关键词：大体积混凝土；温度应力；温度裂缝控制；
1、大体积混凝土的概念
1.1 大体积混凝土的概念
根据《大体积混凝土施工标准》GB50496-2018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”。
在《建筑施工手册》中：大体积混凝土指的是最小断面尺寸大于1m以上的混凝土结构，其尺寸已经大到必须采用相应的技术措施妥善处理温度差值，合理解决温度应力并控制裂缝开展的混凝土结构。
1.2 大体积混凝土与普通混凝土的区别
从字面上来说，大体积混凝土与一般混凝土的差异在厚度上是最直观的表现。还有一点，那就是大体积混凝土因为厚度的原因，外部温度和内部温度有很大差别。而普通混凝土厚度较小，所以温度差也相应较小。所以大体积混凝土更加容易发生裂缝。因此判断是否属于大体积混凝土既要考虑厚度这一因素，又要考虑水泥品种、强度等级、水泥用量等因素，比较准确的方法是通过计算水泥水化热所引起的混凝土的温升值与环境温度的差值大小来判别，一般来说，当其差值小于25℃时，其所产生的温度应力将会小于混凝土本身的抗拉强度，不会造成混凝土的开裂，当差值大于25℃时，其所产生的温度应力有可能大于混凝土本身的抗拉强度，造成混凝土的开裂，此时就可判定该混凝土属于大体积混凝土。
2、大体积混凝土施工中温度及裂缝原因分析
2.1 温度裂缝的类型
温度裂缝有三种形式：表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。
2.1.1表面裂缝
在混凝土固结时，水泥会因为水化反应产生大量的热。此时结构体内部的热量往外面散发，由于表面直接暴露在空气中，所以表面的温度可以直接传到散发到空气中。因为表面损失热量的速度快，而里面的比较慢，这个时候就会有温度差进而裂缝就会产生。混凝土表面温度低、内部温度高，就会在结构内外产生温度差，使混凝土内部形成压应力，表面产生拉应力。刚开始表面拉力不大，但由于是刚开始浇筑，所以内部的抗拉强度也不大。如果这个时候抗拉强度小于拉应力时，裂缝就会出现。表面裂缝不属于结构内部，但是在后期的收缩过程中，裂缝处已经断裂，所以受力太小就会形成集体断裂的后果，最后的结果就是使表面的裂缝越来越大。
2.1.2深层裂缝及贯穿裂缝
在混凝土浇筑的开始阶段，整个结构是温度上升的阶段。混凝土浇筑几天后，水泥水化热几乎都已经散发，混凝土从最高温度慢慢降低，结果就会使混凝土收缩，再者混凝土中多余水分蒸发，这个时候结构体在慢慢的凝固，因为此时其应力和应变的比例系数可以忽略，所以变形很小进而变形引起的应力也是可以无视的。这个时候温度因素就可以不作考虑了。但是在几天后，结构体的化学反应的热量已经散发的差不多了。这个时候温度的差异从高温到低温的过程中，整个混凝土的体积也会收缩，内部的水也会挥发。最后受到基础和边界条件的控制，当温度应力超过上限时，裂缝就从约束面一路向上延伸。这个时候就形成了深层裂缝。
贯穿裂缝的产生是基于深层裂缝的产生。不同的是应力的大小不同引起的效果就不同。贯穿裂缝的表现最为直接，一般会从结构体表面直接到结构层，直截了当一刀切的效果。贯穿裂缝对我们影响是最恶劣的，对整个结构的稳定性会造成巨大的威胁。
2.2 温度应力的分析
裂缝在大体积混凝土中形成的原因不是荷载，是温度差。因为混凝土的特殊材质，所以其导热能力非常弱。导热只能依靠自然散热，所以这样的结果就是外部热量低，而内部的热量基本没变化。这样温度的差值就会非常明显。因为温度的差值，温度应力大于荷载应力最后就会形成裂缝。所以在大体积混凝土中要注意温度因素。
2.3温度应力的形成过程
2.3.1早期：从最初混凝土浇筑到水泥释放水化热差不多结束，这个过程通常为30天左右。在这个阶段，有两点要注意。第一，此时水泥发生水化反应产出大量的热。第二，在凝固的过程中混凝土的应力和应变的比例系数发生改变，最后就会形成残余的应力。
2.3.2中期：水泥发生的水化反应产出的热量到与外部温度相同时，也就是完全的冷却了。在这个冷却的过程中，温度应力的产生是由于外部温度形成的，这时候结构体的弹性模量很小。
2.3.3晚期：在后期的时候冷却完全，温度应力的形成就完全是周围的环境温度变化形成的。在这个阶段应力也会变化。
2.4温度裂缝产生的原因分析
2.4.1升温阶段：在温度上升的这个阶段，混凝土里面的温度高于外部的温度。这个时候一个基础的理论就发挥作用了，受热物体会变大,而此时混凝土里面向外扩张得很快，但是由于因为混凝土外部的束缚所以里面的部分不会产生断裂。与此同时，混凝土表面也有约束力作用，因为有温度差所以会收缩。这个时候产生的应力对表面有一个表面拉应力（t）的作用，当混凝土外部已经不能在为这个应力提供承受场所的时候，于是表面就产生了破坏有了裂缝。
2.4.2升温过渡到降温阶段：以上反应的过程会因为时间而减弱和结构体的自然降温而使结构体的整体温度开始降低，大体积混凝土就从升温转到了降温阶段。在这个的过程中，因为散热都是自然散热从内部到外部是一个缓慢的过程。有了这个时间差，就会形成温度差。在一定的程度上，如果温度差值大了就会产生裂缝。
2.4.3降温阶段：在降温的阶段，由于温度下降，混凝土结构的体积会收缩，但是混凝土它会受到它周围结构的束缚，所以这个时候就会发生约束收缩。与此同时，要考虑到混凝土的使用年龄和强度的变化，使得其应力和应变的比例系数增大。在降温变化时产生的拉应力除了中和升温时产生的压应力之外，还会在结构体中形成很大程度的拉应力（t），当这个应力已经到混凝土承受极限时就会直接造成的贯穿缝。在大体积混凝土施工中，水在水泥与各种材料的反应中起着至关重要的作用，但现实施工中为了保证水泥流动性、粘聚性及保水性，一般会加比原来用水量多很多的水，而那些剩余的水为游离状态，这种状态的水特别易于蒸发，就会造成混凝土体积收缩（称为干缩）。这种混凝土的干缩和混凝土自然散热所发生的冷缩相互作用，最后就会使裂缝在混凝土中的形成速度大大提升。
3、大体积混凝土温度裂缝的防治措施
3.1 在材料方面的措施
大体积混凝土的温度裂缝对建筑物结构的各项性能都产生了危害，所以我们要对它进行控制。其主要原因要是水泥释放水化热使混凝土温度上升造成的，因此要采取合适措施加以控制。严格的选择和使用材料是防治手段中的重要一环。
3.1.1 水泥的选择
水泥在混凝土中主要是连接各种材料，水泥同时也为混凝土提供了大部分的强度。为了降低混凝土的温度差，我们不妨从减少水化热这一方面入手，因此我们可以在混凝土中使用低热水泥。选用合适成分的水泥也可为了降低水化热，一些实验证明：C3S和C3A在水泥中所占的比例较多的话，其所产生的水化热也多。因此为了降低水泥的水化热，就得减少水泥中C3A、C3S所占的比重。所以在混凝土中，我们通常加入的中热或低热的水泥。
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3.1.2 骨料的选择
骨料在混凝土中扮演着至关重要的角色，它就像人的骨骼一样，支撑着混凝土的结构，而且它还减少了水泥的收缩。级配愈优良的集料，它形成的混凝土骨架愈稳定，对抗形变的能力愈好。如果骨料级配优良的话，我们可以往混凝土中少加入一些水泥，减少混凝土的收缩。碎石与卵石级配越好，对降低混凝土的收缩也越好。应使用线膨胀系数低的石灰岩骨料作为粗骨料，像碎石这样形状最好，级配良好，粒径在5～40mm之间，可相应的减少水泥用量，降低水化热。细骨料采用中、粗沙，细度模数为2.5～3.2，以降低混凝土的干缩，减少水化热。
3.1.3 外加剂的选择
水化热是裂缝产生最重要的一个因素，可在制作混凝土的过程中加入一定量的的粉煤灰，从而可以少加些水泥，减少水化热。但是我们加入的粉煤灰不宜太多，只要低于30％就行。在制作混凝土的过程中我们可以加入一定量的的减水剂，这样可明显的加强混凝土的充满模板的能力。还使水泥的水化率得到提升，加强了混凝土的强度，从而减少了水化热，而且还可以有效地减慢水化热散热速率。
3.2 设计方面的措施
3.2.1 合理配置钢筋
在设计一个构件时，需要重点关注构造筋的分布。对于大体积混凝土构件来说这是重中之重，其中的构造钢筋分布、数量与大小要合理。对大体积混凝土来说，在基础施工时，必须在其中配置不可或缺的温度配筋，并且还要多加些斜向构造配筋，将其配置在孔洞转角和附近，避免开裂。在设计时，要将分布筋合理的变动，以确保温度筋能遍布每个层面。温度筋最好仔细而周密的布置，通常是直径8mm钢筋，双向配筋，间距15cm。如此便可加强抵抗温度应力的能力。
3.2.2 改善约束条件，削减温度应力
为了降低混凝土的约束程度，对于大体积混凝土来说，我们可以在纵向和横向方面做一些施工缝也可以在合适的地方做一些后浇带。在浇筑混凝土时，我们可以一段一段浇筑，这样可以降低混凝土中水化热的相互聚集。对大体积混凝土而言，在结构与结构之间我们可以做一些缓冲与滑动层，这样可以达到降低对结构的约束作用。
3.2.3 “抗”与“放”相结合的设计原则
对于‘抗’与‘放’，在结构设计中我们要正确处理这两者的关系。‘抗’指的是一种抵抗产生裂缝的手段，而产生这种裂缝的原因是结构没有设缝而使其处于被周围物体束缚，而‘放’指的是结构周围设置了合理的施工缝，结构处于无拘无束情况下的措施。设计时应该巧妙地结合这两种手段，以兼施手段或以其中一个为主等手段来控制施工。
3.3 施工方面的措施
3.3.1 施工工艺的选择
（1）合理的浇筑方案
依据结构的布置、混凝土的供应能力可以分为以下三种浇筑方案：
①全面分层。就是把结构从空间上分为个作业层面进行，然后再一层一层的施工，直到浇筑作业的完成为止，只有当本层面的作业完成后才能进行下一个层面的作业，该方案用于左右两边的距离和上下两边的距离都不是很大的结构。②分段分层。就是把结构从横向方向上划分为几个作业区段，再将其在纵向方向上划分为几个作业层面，它需要慢慢地每一段每一层的连续不断的施工，只有先把第一段的每一个层面做完后才能进行第二段的每一层面的施工，一直到浇筑作业的完成为止，该方案用于结构左右两边的距离不大，但是上下两边的距离较大的情况。③斜面分层。就是把混凝土从下到上迅速的浇筑到上面，然后让其在重力的影响下自动的向下流动，最后它就会变成有一定倾斜程度的面层。这种方案只需要在上一个区段的混凝土失去塑性之前进行下一区段的施工就行，并且它适用于左右两边的距离超过上下两边的距离3倍的结构。
对于大体积混凝土施工，在以上几种方案中，通常是用斜面分层连续浇筑的方法，其目的是减少混凝土的温升，从而到降低温度应力。
（2）混凝土的搅拌工艺
现在我们用的最多的就是在混凝土搅拌站直接运输过来的商品混凝土，搅拌是非常均匀的，在工艺方面肯定是更加的符合要求。对于特殊用途的混凝土人工生产达不到要求，就拿大体积混凝土这个例子来说搅拌环境要低温环境，加入的骨料还不能直接太阳暴晒。二次投料的搅拌工艺可以避免混凝土中水分子集聚在砂石上，这样的混凝土在变硬之后结构就会变得非常的紧密。这样一来就可以提高结构体的强度和节省原材料减少成本。另一方面，在搅拌时间上时间更长可以最大程度的保证混凝土的密度均匀，从而保证更好的生产。
（3）改进混凝土的振动工艺
振动对于混凝土施工来说是不可或缺的一个环节，一般在浇筑时采用振动机械进行振动。为了提高结构体的质量，采用二次振动。这样可以排出内部的气泡气体，保证内部空间的密实、还可以减少内部的水分，结构体的抗拉强度就提高了。在其他方面也有作用，比如排气后裂缝和气孔的发生概率就低了很多抗裂性能提高。在施工过程中振捣的技术也很重要，不能随便就浇捣。振动捧要跟随浇筑点，当混凝土浇筑后马上开始，插入时速递要快、振动完毕后抽出的速度要越慢越好。另一方面要控制时间不能长也不能短，不能漏也不能过，所以这一项施工需要经验丰富的施工人员去做。
3.3.2施工中温度的控制
温度的高低是对混凝土是否开裂的一个重要的因素，所以在施工中温度的配合控制是必须注意的一点不能忽视。
⑴降低混凝土的出站温度：一般采用隔绝阳光直射搭建遮蔽物；使用冰水搅拌；取骨料、掺合料时挖机从内部取；在搅拌的前一天对石子降温；这样就可以降低出站的温度了。
⑵降低混凝土的浇注温度：在混凝土浇筑前对接触的钢筋、模板先进行物理降温，一般用水直接浇淋。在罐车出发前，对罐体进行降温浇水；模板在搭接好后进行遮蔽避免因为太阳直射而温度升高；如果条件允许可以选择晚上或者气温低的时刻进行。
⑶混凝土的降温和保温：在大体积混凝土施工中，会发生一种对混凝土很不利的作用，那就是水化。所以一般会提前做散热准备，一般会预留散热孔或者活水降温等。在混凝土浇筑成型后还需要建造个水池，利用水温直接降温，铺设薄膜或者草皮养护降温防止混凝土因为温度差引起开裂。
结语：
大体积混凝土本身的强度不是很高，因为它一般是在建筑建筑物的底部，主要是保证建筑物平稳。但是对质量的要求却比较严格，一定要较少裂缝的产生，从而降低裂缝带来的危害。混凝土的浇筑方法至关重要，一定要按照正规流程，严格遵守建筑工程法规，发现问题要及早纠正，各个环节要密切配合，这样才能做到最大化提高混凝土的质量，减少混凝土裂缝的出现。
随着时代的发展，社会的不断进步，人民的生活水平不断的提高，可以预见未来建筑工程中大体积混凝土的数量会急速增长，大体积混凝土裂缝的防治问题也会愈迫切。由于每种材料都有一定的限度，在不久的将来，人们会发现更多其它的材料来代替混凝土。因此，未来的研究方向应该是多样化的，而不是单一的，它需要长期的努力和不断的改进。
主要参考文献：
[1] 《大体积混凝土施工标准》GB50496-2018.
[2] 建筑施工手册第三版编写组 2012年1月第二版 中国建筑工业出版社.
[3] 中国建筑工程总公司.混凝土结构工程施工工艺标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2013 .
论文作者:笱星宇
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷18期
论文发表时间:2019/12/19
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 温度论文; 应力论文; 体积论文; 水化论文; 结构论文; 《建筑实践》2019年第38卷18期论文;