大体积混凝土足尺模型试件早期裂缝原因分析

徐 可 杨 静 赵 娟 纪宪坤

1. 武汉三源特种建材有限责任公司 湖北 武汉 430083；2. 武汉源锦建材科技有限责任公司 湖北 武汉 430083

近年来，随着混凝土工程规模及体量的不断扩大，混凝土裂缝问题也越来越突出。大体积混凝土结构由于其结构尺寸大、一次施工量大、混凝土水化温升高等因素，其出现开裂的概率要比其他类型的混凝土结构更高[1]。同时，由于影响混凝土结构开裂的因素涵盖设计、施工、材料等多个方面[2]，且裂缝出现后，大多只能收集裂缝的长度及走向等信息，对于裂缝的深度、内部扩展情况，若不经过钻芯取样通常很难收集[3]，也因此很难准确地判定某一种裂缝出现的具体原因，给工程技术人员控制混凝土裂缝带来了极大的困难[4-7]。

本文基于某质子肿瘤医院实体混凝土浇筑前期的足尺模型试件的具体开裂情况，结合裂缝出现的时间、裂缝分布情况以及钻芯取样的裂缝内部扩展情况，分析了该足尺模型试件出现裂缝的具体原因，并给出了针对该类大体积混凝土结构裂缝控制的措施建议，以期为同类混凝土工程提供参考。

1 模型信息

1.1 模型尺寸

本项目占地面积约为46 214 m2，总建筑面积约33 687 m2，其中主楼建筑面积约33 687 m2，系框架-剪力墙体系，地下1层，地上3层，建筑高度为23.2 m，是一所质子放射治疗恶性肿瘤的医院。其中，质子装置区建成后将放置包括回旋加速器、3个旋转治疗舱、1个固定束治疗舱、1个科学实验室。

该项目足尺模型试验开展于主体工程施工之前，参考项目质子区防辐射混凝土侧墙最大厚度及配筋情况，确定模型尺寸为4.4 m×4.4 m×4.4 m。通过该模拟试验，对混凝土配合比进行验证并优化，为混凝土供应和施工方案编制提供依据。模型试块钢筋布置如图1所示。

图1 模型试块钢筋布置

1.2 混凝土配合比

1）水泥为P·O 42.5，细度为325 m2/kg，28 d胶砂抗压强度49.8 MPa。

2）粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，细度为17.8%，需水量比98%，烧失量2.1%。

3）粗骨料为粒径5～16 mm与16～31.5 mm按照质量比2∶8配制的二级配碎石。

4）细骨料为二级配中砂，细度模数为3.3，表观密度为2 590 kg/m3，堆积密度为1 650 kg/m3，含泥量0.5%。

5）减水剂选用固含量为17.9%，减水率为21.5%高性能聚羧酸减水剂。

实际工程为大体积混凝土，因此混凝土配合比设计采用大掺量矿物掺合料的设计思路，以60 d龄期混凝土强度作为验收强度，混凝土配合比为：水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶碎石∶水∶膨胀剂∶外加剂＝220∶81∶66∶729∶1 046∶169∶29∶6.24，混凝土强度等级为C35，实测混凝土坍落度180 mm±20 mm，和易性良好。

1.3 混凝土性能检测

1.3.1 限制膨胀率

浇筑时留置了2组限制膨胀率的试块，一组放在现场同条件养护，另一组放在20 ℃室温水养，测试28 d内的混凝土限制膨胀率如表1所示。

表1 混凝土限制膨胀率测试结果

由2种养护条件下的膨胀率可知，该项目混凝土均能产生持续的补偿收缩作用。

1.3.2 混凝土力学性能

混凝土的力学性能具体检测结果如表2所示。

表2 混凝土28d龄期力学性能检测结果单位：MPa

2 模型试件浇筑及养护

2.1 浇筑

在标准及同条件情况下，28 d龄期混凝土的立方体抗压强度均满足设计C35强度等级要求。采用分层浇筑的方法，每层厚约500 mm，要求保证在第1层混凝土初凝前，进行第2层混凝土浇筑，同时控制混凝土入模温度≤30 ℃，但实际各车混凝土的浇筑时间如表3所示。

表3 混凝土浇筑记录

从表3可知：混凝土入模温度除第1车停留时间过长造成出机温度＞30 ℃以外，其他均满足控制要求。但每车混凝土浇筑完成后的间隔时间超过了10 min，甚至个别超过了25 min。

对于夏季施工的大体积混凝土浇筑而言，过长的间隔极易形成施工冷缝，同时上层混凝土浇筑时极易对下层混凝土产生扰动，造成混凝土开裂。

2.2 振捣

2.3 收光

模板内混凝土浇筑平整后，要用长刮尺将混凝土刮平，用塑料木抹打磨（将混凝土中石子压下去），用铁板第1次收光。等混凝土初凝时（人踩上去有10 mm左右脚印），用塑料木抹打磨吊浆，再次用长刮尺将混凝土刮平，木抹打磨，铁板收光。视混凝土强度情况，第3次以铁板收光。

2.4 养护

混凝土浇筑面二次抹压完成后，混凝土养护主要是保温保湿养护，保温养护能减少混凝土表面的热扩散，减少混凝土表面的温差，防止产生表面裂缝。保温养护还能控制混凝土内外温差，防止产生贯穿裂缝。保湿养护能防止混凝土表面脱水而产生表面干缩裂缝，还能使水泥水化顺利进行，提高混凝土的极限拉伸强度。

带模养护7 d后拆除侧模，然后覆盖厚5 mm毛毡土工织物，如遇高温可采用温水养护。毛毡土工织物幅边之间搭接宽度不少于10 cm，防止覆盖不到位。

3 裂缝统计与分析

3.1 裂缝统计

浇筑完成后的第8天拆模完成，拆模后未出现贯穿性收缩裂缝，但构件下半部分（距离底面1.7 m以内）出现较多水平向的短裂缝，在试件的4个侧面距离地面1.7 m范围内均出现了一定数量的水平短裂缝，采用裂缝测宽仪进行裂缝具体信息测量，测得各面混凝土裂缝信息如表4所示。

表4 混凝土裂缝信息

由表4可知：该模型试件早期产生的水平向裂缝均不属于连通性裂缝，裂缝的长度及深度相对于整个模型试件的长度及厚度均较小，且都是在拆模前出现的，说明这类裂缝并非材料的收缩产生，且没有出现贯穿性的温度裂缝，可以判定与浇筑施工时的影响较大。

各混凝土面的裂缝分布如图2所示：大部分的裂缝以横向为主，且不连续，裂缝均是位于螺杆下方或与螺杆相连接，说明裂缝的产生与螺杆有着一定的联系。螺杆一方面可能造成对模板和混凝土的扰动，另一方面对混凝土的沉降造成阻隔作用，特别是这种端头型的螺杆。

图2 混凝土各面裂缝分布

3.2 裂缝分类

根据裂缝出现的位置及特点，本实体构件出现的局部裂缝主要分为3类，具体如下：

1）位于对拉螺杆橡胶垫下侧月牙形裂缝。裂缝位于对拉螺杆橡胶垫下方5～10 cm，长度10～18 cm不等，裂缝宽度在0.2～1.0 mm之间，深度在10～30 mm之间，此种裂缝数量最多，占总数的一半左右。

食管癌患者放疗期间，发生白细胞下降、放射性皮肤反应、放射性食管炎及放射性肺炎等毒性反应的几率较高[2]。为了能够有效提升患者放疗耐受性，需加强临床护理干预，通过心理护理干预，改善患者的心理状态，通过健康宣教，提升患者对于疾病及放疗的认知水平，通过饮食护理，保证机体营养供应，同时，针对患者毒性反应的发生情况，实施对症护理干预，缓解不适症状，提升生理舒适度。此外，国内有学者表示，优质护理干预方案的实施，能够改善食管癌放射治疗患者的效果，降低毒性反应发生率；此次得出了与之较为相似的研究成果。

2）对拉螺杆橡胶垫处延伸型及连接型裂缝。裂缝位于对拉螺杆橡胶垫处，一种是从橡胶垫处横向延伸发展，长度在5～10 cm之间，如图2北侧面中编号6、8、9、10的类型，裂缝长度在3～17 cm之间，宽度在0.3～0.8 mm之间，深度在15～30 mm之间；另一种是从一个橡胶垫处延伸至另一个橡胶垫处的连接型裂缝，如图2西侧面编号为3、4、6、7的裂缝，长度在15～30 cm之间，宽度在0.20～0.45 mm之间，深度在14～30 mm之间。

3）墙角边缘斜向30°裂缝。图3为试块西北角，北面、西面2条裂缝是连通的，距离地面高度在88～95 mm。此种裂缝只出现在西北角和东北角大概90 cm处，数量最少，宽度在0.5～2.0 mm之间，较宽，深度20～35 mm不等，典型形式如图2东侧面编号9的裂缝。

图3 墙角处裂缝

3.3 裂缝原因分析

为探究各类裂缝的具体开裂原因，试件浇筑龄期28 d后选取3类典型裂缝处进行了钻芯取样，以更直观地了解内部裂缝的发展情况。

第1类裂缝钻芯选择为南侧混凝土表面编号为2的裂缝，钻芯前及钻芯后裂缝情况如图4所示。

图4 第1类裂缝钻芯前后裂缝

该部分混凝土受到上部螺杆橡胶垫阻隔，造成下部骨料少、浆料多。由于该部分混凝土位于保护层位置，不易振捣，在横向钢筋及螺杆橡胶垫的阻隔下，随着上部浇筑不断增加，下部骨料沉降过大，产生骨料沉降裂缝。

第2类裂缝钻芯选择为西侧混凝土表面编号为7的裂缝，钻芯前及钻芯后裂缝情况如图5所示。

图5 第2类裂缝钻芯后裂缝

从钻芯后的结果可知：该类裂缝主要发生在保护层厚度位置，裂缝深度只到最外侧钢筋处，且裂缝均绕着骨料的浆体层开裂，说明裂缝主要是在早期混凝土终凝前已出现。主要原因在于：该部分混凝土振捣较困难，钢筋与混凝土或粗大骨料与浆体界面处形成的骨料沉降不均，以及施工浇筑上下层时间隔时间过长，上层混凝土的振捣对下层已接近终凝的混凝土产生了一定的扰动，这种扰动包括对钢筋和混凝土本身的扰动，从而引起连接螺杆以及沿最外层水平钢筋的裂缝。

第3类裂缝钻芯选择为东侧混凝土表面编号为9的裂缝，钻芯前及钻芯后裂缝情况如图6所示。

图6 第3类裂缝钻芯后内裂缝及芯样裂缝

该类裂缝情况与第2类裂缝产生的原因类似，主要原因为：该部分裂缝位于试件下部，夜间施工，振捣困难，且存在振捣盲区，在钢筋与混凝土界面位置存在无法振捣或振捣不充分的情况，在受到钢筋阻隔及上层浇捣对钢筋、拉杆及模板扰动的情况下，骨料不均匀沉降，继而产生裂缝。

3.4 施工建议

为避免类似的早期非收缩以及温度裂缝，施工过程中建议关注以下几方面：

1）对于该类型大体积混凝土，混凝土和易性应保持良好，建议按照180～220 mm进行配制，根据运距保证混凝土到现场的坍落度损失≤10 mm。

2）施工振捣存在盲区，特别是大体积混凝土下半部分，下部1.0～1.5 m范围内振捣时需要加强处理，晚上施工时应加强下部施工过程中的照明，能直接目测到下部振捣状态。

3）振捣需分层进行，但施工应连续浇筑。根据大体积混凝土的整体厚度，每层分层振捣的厚度应≤1 m，各层的浇筑间隔时间不应≥15 min，以防止上层浇筑时对于下层混凝土的扰动。

4）大体积混凝土的带模养护时间宜≥7 d，一方面可避免内外温差过大，另一方面避免过早拆模造成对混凝土的扰动破坏。

4 结语

1）通过混凝土配合比调整、施工过程控制以及膨胀剂材料应用，可以避免贯穿性的温度裂缝及收缩性裂缝产生，但在施工过程中易产生在穿墙螺杆处及下部横向的早期裂缝。

2）通过裂缝统计及钻芯取样发现，横向裂缝均是浆体层开裂且绕开骨料，均为早期开裂，裂缝一般深度与钢筋保护层的厚度接近。

3）早期混凝土的浇筑间歇过长、混凝土和易性波动大及欠振等因素造成骨料沉降不均，是引起早期大体积混凝土横向裂缝的主要原因。同时，对拉螺杆的抗扰动性对螺杆处的裂缝影响较大，在大体积混凝土浇筑过程中应避免振捣棒对螺杆的扰动。