中建二局第三建筑工程有限公司天津分公司 天津 300300
摘要：大体积混凝土作为高层、超高层建筑的大型基础，已经成为当今必不可少的工程施工项目。但是大体积混凝土作为大型的复杂结构，裂缝控制仍是制约发展的因素。本文从大体积混凝土裂缝产生机理出发，分析裂缝产生机理及影响因素，并针对影响因素提出相应的裂缝控制措施，包括从设计构造方面进行优化设计，合理选择材料并优化混凝土配合比、提高混凝土的施工质量、加强混凝土的保温和养护工作，对实际工程应用具有一定的指导意义。
关键词：大体积混凝土；裂缝；机理；控制
我国《大体积混凝土施工标准》GB50496-2018里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，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，称之为大体积混凝土。大体积混凝土结构的设计和施工不同于一般的混凝土结构，它有自己本身的一些特点。在大体积混凝土结构设计中通常要求不出现拉应力或只出现很小的拉应力，对于自重、水压等外荷载，要做到这点一般不困难。但在施工和运行期间，大体积混凝土结构中往往会由于温度变化而产生很大的拉应力。要将这种由于温度变化而引起的拉应力限制在允许范围内是不容易的。正是由于这个原因，在大体积混凝土结构中往往会出现所谓的“温度裂缝”。经验表明，要防止大体积混凝土结构中出现危害性的裂缝，须精心设计、精心施工，才能使裂缝得到控制。本文基于此，从大体积混凝土裂缝控制的理论出发，分析了裂缝产生的机理和影响因素，并提出了大体积混凝土裂缝控制的方法。
2.裂缝产生及影响因素分析
2.1裂缝产生机理
结构内部温度和外部环境温度，在大体积混凝土中作为使结构发生变形的因素，形变往往伴随着裂缝的产生。在结构中引起的看得见裂缝分为大体积混凝土表观裂缝和比较严重的基础贯穿裂缝两种。大体积混凝土结构内部的水泥在整个施工过程中放出大量的水化热，而使大体积混凝土产生较大的难以控制的内外温度变化，也可以说混凝土温度裂缝的产生，是其结构内部相互矛盾的因素发展的结果。一方面是大体积混凝土由于自身结构和材料的特性产生较大的内外温差从而带来的温度应力和应变，另一方面则表现在大体积混凝土的外部约束和内部各质点间的约束，这两种约束要阻止内外温差带来的温度应变。一旦其内部温度应力超过大体积混凝土的极限抗拉强度时，就会产生裂缝，这是大体积混凝土结构产生温度裂缝的本质原因。
2.2裂缝影响因素分析
2.2.1 水泥水化热
大体积混凝土相对于普通混凝土，在单位体积内其水泥含量较大，水泥产生大量的水化热，所以大体积混凝土较普通混凝土而言其内外温度变化更为显著。除此之外，因大体积混凝土结构尺寸较大，胶凝材料产生的水化热积聚大体积混凝土内部难以散发出来，在混凝土结构内部形成复杂的温度场。整个过程中，大体积混凝土内部的中心温度都比较高，又由于混凝土是导热性能较差的材料，外部结构表面由于散热比较快，与所接触的环境温度保持一致。较高的中心温度和较低的表面温度形成内外较大温差，进而引起大体积混凝土结构内部复杂的温度应力，而温度应力就是造成温度裂缝的主要原因。
2.2.2 环境温度
在施工阶段的大体积混凝土，外界环境温度的变化对混凝土结构的影响是极大的，在施工中必须根据外部环境温度的大小来控制大体积混凝土的入模温度。大体积混凝土的浇筑温度取决于环境温度，外部温度高相应的大体积混凝土的浇筑温度即入模温度也会越高；外界温度低混凝土的浇筑温度也低，如果遇到外界环境温度突然下降的情况，其降温幅度增加又会增加大体积混凝土内部中心温度和外部混凝土表面的温差，内外温差的突然增大对大体积混凝土的结构稳定性及抗裂方面是极为不利的。
温度应力是由大体积混凝土的内外温差引起的；内外温差越大，相应的温度应力也就越大。如果，外部环境温度过高的话，大体积混凝土的散热是很困难的，大体积混凝土浇筑后一段时间，其内部的最高温度一般都在60-65°C，并且这种内部的高温持续的时间也较长。所以在这样的情况下，提前掌握外部环境温度并控制合理的浇筑温度，防止大体积混凝土产生较大的内外温差，是一项更为实际更为重要的内容。
2.2.3 混凝土收缩变形
有关混凝土的体积收缩现象，认为其内部机理是相对而言比较复杂的。从根本上来说，其内部原因可能与毛细管的引力有关，而该引力则是混凝土内部孔隙中的水分蒸发引起的。有研究表明混凝土的收缩存在可逆的现象，即可表示为：混凝土失水收缩、吸水膨胀，收缩后吸水又可以恢复到原来的状态。存在这种交替可逆的现象对混凝土的实际工程是极为不利的。
实践证明，混凝土的体积收缩变形必会引起温度应力，该项温度应力的大小在具体的分析计算中是不可忽略的。此外，混凝土收缩变形的影响因素有很多，内部因素有混凝土自身内部水泥的品种、混凝土的粗细骨料、各种添加剂等，外部因素主要有混凝土的施工工艺，后期养护条件等。
2.2.4 约束条件
约束条件在不同的结构与环境下是不同的，分类来说的话一般有两类基本约束：外部约束条件和内部约束条件。外部约束条件显而易见指的是外部因素对结构变形产生的约束，边界条件就是外约束的一种，比如支座对上部结构的变形产生的大小不同的约束就是外约束。内部约束条件一般指的是内部因素之间的相互约束，大体积混凝土由于具较大的断面结构，其内部水泥水化放热的过程中，温度变化的不均匀性而导致内部各质点变形及收缩的不均匀性。这种不均匀性又导致了相互之间的约束。除此之外，大体积混凝土结构的大断面特性，也决定了其变形在一定程度上会受到周围其它物体约束，这种约束就可以说是宏观约束。因此，大体积混土在水化放热的过程中由于温度的不均匀变化产生一定程度的变形，而这种变形又由于约束条件的影响受到抑制，这样应力就产生了，这就是温度应力的概念。而当温度应力超过大体积混凝土材料的极限应力时，结构便会出现裂缝。
3.裂缝控制措施
3.1设计构造要求
在根据生产需要和满足设计要求的情况下，大体积混凝土的施工还应符合下列要求：
（1）一般性的大体积混凝土设计强度最大值不宜超过 C40；
（2）满足规范要求的配筋率是控制温度裂缝的有效措施；
（3）滑动层的应用往往是在坚硬的地基上，如：岩石类基础；
（4）外部约束对大体积混凝土影响较大，应尽量考虑减少外部约束；
（5）设计中还应考虑温度场和相应的测试，并提出要求；
（6）不宜设置施工缝或者变形缝的位置可以用后浇带代替；
（7）水平施工缝的设置有利于浇筑过程中控制温度应力产生的裂缝；
3.2合理选择原材料，优化混凝土配合比
选择混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能力，具体说来，就是要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小、线膨胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。根据国内外经验主要有以下几条：
（1）选择水泥。混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两方面的要求，一般采用低热矿渣水泥，中热硅酸盐水泥掺入一定的粉煤灰。外部混凝土，除抗裂性能外，还要求抗冻融性、耐磨性、抗蚀性、强度较高及干缩较小，因此一般采用较高标号的中热硅酸盐水泥。当环境水具有硫酸盐侵蚀时，应采用抗硫酸盐水泥。
（2）掺用混合材料。实验资料表明，在混凝土内掺入一定数量的粉煤灰，由于粉煤灰具有一定活性，不但可以代替部分水泥，而且能改善混凝土的粘塑性，改善混凝土的可泵性，降低混凝土的水化热。掺加粉煤灰后可改善混凝土的后期强度，但是其早期抗拉强度及早期极限拉伸值均有少量降低。因此在工程中常在混凝土中掺加粉煤灰做外掺料。
（3）掺用外加剂。减水剂是最常用、最重要的外加剂，它具有减水和增塑作用，在保持混凝土坍落度及强度不变的条件下，可减少用小量，节约水泥、降低绝热温升。引气剂的作用是在混凝土中产生大量微小气气泡以提高混凝土的抗冻融耐久性。近年来，人们研究出用膨胀剂配制的补偿混凝土能产生一定的膨胀，这种膨胀在内外约束条件下产生一定的内压应力，这种内压应力与冷缩或干缩产生的拉应力相抵消，建立混凝土内部新的应力平衡而防止开裂。在配筋足够时，要形成足够的内压应力，就必须有膨胀作保证，以使内压应力与抗拉强度的总值等于或大于因温差收缩产生的拉力，因此，膨胀对温差的补偿效应。实质上就是膨胀应力对温差收缩产生拉应力的补偿。利用这种温差补偿效应，取得了防渗抗裂的效果。
（4）优化混凝土配合比。严格控制砂石骨料的含泥量，在保证混凝土弧度及流动条件下，尽量节省水泥，降低混凝土绝热温升。
3.3提高混凝土施工质量，改善混凝土性能
（1）要重视施工前的准备工作。各种设备、工具要能立即投入使用，使混凝土温度控制能够满足设计要求。
（2）控制出机温度。对混凝土出机温度影响最大的是石子及水的温度。为了降低出机温度，其最有效的办法是降低石子的温度。在气温较高的季节施工时，为了防止太阳直接照射，可在砂石堆场上搭设遮阳蓬，必要时也可在使用前冲洗骨料。
（3）控制浇筑温度。为了降低混凝土从搅拌机出料到卸料，泵送和浇灌振捣后的温度，减少结构的内外温差，一般按季节采取措施，如夏季施工时，则应以减少冷量损失、着手在整个长度的水平输送管道上覆盖草包并经常喷洒冷水、在浇灌混凝土时，采用一个坡度、薄层浇灌、循序推进、一次到顶等措施来缩小混凝土暴露面积以及加快浇灌速度，缩短浇灌时间。在冬季施工时，对结构厚度在1m以上的大体积混凝土继续施工，但应保证保温浇灌、保温养护，一般可利用混凝土本身散发的水化热养护自己，并要求在混凝土没有达到允许临界强度以前防止冻害。
（4）振捣工艺。即是浇灌后的混凝土，在振动界限以前，给予二次振捣，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和孔隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，以减小内部微裂，增加混凝土密实度，混凝土浇筑可采用全面分层浇筑和分段分层浇筑及斜面分层浇筑三种，见图3.1。
图3.1混凝土的浇注方式示意图
全面分层浇筑是在第一层全面浇筑完毕后，开始浇筑第二层时，已施工的第一层混凝土还未初凝，如此逐层进行，直至浇筑完成；分段分层浇筑，适用于厚度不大而面积或长度较大的工程，施工时混凝土先从底层开始浇筑，进行至一定距离后再浇筑到第二层，如此依次向前浇筑其他各层；斜面分层适用于结构的长度超过厚度的三倍的浇筑层，振捣工作从浇筑层的下端开始，逐渐上移，此时向前推进的浇筑混凝土摊铺坡度应小于1：3，以保证分层混凝土之间的施工质量。
混凝土浇筑时的分层厚度应不超过振动捧长度的1.25倍，在振捣上一层时，应插入下一层混凝土内约5cm，以消除两层之间的接缝，一般在大体积混凝土工程中，分层厚度可定为40一60cm，数量较少的混凝土工程中分层厚度可取25~35cm。
3.4加强混凝土的保温和养护
保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生。无论在常温还是在负温下施工，混凝土表面都需覆盖保温层。常温保温层，可以对混凝土表面因受大气温度化或雨水袭击的温度影响起到缓冲作用；负温保温层则根据工程项目地点、气温以及控制混凝土内外温差等条件进行设计。但负温保温层必须设置不透风材料覆盖层，否则效果不够理想。
大体积混凝土的养护应符合下列要求：
（1）保温养护措施，应使混凝土浇筑块的里外温差及降温速度，满足温控指标的要求。
（2）保温养护的时间，应根据温度应力（包括混凝土收缩产生的应力）加以确定，合理的保温时间应从混凝土降温时开始，这是因为：
1）混凝土在升温阶段基本上处于受压状态（表面拉应力非常小），混凝土出现裂缝的机会非常小。
2）在升温阶段开始保温，这实际上是进行混凝土蓄热，势必提高了混凝土的最高温升，混凝土保温开始至少在混凝土浇筑3d以后进行。
3）大体积混凝土的养护期不得少于15天，保温层覆盖层的拆除应分层逐步进行。
（3）保温养护过程中，应保持混凝土表面湿润。保湿可以提高混凝土的表面抗裂能力。有资料表明，潮湿养护时，混凝土极限拉伸值比干燥养护时要大20~50%。
（4）具有保温性能良好的材料可以用于混凝土的保温养护中。在大体积混凝土施工中可因地制宜地采用保温性能好，而又便宜的材料作为大体积混凝土的保温养护中，如塑料薄膜、草袋等。
4结论
大体积混凝土之所以被广泛深入的研究，是因为它在建筑工程领域的应用及其广泛，在我国城镇化建设的过程中有着非常大的贡献。本文初步探究大体积混凝土裂缝的产生机理、影响因素，并提出控制大体积混凝土裂缝的措施。
施工过程中产生的裂缝根据所处位置大致可分为：表面裂缝、贯穿裂缝和深层裂缝。其中，表面裂缝非常常见，几乎不可完全避免，存在于大体积混凝土浇筑完毕后的 1—3 天，而贯穿裂缝和深层裂缝则常见于混凝土降温过程中由于温差过大收缩而形成。混凝土裂缝的产生主要有自身因素和其他环境因素两方面。自身因素往往是材料方面、设计方面以及施工方面；其他环境因素一般是外界气温变化的影响。
大体积混凝土防止温度裂缝的一般措施是：改进混凝土配合比，如采用低热水泥，减少单位体积水泥用量；控制浇捣温度，尽量避免在高温季节施工或采用骨料预冷等方法降低入模温度改善边界散热条件及约束条件，尽量减小混凝土温差；提高混凝土施工质量，改善混凝土抗裂性能；加强大体积混凝土的保温和养护。
参考文献
[1]陈桂林，姜玮，刘文超，曹万林.大体积混凝土施工温度裂缝控制研究及进展[J].自然灾害学报，2016，25（03）：159-165.
[2]夏玲.大体积混凝土施工的裂缝控制研究[D].湖北工业大学，2017.
[3]齐亚丽.大体积混凝土温度裂缝控制研究[D].吉林建筑大学，2018.
[4]龚剑，李宏伟.大体积混凝土施工中的裂缝控制[J].施工技术，2012，41（06）：28-32.
[5]路璐，李兴贵.大体积混凝土裂缝控制的研究与进展[J].水利与建筑工程学报，2012，10（01）：146-150.
[6]童育林.大体积混凝土裂缝控制研究[D].重庆大学，2004.
[7]屈涛.大体积混凝土温度应力及裂缝扩展的研究[D].武汉理工大学，2007.
[8]范德均.建筑工程大体积混凝土裂缝控制与应用[D].重庆大学，2006.
论文作者:贺培根,张壮壮,韩明明,葛浩胜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年14期
论文发表时间:2019/10/17
标签：混凝土论文; 体积论文; 裂缝论文; 温度论文; 应力论文; 温差论文; 水化论文; 《建筑学研究前沿》2019年14期论文;