缓凝是解决大体积混凝土裂缝控制问题的最佳方法

林欢

（92301 部队，北京 100166）

编者按：该文的观点是作者基于某次大体积混凝土试验，分析试验数据绘制的图形并依据作者长期的施工实践经验提出的一个设想。但作者未能从裂缝机理上分析论证其设想，亦未作进一步的试验验证其设想。

该设想有待进一步证实，本刊希望更多的业内人士能够参与本课题的研究与论证。

大体积混凝土施工中裂缝控制问题是工程技术人员绕不开的话题，为防止裂缝的产生，多是参照 GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》等规范标准要求和现行通用做法组织施工，就部分工程师而言，因类似的工程应用对比经验不多，加之目前的施工技术缺乏能让人产生共识且简单易行、立竿见影的解决办法，有些工程的控裂施工效果还不尽人意，裂缝问题时有发生。笔者结合实际工程控裂措施和效果的分析认为，对混凝土进行缓凝是解决大体积混凝土施工裂缝控制难题的重要措施。

1 缓凝控制裂缝的双重作用机理

众所周知，大体积混凝土产生裂缝的主要原因是内表温差或表外温差过大，导致混凝土内部拉应力超出其极限值而引起。GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》的要求是将内表温差控制在 25℃ 以内，表外温差控制在 15℃ 以内。目前，通行的解决办法有降温法和保温法两大类。降温法主要包括使用中低热水泥、用矿物掺合料替代部分水泥、内部铺管通水降温、骨料降温等等。保温法是在混凝土凝固之后，用保温材料进行覆盖，或是蓄热水养护保温等等。多年的实践经验证明，上述方法虽是目前通行的做法，也有许多成功的经验，但是，失败的案例也并不少见，且实际操作费工费时，同时，还会增加工程建设成本。

缓凝是解决当前大体积混凝土裂缝控制问题的有效方法之一，现行的规范标准也都有提及，但缺乏足够的量化控制指标。文献中对缓凝作用的解释也仅限于缓解升温，即让更多的热量在混凝土终凝前散发出去并有效降低最高温度峰值，相应地也就能起到减少混凝土内表温差和表外温差的作用。另外，目前研究发表的缓凝对大体积混凝土控裂作用的文章资料相对较少，力度不够，故没能引起足够的重视和广泛应用。

其实，缓凝措施既不属于上述降温法的范畴，也不属于保温法的范畴，而是另辟蹊径，是在让最高温度峰值有所下降的前提下，通过增大无害温差来相应降低有害温差，避免有害温差过大而导致混凝土产生裂缝，这是缓凝措施的核心作用所在。对应现行规范标准中的“温差”，我们先来定义两个术语，一个是“无害温差”，另一个是“有害温差”。混凝土凝固（终凝）之前的内表温差或表外温差我们定义为“无害温差”，因为混凝土凝固前的温差不会在混凝土内部产生拉应力，对混凝土不构成裂缝危害。混凝土凝固之后新增加的内表温差或表外温差我们定义为“有害温差”，因为它会使已经凝固的混凝土内部产生拉应力，是造成大体积混凝土开裂的真正原因。

对于已按强度等级配制好的混凝土和特定的环境而言，在没有采取缓凝措施的前提下，混凝土最大内表温差和最大表外温差是基本不变的，相应的无害温差和有害温差也是基本不变的。当采用缓凝措施之后，最高温度峰值会有所下降，相应的最大内表温差和最大表外温差也会有所调整，但重要的是，随着缓凝时间的延长，在表层和内部混凝土发热量相同的情况下，因表层散热快、温升慢，而内部散热慢、温升快，导致混凝土凝固前的内表温差随时间推移而逐渐增大，相应的凝固后新增加的内表温差也就会减小，使有害温差显著降低，这就是缓凝措施最有价值的作用所在。而目前通行的温差计算方法仅考虑实测最大内表温差，未将混凝土凝固前的无害温差扣除，使缓凝措施的双重作用不能完全真实地体现出来，温差计算结果不尽人意也就在情理之中，由此，其应用也就难以形成广泛共识而得到全面推广。

由于缓凝措施具有能降低最高温度峰值和降低有害温差的双重作用，温控效果十分明显，加之施工方法简单，现场管控无特殊要求，且建设成本不需增加，只需在配合比设计时依据环境温度和缓凝时间要求，将减水剂调整为缓凝型减水剂即可，所以，缓凝措施是解决当前大体积混凝土施工裂缝控制问题最简单、最有效、最经济的方法。

2 试验结果分析

2013 年 6 月，我部会同国家建材院在海南三亚进行了相关试验，试验的目的就是用数据来分析验证缓凝作用的效果及相关技术规程的制定。为了与施工现场混凝土结构进行对比，我们选择的试验结构模型尺寸为长5 米、宽 4.6 米、高 3 米，体积总方量为 70 立方米，配制的混凝土强度为 C40。

鉴于海南三亚 6 月份气温较高，且模型尺寸大，我们将初凝时间定为大于 20 小时，终凝时间小于 36 小时。另外，为了尽可能减少水化热，降低绝热升温，在配合比设计时，我们选择与施工现场的实际配合比相同，都用矿渣粉和粉煤灰来替代部分水泥。

采取缓凝措施后，混凝土的初凝时间为 26.5 小时，终凝时间为 32.5 小时。表 1 是大体积混凝土模型试验过程温度记录表，其中内表温差是每个测温时间点对应的 7 个表层温度平均值与 3 个内部温度平均值之差，外表温差为每个测温时间点对应的 7 个表层温度平均值与 3 个外界气温平均值之差。

表 1 大体积混凝土模型试验过程温度记录表

由表 1 可知，终凝时的无害内表平均温差为11.3℃，无害表外平均温差为 4.1℃，终凝后的最大内表平均温差为 29.2℃，最大表外平均温差为 17.5℃。按传统的计算方法，最大内表平均温差和最大表外平均温差均超出规范要求，如将无害平均温差扣除，则实际最大内表有害平均温差为 17.9℃（29.2℃-11.3℃），最大表外有害平均温差为 13.4℃（17.5℃-4.1℃），两者均满足规范要求。另外，通过对结构模型一年多的外观检查和钻芯取样分析，均未发现有结构性裂缝发生，试验结果明显优于施工现场相同强度配比和体量而未采取缓凝措施的实体结构。

如仅从实测的最大内表平均温差 29.2℃ 这一结果来看，已大大超出规范小于 25℃ 的控制要求，按常理结构模型会出现裂缝，可实际情况并非如此，这恰好反过来证明，缓凝的核心作用在于有效降低最大有害内表温差，而不是通常所理解的仅降低最大内表温差。

另外，依据内表平均温差和表外平均温差实测数据分析，如施工条件允许，应尽可能将终凝时间定在晚上环境气温较低的时候来反推混凝土浇筑时间，这样，更有利于提高混凝土终凝时的无害内表温差和无害表外温差，相应的也就能有效降低最大有害内表温差和最大有害表外温差。

图 1 是根据表 1 数据绘制的有害温差区域图。其中上下两条虚线分别显示的是，终凝后对应每一时间点混凝土有害内表温差计算的起点温度和有害表外温差计算的起点温度，前者起点温度是表层温度加上终凝时的无害内表温差 11.3℃，后者起点温度是外界气温加上终凝时的无害表外温差 4.1℃。

从图 1 可以看到，随着时间的推移，内部温度曲线越来越陡，而表面温度曲线相对较缓，由此可知，缓凝时间越长，特别是从初凝到终凝的时间越长，终凝时的无害温差就会越大，终凝后的有害温差也就会越小，对控制裂缝也就越有利。

根据以往的经验数据，传统的降温方法，就其单项措施而言，也就能降低有害温差 3～5℃ 左右，而本次缓凝试验结果却能有效降低有害温差在 10℃ 以上，可见，缓凝是当前解决大体积混凝土施工裂缝控制问题最有效的方法。

另外，采用缓凝措施施工的大体积混凝土，当内部温度自然下降到内外保持平衡状态之后，混凝土终凝时的无害温差将会转化为压力差，这一长期存在的外小内大的压力差，对抵御北方严寒地区温度骤变将会起到积极有效的缓解作用，增强码头、大坝等室外环境大体积混凝土结构的抗裂性和耐久性。

3 结语

在大体积混凝土广泛应用的今天，其施工裂缝控制问题越来越引起人们的高度重视，就当前已知的裂缝控制措施而言，缓凝的方法具有更广泛的适用性、效用性和经济性。依据上述数据分析可以推定，在采取恰当缓凝措施的前提下，如在配合比设计时将最高温度峰值控制在 80℃ 以内，或是绝热温升控制在 50℃ 以内，将大体积混凝土视为普通混凝土来组织施工和质量管控是完全可能的，这也必将会受到建设者的喜爱和广泛应用，促进混凝土施工技术的科学发展。

图 1 有害温差区域图