□倪志華（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局）

水工大體積混凝土施工裂縫原因分析及防裂措施

□倪志華（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局）

大體積混凝土施工一般在水工建筑物中比較常見，但是由于混凝土用量大，水泥水化放熱集中容易產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重影響了它的正常使用，所以就必須要采取有效的措施控制裂縫的產(chǎn)生。本文就此對水工大體積混凝土施工裂縫影響及防裂措施進(jìn)行了分析。

水工大體積混凝土；施工裂縫；防裂措施

一、水工大體積混凝土施工裂縫

水工中經(jīng)常涉及到大體積混凝土施工，例如大型混凝土基礎(chǔ)、水利大壩以及重力壩等。而且由于它的體積龐大、結(jié)構(gòu)厚實(shí)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸成為大型設(shè)施以及構(gòu)筑物的重要組成部分。在進(jìn)行大體積混凝土施工的過程中對于施工技術(shù)以及工程條件的要求也非常嚴(yán)格，特別是由于整個(gè)工程要用大量的水泥作為原材料，而且水泥在水化反應(yīng)下釋放出大量的熱，很容易使混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂縫，尤其是一些出現(xiàn)在重要部位的裂縫，能夠直接影響到設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全以及使用壽命，所以必須要足夠重視大體積混凝土施工裂縫帶來的影響。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)水工大體積混凝土施工裂縫的類型主要有結(jié)構(gòu)型裂縫和材料型裂縫兩大類。其中結(jié)構(gòu)型裂縫產(chǎn)生的原因主要是由于混凝土受到外部荷載力的作用引起的，包括常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的主要應(yīng)力以及其它的結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的次應(yīng)力的作用使得混凝土開裂。而材料型裂縫的產(chǎn)生則是在沒有受到外力的作用下，發(fā)生變形引起混凝土開裂，而發(fā)生變形的主要原因是由于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與混凝土自身的收縮作用，而在施工過程中產(chǎn)生的裂縫則主要是以材料型裂縫為主。下面就對大體積混凝土施工產(chǎn)生裂縫的原因進(jìn)行分析。

（一）收縮裂縫

收縮裂縫包括干燥收縮、塑性收縮以及自身收縮等。干燥收縮主要是由于水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生熱量的同時(shí)也消耗了大量的水分，由于混凝土內(nèi)部的水分不斷散失產(chǎn)生收縮應(yīng)力，而且這種應(yīng)力一旦超過混凝土所能承受的最大拉力范圍時(shí)就會使大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。塑性收縮是指在水泥活性大，混凝土溫度較高時(shí)或者水灰比較低的情況下容易產(chǎn)生裂縫。因?yàn)檫@種情況下的混凝土泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充，導(dǎo)致混凝土收縮出現(xiàn)裂縫，而且這些表面裂縫的出現(xiàn)又一次加劇了水分的蒸發(fā)，促使裂縫進(jìn)一步加深。自身收縮主要是混凝土中水泥和用水量由于比例分配的不同所決定的，水泥所占的比重越大混凝土的收縮程度也隨之越大，而且不同品種的水泥其自身的收縮量也各不相同，中低熱水泥以及粉煤灰水泥的收縮量就相對較小。

（二）溫差裂縫

混凝土內(nèi)部和外部的溫差過大時(shí)也會產(chǎn)生裂縫，溫差裂縫的主要影響因素是水泥在水化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生大量的熱，而且由于大體積混凝土施工時(shí)容易產(chǎn)生溫度梯度，熱量在表面的散熱程度快，內(nèi)部的熱量則相對集中并且溫度急速升高，這樣一來就容易使內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力外部產(chǎn)生拉應(yīng)力，而且由于混凝土的凝結(jié)期短抗拉強(qiáng)度低，當(dāng)溫度應(yīng)力超過了混凝土所能承受的最大拉力范圍時(shí)就會使混凝土設(shè)施產(chǎn)生裂縫。

二、水工大體積混凝土施工防裂措施

解決水工大體積混凝土施工裂縫的問題，必須根據(jù)引發(fā)水工混凝土裂縫的不同的原因制定相應(yīng)的針對性預(yù)防措施。由于材料型裂縫主要是由于混凝土收縮以及內(nèi)外溫度差所造成的，因此在裂縫的預(yù)防處理上主要可以分為以下幾種：

（一）混凝土水灰配合比的設(shè)計(jì)

水泥在發(fā)生水化反應(yīng)的過程中需要消耗大量的水分，這樣一來混凝土內(nèi)部的含水量下降，體積減小收縮形成彎月面。而混凝土產(chǎn)生的這種干燥收縮以及自身收縮的影響剛好與水灰配合比相反，也就是當(dāng)水灰配合比相對較低時(shí)混凝土產(chǎn)生的干燥收縮減小而自身收縮增大，所以在設(shè)計(jì)混凝土的水灰配合比時(shí)要考慮最佳的結(jié)合點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能地減小混凝土的單位用水量，采用低砂率、低水膠比以及低坍落度的灰料，然后再配合使用高效減水劑和高性能引氣劑，配制出韌性大、強(qiáng)度高的抗裂型混凝土。還可以通過增加構(gòu)造筋提升混凝土的抗裂性能，增加的構(gòu)造筋必須滿足直徑小以及間距短的特點(diǎn)，以免由于結(jié)構(gòu)突變而引發(fā)應(yīng)力集中等問題。另外在混凝土結(jié)構(gòu)的一些薄弱環(huán)節(jié)需要采取相應(yīng)的加固措施，在應(yīng)力集中的邊緣部位設(shè)置暗梁用來增加混凝土的極限拉伸。

（二）骨料的選擇

骨料在水工大體積混凝土施工中有著非常重要的作用，它占混凝土絕對體積的80%～83%，混凝土添加的骨料分為粗骨料和細(xì)骨料兩種。添加粗骨料時(shí)應(yīng)盡量選擇大粒徑的，因?yàn)榇止橇系牧皆酱螅紫抖染驮叫?，級配越好，可以最大限度地減少每立方米的砂漿用量以及水泥用量，水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也就相對較少，從而能夠有效地控制大體積混凝土施工裂縫的產(chǎn)生。在選擇細(xì)骨料時(shí)，應(yīng)該選擇膨脹系數(shù)小、彈模性較低、表面潔凈的中粗砂，這種級配的細(xì)骨料，孔隙度小，總的表面積也相對較小，化熱就低，能夠有效地避免裂縫的產(chǎn)生。此外骨料中除了砂要滿足相應(yīng)的要求以外，還應(yīng)該注意石灰粉或者細(xì)粉的含量，適當(dāng)?shù)脑黾邮曳刍蛘呒?xì)粉的含量不僅有助于提升混凝土的硬度，而且可以提高混凝土的密實(shí)度以及抗裂性。

（三）合理使用外加劑

在混凝土當(dāng)中適當(dāng)?shù)靥砑右恍┩饧觿┯兄跍p小裂縫產(chǎn)生的機(jī)率，因?yàn)橐恍┩饧觿┦菍ｉT用來抑制混凝土產(chǎn)生的收縮性能。例如減水劑就是用來改善混凝土的和易性，在能夠在保證混凝土有足夠強(qiáng)度的同時(shí)又可以減少水泥的用量，降低水灰配合比從而防止大體積混凝土施工產(chǎn)生裂縫。而添加緩凝劑則可以延緩混凝土放熱速度，因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度跟凝結(jié)時(shí)間成正比，延緩放熱時(shí)間的主要作用就是能夠保證混凝土在熱量達(dá)到最高時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，從而抵抗有溫差產(chǎn)生應(yīng)力。另外適當(dāng)?shù)靥砑右龤鈩┠軌蛱嵘炷恋哪途眯?、和易性以及可泵性，在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。但所有的外加劑只是作為輔助性材料幫助提升混凝土的抗裂性能，用量應(yīng)該適當(dāng)不能大量使用，否則會產(chǎn)生一些負(fù)面影響。

（四）適當(dāng)摻加粉煤灰

為了能夠降低水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，最有效的方法就是降低水泥的用量。因此可以在水泥中摻加一定量的粉煤灰。選擇時(shí)要注意粉煤灰的粒徑和水泥粒徑保持一致，并且含硫量和含堿量要小，這樣的粉煤灰用水量少。水泥與粉煤灰混合使用后，有助于提升混凝土的耐久性、抗?jié)B性，抑制收縮，降低水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，提高混凝土的抗裂能力等。另外由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物，這些硅鋁氧化物非常容易和水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)，也就減小了水泥的使用量，降低了混凝土的熱膨脹。而且由于粉煤灰顆粒較細(xì)，具有足夠大的反應(yīng)面積，在混凝土中擴(kuò)散的也更加均勻。同時(shí)粉煤灰參加反應(yīng)后進(jìn)一步改善了混凝土內(nèi)部的孔隙度，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，分布也更加合理，而且硬化后的混凝土強(qiáng)度更大，能夠有效的抑制收縮，避免產(chǎn)生裂縫。但是由于粉煤灰的比重小于水泥，所以在進(jìn)行振搗時(shí)較輕的粉煤灰經(jīng)常會浮在混凝土的表面，導(dǎo)致了配比不均勻，表面上部的摻量較大，強(qiáng)度低容易產(chǎn)生塑性裂縫。因此應(yīng)該根據(jù)工程的實(shí)際情況適量添加粉煤灰并且還應(yīng)該盡量攪拌均勻。

（五）水泥的選擇方法

在制備水工大體積混凝土的過程中，除了對添加料有嚴(yán)格的要求外，水泥的選擇也是至關(guān)重要的。因?yàn)椴煌贩N的水泥其自身的收縮量也各不相同，所以要根據(jù)工程需要選擇適合的水泥，然后再根據(jù)水泥的種類考慮添加劑的用量。例如選用低水化熱水泥時(shí)，就應(yīng)該選擇含泥量較少的粗細(xì)骨料。在選擇大體積混凝土用水泥時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先采用具有膨脹性或者收縮性小的水泥。因?yàn)檫@種水泥在水化反應(yīng)時(shí)，可以發(fā)生膨脹產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，而這種預(yù)壓應(yīng)力可以幫助混凝土抵消一部分有溫差產(chǎn)生的應(yīng)力，從而有助于提高混凝土的抗裂能力。水泥熟料中的堿含量應(yīng)該相對較低，這樣才能使水泥具有長期穩(wěn)定的微膨脹抗裂能力。在混凝土制拌的過程中，還要嚴(yán)格控制添加料的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格控制混凝土的出機(jī)塌落度以及盡量降低混凝土的出機(jī)溫度，通常保持在6℃左右，降低溫度時(shí)可以采用冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)或者通過加冰拌合冷卻。

（六）混凝土澆注的控制

水工大體積混凝土在澆注過程中要注意觀察混凝土拌合物的坍落度等性能，杜絕在澆注中發(fā)生離析現(xiàn)象，若有問題，應(yīng)及時(shí)對混凝土配合比作合理調(diào)整?；炷翝沧⑼瓿珊蟊仨毐ＷC混凝土均勻密實(shí)，表面平整光潔，這就需要在混凝土入模時(shí)進(jìn)行充分的振搗，保證混凝土的密實(shí)度排出氣泡，這樣才能獲得高質(zhì)量的符合設(shè)計(jì)要求的混凝土。振搗時(shí)間應(yīng)該均勻一致，以表面泛漿為宜。進(jìn)行混凝土澆注時(shí)要求分層澆筑，分層流水振搗，同時(shí)還要確保上層混凝土在下層初凝前結(jié)合緊密。澆注完畢后，表面要進(jìn)行壓實(shí)以及抹平處理，用以防止表面開裂。

總之，水工大體積混凝土施工裂縫主要是由其結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面產(chǎn)生的巨大溫度差引起的，所以當(dāng)混凝土澆注好后還應(yīng)該采取必要的防護(hù)措施。澆注的混凝土內(nèi)部較表面散熱快，會形成內(nèi)外溫差，表面收縮受內(nèi)部約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于這種拉應(yīng)力通常很小，不至于超過混凝土的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。但是如果此時(shí)受到冷空氣的侵襲，或者是過分的通風(fēng)散熱，使表面溫度降低的速度明顯加快，就很容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，所以當(dāng)混凝土進(jìn)行拆模時(shí)，特別是在低溫季節(jié)，應(yīng)該在拆模后確保覆蓋材料供應(yīng)充足，避免由于表面溫度降低過快產(chǎn)生裂縫。另外當(dāng)混凝土澆注完畢后，還應(yīng)該進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)措施，及時(shí)地給混凝土表面淋水使其保持濕潤，這樣既能減少外界高溫倒灌，又能防止干縮產(chǎn)生裂縫。

三、結(jié)語

綜上所述，水工大體積混凝土施工裂縫的產(chǎn)生原因是非常復(fù)雜的，通過對裂縫產(chǎn)生的原因分析可知，主要是由于溫度應(yīng)力和混凝土的收縮引起的，因此控制水泥水化反應(yīng)過程中釋放的熱量是裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。在進(jìn)行大體積混凝土施工時(shí)要充分考慮原材料的選擇，適當(dāng)?shù)負(fù)饺牖旌狭?，并且在施工過程中采用科學(xué)、合理的方法才能有效地防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生。

倪志華（1974-），男，工程師。

2011-08-12