林正敏

(廈門(mén)市集美區(qū)建設(shè)局 福建廈門(mén) 361022)

根據(jù)《GB50496－2009大體積混凝土施工規(guī)范》的定義，大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。實(shí)踐證明，由于受混凝土本身性能、溫度變化以及結(jié)構(gòu)尺寸等因素的影響，大體積混凝土相比較于普通混凝土更容易產(chǎn)生裂縫等施工質(zhì)量問(wèn)題，影響結(jié)構(gòu)的耐久性，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成隱患。同時(shí)，由于實(shí)際工程中又大量存在大體積混凝工程、比如高層建筑地下室、橋梁工程的橋墩等諸多工程，因此，如何防治大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，在工程中具有重要意義。

1 大體積混凝土裂縫的形成機(jī)理

1.1 水泥水化熱影響

水泥的水化熱影響是大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的最重要原因之一。水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，因而使混凝土內(nèi)部溫度升高，當(dāng)混凝土內(nèi)部與表面溫差過(guò)大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形。溫度應(yīng)力和溫差成正比，溫差越大，溫度應(yīng)力就越大，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土內(nèi)外約束力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫?；炷羶?nèi)部的溫度和水泥品種、用量以及混凝土層厚有關(guān)，混凝土厚度越大，水泥用量越大，內(nèi)部溫度也就越高。

1.2 干縮引起裂縫(混凝土收縮變形)

混凝土中的80%水分要蒸發(fā)，約20%的水分是水泥硬化所必需的，最初失去的30%自由水分幾乎不引起收縮，隨著混凝土的陸續(xù)干燥而使20%的吸附水逸出，就會(huì)出現(xiàn)干燥收縮，而表面干燥收縮快，中心干燥收縮慢，由于表面的收縮受到中心部位混凝土的約束而在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于當(dāng)時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫。主要特征是表面開(kāi)裂，縱橫交錯(cuò)，沒(méi)有一定規(guī)律，縫寬和長(zhǎng)度都很小，與發(fā)絲相似。

1.3 沉降引起裂縫

混凝土澆筑過(guò)程或澆筑后，由于混凝土中的骨料在自重作用下緩慢下降，水會(huì)上浮，即所謂的泌水，在下降過(guò)程中，如果受到鋼筋和其她埋件的局部阻礙、支撐變形或下沉、基礎(chǔ)沉降、過(guò)早拆除模版支架等，都會(huì)在該處混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力和剪應(yīng)力時(shí)，使得混凝土沿鋼筋表面產(chǎn)生順筋裂縫，這種裂縫在大流動(dòng)性混凝土或水灰比較大的混凝土中尤為嚴(yán)重。

1.4 溫度裂縫

大體積混凝土在施工階段，常受外界氣溫的影響?；炷羶?nèi)部溫度是由水泥水化熱引起的絕熱溫度、澆筑溫度和散熱溫度三者疊加。通常情況下，大體積混凝土內(nèi)部與外表面溫差超過(guò)25℃，或者混凝土表面溫度與環(huán)境溫度超過(guò)20℃，很容易產(chǎn)生裂縫。當(dāng)氣溫下降，也別是氣溫驟降，會(huì)大大增加外層混凝土內(nèi)部的溫度梯度，產(chǎn)生溫差和溫度應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生裂縫。

1.5 凍脹裂縫

一般在寒冷地區(qū)冬季施工，沒(méi)有采取足夠的防凍措施，混凝土在氣溫降到0℃以下前未達(dá)到足夠的強(qiáng)度，或者水分滲入到混凝土結(jié)構(gòu)中因結(jié)冰而造成體積膨脹，會(huì)使混凝土產(chǎn)生凍脹裂縫。

1.6 堿骨料反應(yīng)

當(dāng)所用水泥中的堿性氧化物含量較高時(shí)，會(huì)與骨料中所含的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在骨料表面生成堿－硅酸凝膠，吸水后會(huì)產(chǎn)生較大的體積膨脹，這種膨脹會(huì)使得混凝土產(chǎn)生網(wǎng)狀的龜裂縫，致使混凝土表層酥松、脫落，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生較大影響。

2 大體積混凝土裂縫的防治

2.1 原材料選擇

2.1.1 水泥

選用水化熱較低的水泥，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)工作性能的前提下盡量減少水泥及用水量，降低水泥的水化熱影響，是防止溫度裂縫的主要途徑，大體積混凝土應(yīng)選用中、低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，大體積混凝土施工所用水泥其3d的水化熱不宜大于240kJ/kg，7d的水化熱不宜大于270kJ/kg。

2.1.2 摻合料

摻合料能增加混凝土的流動(dòng)性、粘聚性、保水性、改善混凝土的可泵性。并能提高硬化混凝土的強(qiáng)度和耐久性。但大體積混凝土的粉煤灰摻量不宜超過(guò)膠凝材料用量的30%;礦渣粉的摻量不宜超過(guò)膠凝材料用量的40%;粉煤灰和礦渣粉摻合料的總量不宜大于混凝土中膠凝材料用量的40%。

2.1.3 骨料

粗骨料應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)固、級(jí)配較好，含泥量不大于1%的非堿活性骨料，細(xì)骨料宜采用中砂，其細(xì)度模數(shù)宜大于2.3，含泥量不大于3%，粗骨料和細(xì)骨料均應(yīng)嚴(yán)格控制含泥量、有機(jī)物含量等，骨料中含泥量過(guò)大或有機(jī)物超標(biāo)的話，會(huì)增加混凝土的收縮，同時(shí)還會(huì)降低混凝土抗拉強(qiáng)度，對(duì)混凝土的抗裂不利。

2.1.4 外加劑

所用外加劑的質(zhì)量及應(yīng)用技術(shù)，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》GB8076，同時(shí)應(yīng)評(píng)估外加劑對(duì)硬化混凝土收縮等性能的影響。最常用的外加劑是減水劑，能使混凝土不泌水，不離析，有合適的凝結(jié)時(shí)間，可降低混凝土的單位用水量，改善混凝土中毛細(xì)孔的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和分布狀況，提高混凝土的耐久性。包括緩凝減水劑和引氣減水劑，緩凝減水劑能延緩水泥的水化熱速率，有利于混凝土內(nèi)部溫度降低，引氣減水劑主要作用是引入空氣，改善混凝土的抗?jié)B性和抗凍性等耐久性指標(biāo)，從而達(dá)到提高其防裂性能。

2.2 施工配合比的優(yōu)化

在初步確定混凝土配合比后，采用現(xiàn)場(chǎng)模擬施工的方法，根據(jù)大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間、和易性、塌落度等指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化，從控治裂縫的角度，混凝土塌落度不宜過(guò)大，一般在120±20mm即可。

2.3 混凝土施工措施

2.3.1 全面分段、分層

可沿長(zhǎng)邊方向自一端向另一端進(jìn)行，在第一層全面澆筑完畢后，在回頭澆筑第二層，需要注意的是應(yīng)使第一層混凝土還未初凝，如此逐層連續(xù)澆筑，直至完工為止;或者先從底層開(kāi)始，澆筑一定距離后在澆第二層，并在前層混凝土初凝之前將次層混凝土澆筑完畢，如此依次向前澆筑其他各層。每一層澆筑厚度應(yīng)根據(jù)所用振搗器的作用深度及混凝土的和易性確定，整體分層連續(xù)澆筑時(shí)宜為300～500mm。

2.3.2 合理設(shè)置變形縫、后澆帶

變形縫將大體積混凝土結(jié)構(gòu)分割成數(shù)個(gè)較小的單元，有效地減少混凝土由于溫度變化產(chǎn)生的體積脹縮或不均勻沉降等帶來(lái)影響;后澆帶是指按照設(shè)計(jì)或施工規(guī)范要求，在基礎(chǔ)底板等相應(yīng)位置可留設(shè)臨時(shí)施工縫，將結(jié)構(gòu)暫時(shí)劃分為若干部分，經(jīng)過(guò)構(gòu)件內(nèi)部收縮，在若干時(shí)間后再澆搗該施工縫混凝土，將結(jié)構(gòu)連成整體的地帶，后澆帶能防止現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)由于自身收縮不均或沉降不均可能產(chǎn)生的裂縫，設(shè)置后澆帶間距不宜太大，一般20M～30M。

2.3.3 混凝土入模溫度夏季宜控制在30℃以下，盡量避免高溫時(shí)段施工，同時(shí)可采用冷卻砂、石等材料的方式，或者在混凝土內(nèi)部預(yù)埋水管通入冷卻水，降低大體積混凝土內(nèi)部溫度，以降低內(nèi)外溫差。冬季入模溫度一般應(yīng)在10℃以上，最低不低于5℃，避免混凝土凍傷。

2.3.4 在澆筑混凝土過(guò)程中，應(yīng)采取措施防止受力鋼筋、定位筋、預(yù)埋件等移位和變形，同時(shí)澆筑人員均應(yīng)在架設(shè)的腳手板上完成澆筑，減少施工人員對(duì)鋼筋或預(yù)埋件等的踩踏。

2.4 測(cè)溫和控溫措施

在施工現(xiàn)場(chǎng)只需要采用較簡(jiǎn)單的設(shè)備，就能直觀地測(cè)得混凝土內(nèi)部溫度，而且精確度高，花費(fèi)少。具體做法如下:

2.4.1 簡(jiǎn)易測(cè)溫法

使用Φ48的腳手架鋼管或其他無(wú)縫鋼管作為測(cè)溫管預(yù)埋于混凝土中，管壁厚度以2㎜為宜，內(nèi)徑為30～50㎜。按量取所需長(zhǎng)度截?cái)?，底部用鋼板焊牢密閉，使其不能滲水，上部高出混凝土100MM。測(cè)溫管內(nèi)應(yīng)灌水，灌水深度為100～150㎜(不宜灌滿，若孔內(nèi)灌滿水，所測(cè)得的溫度接近管全長(zhǎng)范圍的平均溫度)，測(cè)溫管的埋設(shè)長(zhǎng)度宜比需測(cè)點(diǎn)深50～100㎜，測(cè)溫管必須加木塞，防止外界氣溫影響。

2.4.2 測(cè)溫點(diǎn)的布置

必須具有代表性和可比性，應(yīng)以能真實(shí)反映出混凝土澆筑體內(nèi)最高溫升、芯部與表層溫差、降溫速率及環(huán)境溫度為原則。沿澆筑的高度，應(yīng)布置在底部、中部和表面，垂直測(cè)點(diǎn)間距一般為500～800㎜;平面則應(yīng)布置在邊緣與中間，平面測(cè)點(diǎn)間距一般為2.5～5m。為便于讀數(shù)，可使用數(shù)字溫度計(jì)溫度計(jì)，其插入測(cè)點(diǎn)深度50㎜左右。主要量測(cè)2個(gè)溫差，一是砼中心與表面的溫差，可通過(guò)同一測(cè)溫點(diǎn)的2支不同長(zhǎng)度測(cè)溫管進(jìn)行量測(cè);二是砼表面與大氣的溫差，可用短的測(cè)溫管與空氣中的溫度對(duì)比而獲得。要控制前者溫差不大于25℃，后者溫差不大于20℃。需要注意的是用此方法測(cè)溫時(shí)，一個(gè)測(cè)溫孔只能反映一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。不應(yīng)采取通過(guò)沿孔洞高度變動(dòng)溫度計(jì)的方法來(lái)測(cè)豎孔中不同高度位置的溫度。

2.4.3 測(cè)溫頻率

測(cè)溫時(shí)間應(yīng)持續(xù)28d，混凝土澆筑完畢后前3d，每2h測(cè)溫1次;4～10d，每4h測(cè)溫1次;11～18d，每6h測(cè)溫一次;19～28d，每12h測(cè)溫一次。測(cè)溫記錄，應(yīng)列入施工組織計(jì)劃重點(diǎn)監(jiān)控，測(cè)溫工作應(yīng)由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)、責(zé)任心強(qiáng)的專人進(jìn)行。作為對(duì)砼施工和質(zhì)量的控制依據(jù)。

2.4.4 溫控措施

砼澆筑時(shí)控制入模溫度不高于30℃，澆筑成型后，在混凝土升溫及降溫早期，通過(guò)循環(huán)冷卻水降溫，從結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部進(jìn)行溫度控制，也可以同時(shí)通過(guò)鋪設(shè)塑料薄膜和麻袋等保溫材料，或使用施工現(xiàn)場(chǎng)的碘鎢燈以及定時(shí)噴澆熱水、蓄存熱水等辦法減緩混凝土外表溫度散發(fā)，以控制混凝土內(nèi)外溫差在限值內(nèi)。在混凝土降溫中后期，為加快降溫速率，可采取白天掀開(kāi)部分保溫材料，晚上覆蓋的方式。

2.5 養(yǎng)護(hù)措施

大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵是保持適宜的溫度和濕度，以便控制內(nèi)外溫差，促進(jìn)混凝土強(qiáng)度的正常發(fā)展的同時(shí)防止混凝土的裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，滿足強(qiáng)度增長(zhǎng)需要。

2.5.1 結(jié)構(gòu)外層模板及覆蓋保溫材料的拆除應(yīng)分層逐步進(jìn)行，以保持混凝土表面和外界溫差小于20℃限值，必要時(shí)，可搭設(shè)擋風(fēng)保溫棚或遮陽(yáng)降溫棚。

2.5.2 大體積混凝土濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)符合(表1)的規(guī)定

表1 大體積混凝土濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間

3 采用纖維材料防治裂縫

在混凝土中摻入一定比例的纖維，實(shí)質(zhì)上是形成一種復(fù)合材料，可以充分發(fā)揮纖維材料抗拉強(qiáng)度較好、抗彎和抗沖擊性能的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)水泥混凝土材料的缺陷。因此，在水泥混凝土基材中摻加纖維是提高混凝土韌性和抗裂能力的有效途徑。目前，常用的纖維有鋼纖維、聚丙稀纖維等。

3.1 鋼纖維:具有較好的抗拉強(qiáng)度、延性好、高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)

水泥混凝土澆筑后會(huì)因?yàn)樗终舭l(fā)而使混凝土體積發(fā)生變化，若無(wú)外界約束條件，自身的收縮為自由收縮;若有外界約束條件限制(如配制鋼筋、模板等)，此時(shí)為限制收縮，這種狀態(tài)下，混凝土材質(zhì)內(nèi)部處于受拉狀態(tài)，若收縮應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。加入一定比例的鋼釬維能有效分散和抵抗收縮應(yīng)力，有效防止裂縫發(fā)生，另外鋼釬維的粘結(jié)力也會(huì)降低裂縫尖端的應(yīng)力集中，阻止微細(xì)裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。但是鋼纖維價(jià)格較高，影響其廣泛使用。

(表2)是上海市市政研究院所作的摻加鋼纖維與未摻加鋼纖維混凝土的收縮對(duì)比試驗(yàn)。

表2 鋼纖維水泥混凝土收縮對(duì)比試驗(yàn)

3.1.1 聚丙稀纖維是一種低彈模合成纖維，具有強(qiáng)度高、延性好、耐久性優(yōu)良和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

將一定比例聚丙稀纖維摻入水泥混凝土后，依靠纖維與水泥基材的界面粘結(jié)，在未開(kāi)裂的低應(yīng)力水平下共同承受外力，由于聚丙稀纖維的彈性模模量低于水泥基材，當(dāng)受外部拉力作用時(shí)，纖維產(chǎn)生的變形大于水泥基材，在水泥基材開(kāi)裂前，纖維對(duì)基材變形難以起到限制作用，所以在水泥混凝土中加入一定比例的聚丙稀纖維可以起到防止或者減少裂縫的作用。

聚丙稀纖維摻入混凝土的比例需經(jīng)試驗(yàn)確定，一般在按體積率的0.5%～1.0%摻量不會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

綜合上述，高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙稀纖維在水泥混凝土破壞過(guò)程中起著不同的作用，聚丙稀纖維主要約束混凝土早期原生裂縫及微觀裂縫，在低拉應(yīng)力情況下起作用;鋼纖維抗拉強(qiáng)度高，在宏觀裂縫中可以起到顯著阻裂作用。所以，兩種纖維可以從不同階段對(duì)水泥混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展起到約束作用，同時(shí)一定程度上提高混凝土的抗彎拉強(qiáng)度。

4 結(jié)論

影響大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因是復(fù)雜的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土用材、澆搗、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)均有可能引起裂縫的產(chǎn)生，盡管從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，大體積混凝土結(jié)構(gòu)完全避免裂縫幾乎不可能，或者需要付出更多的投資，但仍然應(yīng)該重視設(shè)計(jì)和施工等各個(gè)環(huán)節(jié)，采取行之有效的措施防止裂縫的產(chǎn)生，必將提高大體積混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性以確保結(jié)構(gòu)安全。

[1]GB50496－2009，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[2]全國(guó)一級(jí)建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書(shū)編委會(huì).市政公用工程管理與實(shí)務(wù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011年4月.

[3]姚武，馬一平，談慕華，吳科如.聚丙烯纖維水泥基復(fù)合材料物理力學(xué)性能研究(Ⅱ)[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2000年9.

[4]楊嗣信.《高層建筑施工手冊(cè)》[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992年12月.

[5]陳宇峰，陸曉燕.聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究[J].南通工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002年12月.

[6]吳初航，陳海燕，黃彭，吉青克.新型鋼纖維道面工程中的應(yīng)用研究.1998年中國(guó)公路學(xué)會(huì)道路工程、高速公路建設(shè)與發(fā)展學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].山西交通科技1998年5期.