李彩紅，孫中華，孫冬梅

（1.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術研究院，山東 濟南 250000；2.中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600；3.鄭州市軌道交通有限公司運營分公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

大體積混凝土，國內(nèi)通常指實體最小幾何尺寸不小于1 m的混凝土結構物，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。大體積混凝土最主要的特點是混凝土一次澆筑數(shù)量大，水泥發(fā)生水化反應導致水化熱集中，使得結構物內(nèi)外溫差大，容易導致混凝土因內(nèi)外溫差大而產(chǎn)生溫度應力造成裂縫，影響大體積混凝土的使用壽命、耐久性及部分使用功能［1］。

大體積混凝土的功能和耐久性決定了建筑物的安全和壽命［2］。本文通過對變電站大體積混凝土病害進行分析，對大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因、防治措施進行探討。

1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

多方面因素可導致大體積混凝土裂縫［3］，本文主要根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原理將裂縫分為塑性收縮裂縫、溫度裂縫、施工應力裂縫及混凝土收縮應力裂縫。

1.1 塑性收縮裂縫

塑性裂縫多在新澆注的混凝土構件暴露于空氣中的上表面出現(xiàn)，塑性收縮是指混凝土在凝結之前，混凝土表面水分散失過快，另外混凝土養(yǎng)護不及時等因素造成混凝土表面產(chǎn)生收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風天氣出現(xiàn)，裂縫多呈中間寬、兩端細且長短不一，互不連貫狀態(tài)，較短的裂縫一般長0.2～0.3 m，較長的裂縫可達2～3 m，寬0.01～0.005 m不等。 塑性裂縫深度一般不超過0.05 m。

塑性裂縫產(chǎn)生的主要原因為：混凝土在終凝前幾乎沒有強度或強度很小，或者混凝土剛剛終凝而強度很小時，由于混凝土養(yǎng)護不及時、養(yǎng)護不到位?；炷了苄允湛s開裂的主要因素有水灰比過大、粗骨料偏少、混凝土振搗不密實、環(huán)境溫度過高、風速過大、濕度偏低等。

1.2 施工應力裂縫

應力裂縫是指在混凝土強度較低時承受應力導致的混凝土開裂。應力裂縫通常出現(xiàn)在大體積混凝土施工過程中，早期澆筑的混凝土初凝后，由于上部繼續(xù)澆筑混凝土產(chǎn)生的壓力過大，導致的基礎不均勻沉降或模板變形使混凝土產(chǎn)生形變開裂。此類裂縫多為貫穿性裂縫，其發(fā)展方向與模板或基礎沉陷情況有關，一般沿與水平面垂直或呈30°～45°角方向發(fā)展，較大的沉陷裂縫往往有一定的錯位，裂縫寬度往往與沉降量成正比關系。

1.3 溫度裂縫

溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區(qū)的混凝土結構中?；炷翝仓?，在硬化過程中，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，導致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，混凝土內(nèi)部溫度得不到很好地控制，或降溫措施采取不合理使得內(nèi)部溫度增長過快，這樣就形成內(nèi)外較大的溫差，從而造成混凝土結構物內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應力。當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，造成混凝土表面裂縫。

1.4 混凝土水化熱理論分析

大體積混凝土施工，由于方量大，水泥的水化熱熱量大，混凝土內(nèi)外散熱不均勻，內(nèi)外溫差大，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度應力，導致混凝土發(fā)生開裂。因此大體積混凝土施工中的溫度控制是防止混凝土開裂的關鍵，混凝土配合比對混凝土水化熱進行理論計算分析。

1.4.1 混凝土拌合溫度計算

計算公式：

式中：T0—混凝土拌合溫度 （℃）；Tc、Ts、Tg、Tw—水泥、砂、石子、拌和用水的溫度（℃）；Mc、Ms、Mg—水泥、排除含水量的砂及石子的重量（kg）；Mw、Ws、Mg—水及砂、石子中游離水的重量（kg）；Cc、Cs、Cg、Cw—水泥、砂、石子及水的比熱（kJ／（kg·K））。

每天下午16∶00對各種原材的溫度進行監(jiān)測，監(jiān)測溫度取平均值，各種原材入機溫度見表1。

表1 各種原材入機溫度表

通過查表及項目混凝土施工配合比，各項參數(shù)取值見表2、表3。

表2 混凝土施工配合比

表3 主要材料比熱容

混凝土拌合溫度T0=26.4℃

1.4.2 混凝土入模溫度計算

混凝土拌和出機后，經(jīng)運輸至現(xiàn)場澆筑，考慮混凝土入模溫度受外界氣候的影響，按下公式計算：

式中：Tp—混凝土入模溫度 （℃）；T0—混凝土拌合溫度（℃）；Ta—混凝土運輸和澆筑時室外氣溫（取30 ℃）；θ1、θ2、…θn—溫度損失系數(shù)，采用混凝土運輸車運輸，經(jīng)查表計算溫度損失系數(shù)取0.36。

混凝土入模溫度計算為27.4℃。

1.4.3 混凝土水化熱絕熱溫升值計算

當結構尺寸較大，熱量散失較慢，不得不考慮混凝土凝固過程中水化熱造成的絕對溫升，一般按下式計算：

混凝土最高水化熱絕熱升溫：

各齡期混凝土絕熱溫升值計算，如表4。

表4 各齡期混凝土絕熱溫升值

由上表數(shù)據(jù)可以看出，混凝土不同齡期內(nèi)部絕熱溫升情況，前3天溫度上升最快，是大體積混凝土溫度控制的重點時段。

1.4.4 各齡期收縮變形值計算

大體積混凝土各齡期內(nèi)外溫差是控制大體積混凝土裂縫重要控制指標，大體積混凝土施工時，混凝土內(nèi)外溫差控制按 《大體積混凝土工程施工規(guī)范》GB50496—2012中規(guī)定，混凝土里表溫差不得大于25℃的規(guī)定，在施工中采取有效控制措施。

1.5 混凝土收縮應力裂縫

大體積混凝土后期硬化收縮，由于已澆筑混凝土約束或受地基的影響，下部混凝土收縮受限，接觸部位將產(chǎn)生很大的拉應力，當拉應力超過當前齡期混凝土的抗拉強度時，便會產(chǎn)生裂縫。如圖1、2所示。

圖1 大體積混凝土溫度應力裂縫示意圖

圖2 大體積混凝土收縮應力裂縫示意圖

2 裂縫對混凝土的影響

2.1 裂縫對受壓混凝土的影響

混凝土在壓力下會產(chǎn)生微量的變形，變形的同時產(chǎn)生與壓力反方向的反力［4］。在與壓力不同方向的裂縫作用下，混凝土提供承載力部位只有混凝土密實部位，裂縫部位的混凝土在受壓后，較小的裂縫會自動閉合，提供一定的承載力，相當于裂縫部位的混凝土部分或完全失去承載能力?；炷亮芽p通常方向性不定，與壓力同方向的裂縫會使混凝土受壓部位截面積分散變小，使受壓結構的長細比變大，相當于受壓混凝土提前產(chǎn)生受壓劈裂破壞時的縱向開裂條紋，降低混凝土抗壓承載能力。

2.2 裂縫對受拉混凝土的影響

對于受拉部位混凝土的開裂，將直接導致混凝土間失去粘結作用，使混凝土喪失受拉傳力作用，造成混凝土抗拉失效，影響結構物的整體性能，降低結構物的使用壽命。

2.3 裂縫對抗剪混凝土的影響

對于與剪力同方向的裂縫，將直接使混凝土抗剪切有效截面變小，降低混凝土抗剪能力；對于與剪力不同方向的裂縫，會降低混凝土剪切模量，從而降低混凝土的抗剪能力。

3 混凝土裂縫的預防措施

3.1 配合比設計控制

3.1.1 水泥

水泥硬化產(chǎn)生的水化熱是混凝土溫度上升的直接原因，因此要控制混凝土升溫必須選擇水化熱較低的水泥品種，并盡量選用后期強度上升較快的混凝土，降低水泥水化放熱峰值。優(yōu)化施工配合比，降低水泥用量。

3.1.2 粗細骨料

在施工條件允許的情況下盡量擴大粗骨料粒徑，因為粗骨料越大，級配越好，孔隙充滿越小，比表面積越小，合理控制每立方米的水泥砂漿量或水泥用量，可降低混凝土水化熱，對防止裂縫越有好處。細骨料宜采用級配良好的中粗砂。中粗砂其孔隙率小，比表面積小，混凝土的水泥和用水量應可以減小，水化熱會降低。另一方面要控制粗細骨料中的含泥量，降低骨料對水泥及外加劑的額外消耗。

嚴格控制砂石含泥量，是防治混凝土裂縫的有效措施，同時要控制砂的顆粒級配、細度模數(shù)等以利于混凝土和易性良好。

3.1.3 粉煤灰

摻入粉煤灰有以下作用：粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物（其中二氧化硅含量40%～60% ，三氧化二鋁含量17%～35%），這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化產(chǎn)物進行二次反應，是其活性的來源，可以取代部分水泥，降低混凝土中水泥的產(chǎn)熱量。粉煤灰顆粒較細，能夠參加二次反應的界面相應增多，在混凝土中分散更加均勻。同時，粉煤灰的火山灰反應進一步改善了混凝土內(nèi)部的孔結構，使混凝土中總的孔隙率降低，孔結構進一步細化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相應收縮值也減小。

3.1.4 外加劑

摻入減水劑、緩凝劑和引氣劑等外加劑以改善混凝土性能，防止開裂。減水劑的主要作用是改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土強度或在保持混凝土一定強度時減少水泥用量。而水灰比的降低，可以起到減慢水泥水化時間的作用，延緩水泥水化放熱峰值。

3.1.5 其他因素

水：在施工條件允許的情況下應盡量減少用水量，以降低混凝土中因水分積聚產(chǎn)生的空隙，同時起到減慢水泥的水化速度的作用。

外摻料：在混凝土中摻入鋼纖維或聚丙稀纖維等材料可以提高混凝土的抗裂性能。

3.2 施工過程控制

大體積混凝土施工應本著降低混凝土內(nèi)部溫度上升速率，降低混凝土內(nèi)外部溫差，同時采取加強混凝土養(yǎng)護，增加混凝土易裂部位混凝土抗裂性能等措施防止混凝土開裂，在施工現(xiàn)場通常采用的控制措施有：合理進行分層、分段施工、采取合理的降溫措施、加強混凝土施工過程控制等。

3.2.1 合理進行分層和分段施工

大體積混凝土澆筑應采取合理的分層、分段施工，保證混凝土澆筑質(zhì)量，同時有利于混凝土散熱。通常分層厚度為0.3 m，分段情況應根據(jù)混凝土結構、澆筑速度、落灰點等情況確定，保證上一層混凝土初凝前澆筑下一層混凝土，混凝土層間不產(chǎn)生施工冷縫。

在設計許可的情況下可對大體積混凝土進行分段施工，如大跨度連續(xù)梁、大體積基礎、混凝土大壩等。采用分段澆筑時應對整個混凝土工程設置幾個相對獨立的段落，設置后澆帶，待先澆筑的混凝土完全硬化收縮后進行后澆帶施工。分段澆筑一個作用是減小了混凝土的一次澆筑體積，降低了水化熱對混凝土的影響，另一個作用是將先澆筑的混凝土干縮變形引起的應力消除，減少混凝土收縮裂縫。

3.2.2 采取合理的降溫措施

大體積混凝土宜采用強制式拌和機拌和，根據(jù)環(huán)境溫度條件采用相應的降溫措施，高溫季節(jié)可送冷風冷卻拌和物，拌和水可采用冰水，降低混凝土的入模溫度。澆筑混凝土盡量避開太陽輻射較強的時間，若工程需要在夏季施工時，則避開正午，盡量安排在夜間施工。

混凝土內(nèi)設置水循環(huán)冷卻管道，通過不斷地循環(huán)冷卻水，吸收混凝土的熱量。冷卻水管應在每層混凝土中布設，一般冷卻管間距1.0 m左右，并用設定位架固定。冷卻水在混凝土澆至水管高程后立即循環(huán)，冷卻水與混凝土的溫差限制在25℃ 以內(nèi)，流量及水溫2 h監(jiān)測一次，量測進、出水口溫度，一般出水口溫度較進水口高5～6℃。每隔4～6 h應改變進出口水流方向。冷卻水應持續(xù)到混凝土澆筑完后7 d以上。冷卻完畢后，冷卻管中壓入同強度微膨脹的水泥漿封閉。

大體積混凝土內(nèi)部設置循環(huán)水降溫措施，降水管布置如圖3。

圖3 降水管布置圖

經(jīng)過混凝土降溫措施后，對混凝土內(nèi)外溫度、混凝土表面與環(huán)境溫度監(jiān)測，相對溫差均能控制在20℃以內(nèi)，數(shù)據(jù)對比見圖4。

在設計允許的情況下，在混凝土中添加洗凈片石可以減少混凝土及水泥用量，降低水泥水化熱，同時片石會吸收一部分熱量，使混凝土硬化過程升溫值降低，從一定程度上減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

圖4 混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比圖

3.2.3 加強混凝土澆筑過程控制

澆筑混凝土時應嚴格控制混凝土入模參數(shù)，堅決杜絕使用不合格混凝土。振搗時振搗棒應插入下一層混凝土中不少于0.1 m，同時控制好落點距離及振搗時間，防止過振泌水?；炷翝仓戤吅髴宄砻娓{，并準時進行二次收面。二次收面主要是消除混凝土表面塑性裂縫，二次收面應在混凝土初凝時進行，過早則效果不明顯，過晚則無法消除裂縫。混凝土終凝后應立即灑水養(yǎng)生，并覆蓋土工布等材料保水保溫，防止陽光直射，避免混凝土產(chǎn)生裂縫。

4 結束語

經(jīng)過對大體積混凝土病害原因分析，研究出對大體積混凝土施工質(zhì)量影響較大的因素。通過水化熱理論計算分析，總結施工過程中溫差控制范圍，并經(jīng)實踐實施各項措施，有效地解決了大體積混凝土施工難點，避免了大體積混凝土后期出現(xiàn)裂縫的問題，保證了大體積混凝土施工質(zhì)量，節(jié)約了施工成本，經(jīng)濟效益顯著。