曹 涯

（中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 南寧 530007）

高層建筑基礎(chǔ)中大體積混凝土施工裂縫的預(yù)控措施

曹 涯

（中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 南寧 530007）

對(duì)大體積混凝土的概念、特點(diǎn)及施工裂縫原因較為詳細(xì)的分析，提出了控制和防止裂縫的一些有效措施,為大體積混凝土施工總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工程技術(shù)管理人員有一定的借鑒作用。

高層建筑；大體積混凝土；裂縫；預(yù)控措施

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物質(zhì)文明的極大提高及建筑施工技術(shù)水平的日臻成熟完善，同時(shí)，也因土地資源日漸減少與人口增長(zhǎng)之間日益突出的矛盾，高層建筑也越來越多。而高層建筑基礎(chǔ)中大體積混凝土施工裂縫的出現(xiàn)對(duì)工程結(jié)構(gòu)存在極大的安全隱患，故迫切解決的問題就是如何控制大體積混凝土的施工裂縫。

（一）大體積混凝土的概念、特點(diǎn)及裂縫原因

大體積混凝土是指厚度大于或等于1.5m，長(zhǎng)、寬較大，施工時(shí)水化熱引起混凝土內(nèi)的最高溫度與外界溫度之差不低于25℃的混凝土結(jié)構(gòu)。大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)多為工業(yè)建筑中的設(shè)備基礎(chǔ)及高層建筑中厚大的樁基承臺(tái)、箱形基礎(chǔ)、地下室底板和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層等。

大體積混凝土的特點(diǎn)是混凝土澆筑面和澆筑量大，整體性要求高，往往不允許留施工縫，要求一次連續(xù)澆筑完畢。另外，澆筑后水泥的水化熱量大且聚集在構(gòu)件內(nèi)部，形成較大的內(nèi)外溫差，易造成混凝土表面產(chǎn)生收縮裂縫等。

其特征是結(jié)構(gòu)厚實(shí)，混凝土量大，工程條件復(fù)雜，施工技術(shù)要求高；水泥水化熱使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度和收縮變形；應(yīng)采取相應(yīng)的措施，盡可能減少溫度變形引起的開裂。

大體積混凝土施工裂縫在高層建筑底板基礎(chǔ)中經(jīng)?？梢砸姷?，經(jīng)驗(yàn)及檢測(cè)證實(shí)了大體積混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中存在著肉眼不可見的裂縫。也就是說沒有裂縫的混凝土幾乎沒有。因此，施工中預(yù)控方法是相當(dāng)重要的。常見裂縫主要有以下三種類型：1.粘著裂縫。指鋼筋與水泥石粘接面上的裂縫，主要沿鋼筋周圍出現(xiàn)；2.水泥石裂縫。指水泥漿中的裂縫，主要出現(xiàn)在鋼筋與鋼筋之間；3.鋼筋骨料裂縫。指鋼筋或者骨料等本身的裂縫。

這三種裂縫比較，前兩種較多，大體積混凝土的裂縫主要指前兩種，它們的存在對(duì)于大體積混凝土的基本物理力學(xué)性質(zhì)如彈塑性、各種強(qiáng)度、變形、泊松比、結(jié)構(gòu)剛度、化學(xué)反應(yīng)等有著重要的影響。大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因可按其構(gòu)造理論加以解釋，即把混凝土看做是由鋼筋、水泥石、氣體、水份等組成的非均質(zhì)材料，在溫度、濕度和其他條件變化下，混凝土逐步硬化，同時(shí)產(chǎn)生體積變形，這種變形是不均勻的，水泥石收縮較大，鋼筋收縮很小，水泥石熱膨脹系數(shù)較大，鋼筋熱膨脹系數(shù)較小，他們之間的相互變形引起約束應(yīng)力。在構(gòu)造理論中提出了一種簡(jiǎn)單的計(jì)算模型，即假定圓形鋼筋不變形且均勻分布于均質(zhì)彈性水泥石中，當(dāng)水泥石產(chǎn)生收縮時(shí)引起內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力可引起粘著微裂縫和水泥石裂縫，混凝土的裂縫肉眼是看不見的，肉眼可見裂縫范圍一般以0.05mm為界。大于等于0.05mm的裂縫稱為宏觀裂縫，它是裂縫擴(kuò)展的結(jié)果，也是對(duì)工程結(jié)構(gòu)危害最大的裂縫。

造成大體積混凝土施工裂縫的根本原因是混凝土的內(nèi)外溫差。溫度影響有施工期的升溫和降溫兩個(gè)過程，從而產(chǎn)生溫差內(nèi)應(yīng)力的作用。由于水泥砂漿與鋼筋熱膨脹系數(shù)的不同，在升溫過程中溫度荷載作用下水泥砂漿與鋼筋所形成的界面首先產(chǎn)生損傷，并隨溫度增加而發(fā)展。當(dāng)溫度降低時(shí)即產(chǎn)生混凝土的收縮而出現(xiàn)施工裂縫。

（二）大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要影響因素

大體積混凝土溫度在凝結(jié)硬化過程中，水泥進(jìn)行水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱。強(qiáng)度增長(zhǎng)初期，屬于升溫階段，水化熱產(chǎn)生越來越多，蓄積在大體積基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部，熱量不易散失，致使內(nèi)部混凝土溫度越來越多，由于大體積基礎(chǔ)外部散熱條件要好一些，其溫度上升較內(nèi)部混凝土而言要緩慢一些，從而在內(nèi)外混凝土之間形成溫差，此溫差導(dǎo)致內(nèi)外混凝土變形程度不一致，內(nèi)部混凝土受壓，外部混凝土受拉，由于混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗拉強(qiáng)度，故當(dāng)溫差超過一定程度后，就易拉裂外表混凝土，即在混凝土表面形成裂縫。

當(dāng)混凝土內(nèi)部溫升達(dá)到最高值后，溫度就開始下降，此階段屬于降溫階段。降溫階段，混凝土體積開始收縮，但其收縮又受到基巖或混凝土墊層的約束，從而在混凝土塊體內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。一旦拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，便在基礎(chǔ)底部產(chǎn)生裂縫，若溫度應(yīng)力繼續(xù)增大，裂縫向上延伸，直至貫穿裂縫。就將嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)的整體性，對(duì)于基礎(chǔ)的承載能力和安全極為不利，在工程施工中必須避免。

大體積混凝土由于截面大，水泥用量大，水泥水化釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化，由此形成的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫可分為兩種：

1.內(nèi)外溫差引起的裂縫

（1）內(nèi)外溫差引起的拉伸裂縫

大體積混凝土澆筑初期，水泥水化產(chǎn)生大量水化熱，使大體積混凝土的溫度很快上升。但由于大體積混凝土表面散熱條件較好，熱量可以向大氣中散發(fā)，因而溫度上升較少；而大體積混凝土內(nèi)部由于散熱條件較差，熱量散發(fā)少，因而溫度上升較多，內(nèi)外形成溫度梯度，形成內(nèi)外約束。

（2）內(nèi)外溫差引起的收縮裂縫

大體積混凝土澆筑后數(shù)日，水泥水化熱基本上已釋放，大體積混凝土從最高溫逐漸降溫，降溫的結(jié)果引起大體積混凝土收縮，再加上由于大體積混凝土中多余水份蒸發(fā)、碳化等引起的體積收縮變形，受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束（外約束），不能自由變形，導(dǎo)致產(chǎn)生溫度應(yīng)力（拉應(yīng)力），當(dāng)該溫度應(yīng)力超過大體積混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，則從約束面開始向上開裂形成溫度裂縫。如果該溫度應(yīng)力足夠大，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生貫穿裂縫。

大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫，是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是大體積混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面是結(jié)構(gòu)的外約束和大體積混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束（內(nèi)約束）阻止這種應(yīng)變。一旦溫度應(yīng)力超過大體積混凝土能承受的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。此大體積混凝土溫度應(yīng)力的大小取決于水泥、水化熱、拌合澆筑溫度、大氣溫度、收縮變形及當(dāng)量溫度等因素，同時(shí)它與大體積混凝土的降溫散熱條件和升降溫速密切相關(guān)的，而大體積混凝土抗拉強(qiáng)度的提高與大體積混凝土本身材料性能有關(guān)，此外還與施工方案及配筋等因素有關(guān)。

2.水泥水化熱作用產(chǎn)生的裂縫

水泥在水化過程中要產(chǎn)生一定的熱量，是大體積混凝土內(nèi)部熱量的主要來源。由于大體積混凝土截面厚度大，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，所以會(huì)引起急驟升溫。水泥水化熱引起的絕熱溫升，與混凝土單位體積內(nèi)的水泥用量和水泥品種有關(guān)，并隨混凝土的齡期按指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，一般在10d左右達(dá)到最終絕熱溫升，但由于結(jié)構(gòu)自然散熱，實(shí)際上混凝土內(nèi)部的最高溫度，大多發(fā)生在混凝土澆筑后的3～5d。

外界氣溫變化。大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工期間，外界氣溫的變化對(duì)大體積混凝土開裂有重大影響。大體積混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度（即大體積混凝土的入模溫度，它是大體積混凝工水化熱溫升的基礎(chǔ)，可以預(yù)見，大體積混凝土的入模溫度越高，它的熱峰值也必然越高。工程實(shí)踐中在高溫季節(jié)澆筑常采用鋼筋預(yù)冷，加冰拌和等措施來降低澆筑溫度，控制大體積混凝土最高溫升，原因在此）。水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和。

（三）大體積混凝土的施工方案

大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工方案，可分為全面分層、分段分層和斜面分層三種方案。

1.全面分層（圖1a）。在整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)全面分層澆筑混凝土，要做到第一層全部澆筑完畢，在初凝前再回來澆筑第二層，如此逐層進(jìn)行，直到澆筑完成。采用此方案，結(jié)構(gòu)平面尺寸不宜過大，施工時(shí)從短邊開始，沿長(zhǎng)邊進(jìn)行。必要時(shí)亦可從中間向兩端或從兩端向中間同時(shí)進(jìn)行。

2.分段分層（圖1b）?；炷翉牡讓娱_始澆筑，進(jìn)行一定距離后回來澆筑第二層，如此依次向前澆筑以上各層。每段的長(zhǎng)度可根據(jù)混凝土澆筑到末端后，下層末端的混凝土還未初凝來確定。分段分層澆筑方案適用于厚度不太大而面積或長(zhǎng)度較大的結(jié)構(gòu)。

3.斜面分層（圖1c）。適用于結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度超過厚度3倍的情況，斜面坡度為1：3，施工時(shí)混凝土的振搗工作應(yīng)從澆筑層下端開始，逐漸上移，以保證混凝土施工質(zhì)量。

圖1 大體積混凝土澆筑方案

（四）大體積混凝土裂縫預(yù)控措施

1.防治溫度的措施

溫度應(yīng)力是產(chǎn)生溫度裂縫的根本原因，一般將溫差控制在25℃范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。工程施工可采用以下措施來控制內(nèi)外溫差。

（1）選用水化熱較低的水泥，如礦渣水泥、火山灰質(zhì)水泥或粉煤灰水泥；

（2）在保證混凝土強(qiáng)度的條件下，盡量降低每立方米混凝土的用水量和水泥用量；

（3）為了減少水泥用量，提高混凝土的和易性，可在混凝土中摻入適量的礦物摻量，如粉煤灰等，也可采用減水劑；

（4）粗骨料宜選用粒徑較大的卵石，應(yīng)盡量降低砂石的含泥量以減少混凝土的收縮量；

（5）盡量降低混凝土的入模溫度，可在砂、石堆場(chǎng)、運(yùn)輸設(shè)備上搭設(shè)簡(jiǎn)易遮陽裝置或覆蓋草包等隔熱材料，采用低溫水或冰水拌制混凝土；

（6）盡量延長(zhǎng)混凝土的澆筑時(shí)間，以便在澆筑過程中盡量多地釋放出水化熱?？稍诨炷林袚郊泳從齽?，盡量減薄澆筑層厚度等；

（7）對(duì)表層混凝土做好保溫措施，以減少表層混凝土熱量的散失，降低內(nèi)外溫差；

（8）必要時(shí)可在混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，利用循環(huán)水來降低混凝土溫度；

（9）從混凝土表層到內(nèi)部設(shè)置若干個(gè)溫度觀測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)觀測(cè)，一旦出現(xiàn)溫差過大的情況，便于及時(shí)處理；

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫十分重要，應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性十分困難，因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

2.施工措施

由于混凝土攪拌運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)、澆筑速度過快、振搗不實(shí)、施工縫做法不當(dāng)、模板走動(dòng)等原因形成的施工裂縫。加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)格按照《混凝土施工規(guī)范》施工，把好混凝土拌制、運(yùn)輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)等施工過程關(guān)，注意成品保護(hù)及重視施工技術(shù)的應(yīng)用，而設(shè)置施工縫是關(guān)鍵。對(duì)已出現(xiàn)這類裂縫的構(gòu)件處理，可按裂縫所在的部位以及裂縫嚴(yán)重的程度，分別采用一般混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)措施或采用充填混凝土材料、鋼錨栓加固、粘鋼板加固、預(yù)應(yīng)力加固等補(bǔ)救措施。

3.施工技術(shù)綜合措施

通過采取合理研配混凝土配合比、斜面分層一次澆筑施工方法、澆筑混凝土后的收頭處理措施、混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)等措施以及測(cè)溫控制。此外，在施工期間設(shè)置作為臨時(shí)伸縮縫的“后澆帶”，將結(jié)構(gòu)分成若干段，以有效削減溫度收縮應(yīng)力。待所澆筑的混凝土經(jīng)一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)干縮后，再在后澆帶中澆筑補(bǔ)償收縮混凝土，使分塊的混凝土連成一個(gè)整體。因此，選擇表面貯水熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)、斜面分層澆筑方案、設(shè)置后澆帶等綜合的施工技術(shù)措施，對(duì)控制大體積混凝土的施工裂縫也是非常有效的。

（五）結(jié)束語

實(shí)踐證明，大體積混凝土產(chǎn)生的施工裂縫，多數(shù)是表面裂縫，其主要原因是溫度變化引起內(nèi)外溫差。因此，大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要；再次重視施工過程的控制，施工前認(rèn)真周密地編制大體積混凝土的專項(xiàng)施工方案，嚴(yán)格控制內(nèi)外溫差。只有如此，才能有效地控制大體積混凝土的施工裂縫。

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2011-01-26

曹涯（1975－），廣西柳州人，中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院工程師，研究方向?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)與施工。