大体积混凝土结构裂纹产生的原因分析及预防措施

胡 义

（四川中成煤炭建设（集团）有限责任公司，四川 成都 610000）

0 引言

混凝土裂纹往往是内部或外部因素共同作用下产生应力变形所致。在空间结构任意方向上最小尺寸在1m 以上的混凝土结构通常称为大体积混凝土结构，由于其超厚、超重、超长的结构特征，使其在搅拌和凝固过程中内部化学和物理反应体量更大，热量传递和物理变形更加复杂，使大体积混凝土结构所受到的应力也十分复杂。因此，本文对大体积混凝土裂缝产生的原因和机理进行分析，并提出在工艺操作上应采取的预防措施。

1 大体积混凝土裂纹产生的原因分析

大体积混凝土裂纹产生的原因主要是温度应力和内外部约束应力的共同作用。

1.1 温度应力

温度应力是大体积混凝土产生裂纹的最重要原因。一方面，水化热是温度应力产生的重要原因，通过测试发现，在浇筑期混凝土中水泥化学反应放热，使大体积混凝土内外部温差一般可达到15~30℃，最大可达到60℃，混凝土水化热测试图如图1所示。

图1 混凝土水化热测试图

水泥凝结和硬化过程，例如硅酸盐水泥的化学反应，最基本的反应式为：

从上式可以看出，其过程主要是碳酸三钙、硅酸盐和水发生化学反应后形成凝胶和氢氧化钙（将继续反应），这一过程是水泥从搅拌状态到浇筑过程的反应，后续还会发生从凝固到硬化的过程。所有过程均会发生放热现象。对于小体量的混凝土，例如楼板、墙体结构厚度较小的结构，即使存在放热也会很快散发，一般可不考虑水化热的影响问题。但大体积混凝土厚度往往可以达到1m 以上，其水化放热量十分巨大，进而产生较大的温度应力。

另一方面，绝热现象促使水化热对混凝土结构的破坏作用更加明显。大体积混凝土有着“温度梯度”现象，即越靠近中心温度越高，越靠近四周则温度逐渐降低。这主要是因为大体积混凝土存在更大的厚度，导致其参与水化热的体量更大，散热路径更长。通过温度测试（见图1 所示）可以看出，从中心向四周温度是递减的。由于长时间无法有效散热，将会导致内部温度应力集聚，并且在内部中心向四周形成梯度的应力变化过程中，其温度应力会持续存在，如果散热不够及时，将会产生裂纹。

水化热和绝热现象的相互作用，是大体积混凝土产生裂纹的主要原因之一。

1.2 内外部约束应力

内外部约束应力是基于温度应力、干缩应力及其他应力，混凝土自身形成的固有抵抗力。外部约束力主要来源于地基的支撑和外部模具、支座等向内的约束应力。由于大体积混凝土往往不存在底面模板，因此，其地基的坚实和平整程度对混凝土结构的影响更大。内部约束应力则主要是对温度变形、干缩变形的抵抗能力。一方面，对大体积混凝土而言，由于内部水化热反应不均匀，进而产生相互约束的应力，但在温度应力和内部约束应力的相互作用下，往往内部约束作用不足，就会形成裂纹。另一方面，混凝土的弹性模量不足造成内部约束应力影响较大。在大体积混凝土中，因为混凝土的用料问题造成初凝阶段弹性模量不足，以及后期养护过程中的温湿度控制存在问题，造成硬化过程中的弹性模量不足，进而导致混凝土在内部应力作用下形成裂纹。

2 预防大体积混凝土结构裂纹的措施

针对大体积混凝土裂纹产生的机理，应在混凝土原材料选择、配合比优化、浇筑方法以及温度控制方面提出针对性的预防措施。

2.1 合理选择混凝土原材料及优化配合比

选择合理的混凝土原材料，可以有效地减少绝热温升，使混凝土散热良好，减少水化热温度，降低温度应力；同时，还可以通过掺入抗裂性能较好的添加剂，使得大体积混凝土从基础层面减少裂纹发生的可能。

2.1.1 合理选择低热水泥

选择低热水泥可以降低水化热温度和提高抗裂性能，如中热硅酸盐水泥、低热矿渣水泥或掺入粉煤灰，这些类型水泥的水化热温度更低，抗裂性能更强。但同时需严格控制低热水泥的用量，因此，按照设计要求进行试块制作和抗压强度测试，避免出现低强度混凝土结构，且在标准养护条件下，可观察混凝土试块是否存在裂纹现象，以指导现场施工。另外，还需根据各项目混凝土结构的使用性能要求，做好原材料的选择，如一些坝体施工用的大体积混凝土结构，不仅需要抗裂能力，还要有抗腐蚀、抗融冻能力、抗拉强度等，所以标号较高的中热水泥一般是大体积混凝土的首选。

2.1.2 合理掺入混合材或外加剂

掺入粉煤灰、烧黏土、矿渣、减水剂等，降低水泥配合比，将有效减少绝热温升，进而加快水化热的传递，避免形成“温度梯度”现象。减少温升的同时要避免对混凝土强度造成影响。

2.1.3 优化配合比降低绝热温升

混凝土配合比不仅对强度、坍落度等有着较大影响，对混凝土的绝热温升也有着较大的影响。因此，在大体积混凝土配合比设计时，要综合考虑混凝土的强度、流动性以及绝热温升影响。如果水泥含量过高，将会导致浇筑时温升峰值较高，故在设计时应考虑掺入其他原料减少水泥用量，优化配合比，以减少绝热温升。大体积混凝土应用减水剂的配合比设计见表1 所示。

表1 混凝土加入减水剂的配合比设计

2.2 采取分层分段浇筑工艺

由于大体积混凝土浇筑时体量巨大，会出现浇筑时间过长的问题。因此，选择分层分段的浇筑形式，以减少水化热现象以及由水泥初凝造成的冷缝现象。

2.2.1 地基的有效处理

在分层分段浇筑前，考虑大体积混凝土外部约束应力的作用，减少重力影响造成的不平衡裂纹现象，要对浇筑范围内的地基逐层进行夯实和平整，减少薄弱点。对于存在深基坑的工程，则要考虑降水要求，避免基础浸泡形成软弱土质。

2.2.2 合理设置分段浇筑范围

对于长度较大的大体积混凝土，如路桥施工、坝体施工，必须分段浇筑。一方面，混凝土本身的热胀冷缩作用不仅在后期运营阶段存在，在凝固、硬化阶段更加敏感。因此，分段浇筑是最稳妥的做法。另一方面，混凝土的初凝时间十分短暂，一般为2min，而长度较大的浇筑，必然形成初期位置的混凝土和末端位置的混凝土凝固程度差异很大，这不仅不利于振捣和表面处理，更会影响到混凝土的整体性，容易形成冷缝。因此，分段浇筑时需设置膨胀缝，一般膨胀缝不超过20mm，通常使用分隔板分割。对于不同体量的混凝土结构其膨胀缝间距各不相同，需依据设计要求进行。总体原则为首段和末端位置浇筑时间不大于2min，否则要添加抗凝剂以增加初凝时间。

2.2.3 分层浇筑与振捣

分层浇筑是减少水化热应力和绝热温升的有效方式。通过分层浇筑，可以使前一层的水化热能够有效散发，避免热量聚集；同时，绝热温升自然也会相应地减少。分层浇筑是在分段基础上，逐层浇筑的方式，在浇筑的同时还要分别进行振捣作业。混凝土分层浇筑示意图如图2所示。

图2 混凝土分层浇筑示意图

一是分层浇筑，一般分层30~50cm 为宜。分层浇筑可以选择水平分层浇筑，也可以斜向分层浇筑，当选择斜向浇筑时，按照从下向上8°~10°的仰角为宜。二是振捣作业，每浇筑一层要立即进行振捣，随后继续浇筑，为提高效率，可以浇筑和捣振同时进行，避免大体积混凝土集聚空洞、气泡。

2.3 有效控制混凝土内外部温差

控制内外部温差的总体原则为“内部降温，外部保护”。减少内外部温差，使混凝土温度应力及其产生裂纹的可能性减小。

2.3.1 内部降温的措施

混凝土内部降温主要考虑在混凝土浇筑阶段，减少混凝土的混合温度和浇筑温度。

（1）降低混凝土各基材的温度。可以在搅拌时使用冰水混合物代替普通温度的水源。一般冰的添加量为40%~50%，可降低混凝土温度3~5℃；也可以预冷骨料，通过强制风机降温或冷水降温的方式进行。

（2）选择温度适宜的施工环境。大体积混凝土往往在室外施工，低于5℃的环境温度不利于混凝土的凝固。因此，浇筑施工时应选择不低于5℃，但总体尽量偏低的室外温度。

（3）缩短混凝土在高温下的暴露时间。在高温时段，混凝土的准备时间要短，如搅拌、运输过程中暴露时间过长会造成内部温升及初凝现象。因此，要选择就近用材，减少暴露时间。

（4）在混凝土浇筑期，在混凝土内部铺设冷却水管，在后期通过冷却水进行冷却降温。但该措施要严格控制管路铺设间距，混凝土越厚则绝热现象更严重，管路间距应更小。例如，混凝土厚度为1.5~2m 之间，冷却水管路铺设间距宜为1.5m，当厚度超过2m 时，间距宜为1m。

2.3.2 外部保护的措施

外部保护措施是通过外部加温或保热的形式，降低中心到四周的温差，减少绝热温升所导致的应力，进而减少裂纹。外部保护措施主要应用于养护阶段：

（1）湿水控制，水温不能太低，应高于环境温度，并慢浇、浇透为宜，提升表面温度。

（2）使用绝热材料包覆，最常见的有薄膜、编织袋、木板、干沙等，其目的同样是减少表面温度过低，减少内外部温差的作用。

3 结束语

综上所述，大体积混凝土因其结构的特殊性，其凝固、硬化过程中的温度应力表现更加剧烈，极易造成裂纹现象。因此，在预防措施中，重点以温度控制为核心，从原材料选择、配合比优化、分层分段浇筑以及施工操作方面采取有效措施减少水化热温度、绝热温升影响，从而有效减少混凝土内外部温差，控制大体积混凝土裂纹的发生。