝土构件暴露于空气中的上表面出现，塑性收缩是指混凝土在凝结之前，混凝土表面水分散失过快，另外混凝土养护不及时等因素造成混凝土表面产生收缩。塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现，裂缝多呈中间宽、两端细且长短不一，互不连贯状态，较短的裂缝一般长0.2～0.3 m，较长的裂缝可达2～3 m，宽0.01～0.005 m不等。 塑性裂缝深度一般不超过0.05 m。

塑性裂缝产生的主要原因为：混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小，或者混凝土刚刚终凝而强度很小时，由于混凝土养护不及时、养护不到位。混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比过大、粗骨料偏少、混凝土振捣不密实、环境温度过高、风速过大、湿度偏低等。

1.2 施工应力裂缝

应力裂缝是指在混凝土强度较低时承受应力导致的混凝土开裂。应力裂缝通常出现在大体积混凝土施工过程中，早期浇筑的混凝土初凝后，由于上部继续浇筑混凝土产生的压力过大，导致的基础不均匀沉降或模板变形使混凝土产生形变开裂。此类裂缝多为贯穿性裂缝，其发展方向与模板或基础沉陷情况有关，一般沿与水平面垂直或呈30°～45°角方向发展，较大的沉陷裂缝往往有一定的错位，裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。

1.3 温度裂缝

温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，混凝土内部温度得不到很好地控制，或降温措施采取不合理使得内部温度增长过快，这样就形成内外较大的温差，从而造成混凝土结构物内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，造成混凝土表面裂缝。

1.4 混凝土水化热理论分析

大体积混凝土施工，由于方量大，水泥的水化热热量大，混凝土内外散热不均匀，内外温差大，混凝土内部产生较大的温度应力，导致混凝土发生开裂。因此大体积混凝土施工中的温度控制是防止混凝土开裂的关键，混凝土配合比对混凝土水化热进行理论计算分析。

1.4.1 混凝土拌合温度计算

计算公式：

式中：T0—混凝土拌合温度 （℃）；Tc、Ts、Tg、Tw—水泥、砂、石子、拌和用水的温度（℃）；Mc、Ms、Mg—水泥、排除含水量的砂及石子的重量（kg）；Mw、Ws、Mg—水及砂、石子中游离水的重量（kg）；Cc、Cs、Cg、Cw—水泥、砂、石子及水的比热（kJ／（kg·K））。

每天下午16∶00对各种原材的温度进行监测，监测温度取平均值，各种原材入机温度见表1。

表1 各种原材入机温度表

通过查表及项目混凝土施工配合比，各项参数取值见表2、表3。

表2 混凝土施工配合比

表3 主要材料比热容

混凝土拌合温度T0=26.4℃

1.4.2 混凝土入模温度计算

混凝土拌和出机后，经运输至现场浇筑，考虑混凝土入模温度受外界气候的影响，按下公式计算：

式中：Tp—混凝土入模温度 （℃）；T0—混凝土拌合温度（℃）；Ta—混凝土运输和浇筑时室外气温（取30 ℃）；θ1、θ2、…θn—温度损失系数，采用混凝土运输车运输，经查表计算温度损失系数取0.36。

混凝土入模温度计算为27.4℃。

1.4.3 混凝土水化热绝热温升值计算

当结构尺寸较大，热量散失较慢，不得不考虑混凝土凝固过程中水化热造成的绝对温升，一般按下式计算：

混凝土最高水化热绝热升温：

各龄期混凝土绝热温升值计算，如表4。

表4 各龄期混凝土绝热温升值

由上表数据可以看出，混凝土不同龄期内部绝热温升情况，前3天温度上升最快，是大体积混凝土温度控制的重点时段。

1.4.4 各龄期收缩变形值计算

大体积混凝土各龄期内外温差是控制大体积混凝土裂缝重要控制指标，大体积混凝土施工时，混凝土内外温差控制按 《大体积混凝土工程施工规范》GB50496—2012中规定，混凝土里表温差不得大于25℃的规定，在施工中采取有效控制措施。

1.5 混凝土收缩应力裂缝

大体积混凝土后期硬化收缩，由于已浇筑混凝土约束或受地基的影响，下部混凝土收缩受限，接触部位将产生很大的拉应力，当拉应力超过当前龄期混凝土的抗拉强度时，便会产生裂缝。如图1、2所示。

图1 大体积混凝土温度应力裂缝示意图

图2 大体积混凝土收缩应力裂缝示意图

2 裂缝对混凝土的影响

2.1 裂缝对受压混凝土的影响

混凝土在压力下会产生微量的变形，变形的同时产生与压力反方向的反力［4］。在与压力不同方向的裂缝作用下，混凝土提供承载力部位只有混凝土密实部位，裂缝部位的混凝土在受压后，较小的裂缝会自动闭合，提供一定的承载力，相当于裂缝部位的混凝土部分或完全失去承载能力。混凝土裂缝通常方向性不定，与压力同方向的裂缝会使混凝土受压部位截面积分散变小，使受压结构的长细比变大，相当于受压混凝土提前产生受压劈裂破坏时的纵向开裂条纹，降低混凝土抗压承载能力。

2.2 裂缝对受拉混凝土的影响

对于受拉部位混凝土的开裂，将直接导致混凝土间失去粘结作用，使混凝土丧失受拉传力作用，造成混凝土抗拉失效，影响结构物的整体性能，降低结构物的使用寿命。

2.3 裂缝对抗剪混凝土的影响

对于与剪力同方向的裂缝，将直接使混凝土抗剪切有效截面变小，降低混凝土抗剪能力；对于与剪力不同方向的裂缝，会降低混凝土剪切模量，从而降低混凝土的抗剪能力。

3 混凝土裂缝的预防措施

3.1 配合比设计控制

3.1.1 水泥

水泥硬化产生的水化热是混凝土温度上升的直接原因，因此要控制混凝土升温必须选择水化热较低的水泥品种，并尽量选用后期强度上升较快的混凝土，降低水泥水化放热峰值。优化施工配合比，降低水泥用量。

3.1.2 粗细骨料

在施工条件允许的情况下尽量扩大粗骨料粒径，因为粗骨料越大，级配越好，孔隙充满越小，比表面积越小，合理控制每立方米的水泥砂浆量或水泥用量，可降低混凝土水化热，对防止裂缝越有好处。细骨料宜采用级配良好的中粗砂。中粗砂其孔隙率小，比表面积小，混凝土的水泥和用水量应可以减小，水化热会降低。另一方面要控制粗细骨料中的含泥量，降低骨料对水泥及外加剂的额外消耗。

严格控制砂石含泥量，是防治混凝土裂缝的有效措施，同时要控制砂的颗粒级配、细度模数等以利于混凝土和易性良好。

3.1.3 粉煤灰

掺入粉煤灰有以下作用：粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物（其中二氧化硅含量40%～60% ，三氧化二铝含量17%～35%），这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应，是其活性的来源，可以取代部分水泥，降低混凝土中水泥的产热量。粉煤灰颗粒较细，能够参加二次反应的界面相应增多，在混凝土中分散更加均匀。同时，粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构，使混凝土中总的孔隙率降低，孔结构进一步细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相应收缩值也减小。

3.1.4 外加剂

掺入减水剂、缓凝剂和引气剂等外加剂以改善混凝土性能，防止开裂。减水剂的主要作用是改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量。而水灰比的降低，可以起到减慢水泥水化时间的作用，延缓水泥水化放热峰值。

3.1.5 其他因素

水：在施工条件允许的情况下应尽量减少用水量，以降低混凝土中因水分积聚产生的空隙，同时起到减慢水泥的水化速度的作用。

外掺料：在混凝土中掺入钢纤维或聚丙稀纤维等材料可以提高混凝土的抗裂性能。

3.2 施工过程控制

大体积混凝土施工应本着降低混凝土内部温度上升速率，降低混凝土内外部温差，同时采取加强混凝土养护，增加混凝土易裂部位混凝土抗裂性能等措施防止混凝土开裂，在施工现场通常采用的控制措施有：合理进行分层、分段施工、采取合理的降温措施、加强混凝土施工过程控制等。

3.2.1 合理进行分层和分段施工

大体积混凝土浇筑应采取合理的分层、分段施工，保证混凝土浇筑质量，同时有利于混凝土散热。通常分层厚度为0.3 m，分段情况应根据混凝土结构、浇筑速度、落灰点等情况确定，保证上一层混凝土初凝前浇筑下一层混凝土，混凝土层间不产生施工冷缝。

在设计许可的情况下可对大体积混凝土进行分段施工，如大跨度连续梁、大体积基础、混凝土大坝等。采用分段浇筑时应对整个混凝土工程设置几个相对独立的段落，设置后浇带，待先浇筑的混凝土完全硬化收缩后进行后浇带施工。分段浇筑一个作用是减小了混凝土的一次浇筑体积，降低了水化热对混凝土的影响，另一个作用是将先浇筑的混凝土干缩变形引起的应力消除，减少混凝土收缩裂缝。

3.2.2 采取合理的降温措施

大体积混凝土宜采用强制式拌和机拌和，根据环境温度条件采用相应的降温措施，高温季节可送冷风冷却拌和物，拌和水可采用冰水，降低混凝土的入模温度。浇筑混凝土尽量避开太阳辐射较强的时间，若工程需要在夏季施工时，则避开正午，尽量安排在夜间施工。

混凝土内设置水循环冷却管道，通过不断地循环冷却水，吸收混凝土的热量。冷却水管应在每层混凝土中布设，一般冷却管间距1.0 m左右，并用设定位架固定。冷却水在混凝土浇至水管高程后立即循环，冷却水与混凝土的温差限制在25℃ 以内，流量及水温2 h监测一次，量测进、出水口温度，一般出水口温度较进水口高5～6℃。每隔4～6 h应改变进出口水流方向。冷却水应持续到混凝土浇筑完后7 d以上。冷却完毕后，冷却管中压入同强度微膨胀的水泥浆封闭。

大体积混凝土内部设置循环水降温措施，降水管布置如图3。

图3 降水管布置图

经过混凝土降温措施后，对混凝土内外温度、混凝土表面与环境温度监测，相对温差均能控制在20℃以内，数据对比见图4。

在设计允许的情况下，在混凝土中添加洗净片石可以减少混凝土及水泥用量，降低水泥水化热，同时片石会吸收一部分热量，使混凝土硬化过程升温值降低，从一定程度上减少温度裂缝的产生。

图4 混凝土温度监测数据对比图

3.2.3 加强混凝土浇筑过程控制

浇筑混凝土时应严格控制混凝土入模参数，坚决杜绝使用不合格混凝土。振捣时振捣棒应插入下一层混凝土中不少于0.1 m，同时控制好落点距离及振捣时间，防止过振泌水。混凝土浇筑完毕后应清除表面浮浆，并准时进行二次收面。二次收面主要是消除混凝土表面塑性裂缝，二次收面应在混凝土初凝时进行，过早则效果不明显，过晚则无法消除裂缝。混凝土终凝后应立即洒水养生，并覆盖土工布等材料保水保温，防止阳光直射，避免混凝土产生裂缝。

4 结束语

经过对大体积混凝土病害原因分析，研究出对大体积混凝土施工质量影响较大的因素。通过水化热理论计算分析，总结施工过程中温差控制范围，并经实践实施各项措施，有效地解决了大体积混凝土施工难点，避免了大体积混凝土后期出现裂缝的问题，保证了大体积混凝土施工质量，节约了施工成本，经济效益显著。