李瑞堯

中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司, 廣東 深圳 518052

引言

混凝土是一種多孔、非均質(zhì)的脆性材料，微裂縫的存在是由混凝土本身物理力學(xué)性質(zhì)決定的，而混凝土構(gòu)件通常也都帶縫工作，只能要求將其控制在允許的范圍內(nèi)。微裂縫是一種無害裂縫，但在混凝土長期負(fù)荷、溫差、凍融以及沉降等作用之后，就會(huì)不斷的擴(kuò)展和連通，最終形成我們?nèi)庋劭梢姷暮暧^裂縫（如圖1所示），降低構(gòu)件的使用壽命，威脅人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

混凝土微裂縫是肉眼不可見的，寬度小于0.05mm的微裂縫對使用功能不影響，通常把裂縫小于0.05mm的結(jié)構(gòu)稱為無裂縫結(jié)構(gòu)?；炷劣辛芽p是絕對的，無裂縫是相對的，裂縫控制的目的也就是將混凝土控制在不大于0.05mm裂縫的狀態(tài)。

大體積混凝土因其本身斷面尺寸大、配筋較少、內(nèi)部溫度較高、水化熱量與環(huán)境的熱交換路徑長、溫度分布極不均勻以及養(yǎng)護(hù)困難等原因極易產(chǎn)生裂縫。大體積混凝土的定義，目前世界各國解釋不盡一致，我國對大體積混凝土的定義為:“混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸大于或等于1m，或預(yù)計(jì)會(huì)因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂縫的混凝土。[1]”

裂縫的出現(xiàn)不但會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，還會(huì)引起鋼筋的銹蝕、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲勞、抗?jié)B能力。目前國內(nèi)外均有大體積混凝土因開裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物失效的案例，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)和不同地質(zhì)環(huán)境制定專項(xiàng)施工方案，對裂縫進(jìn)行預(yù)防。

1 混凝土裂縫分類

見表1。

2 原材料選擇

圖1 混凝土微裂縫的發(fā)展

原材料選擇不當(dāng)不僅影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性，還極易造成混凝土開裂。主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 水泥

1) 應(yīng)選用收縮小、水化熱低的水泥品種，優(yōu)先選用復(fù)合水泥或礦渣水泥，不宜選用硅酸鹽水泥。

2) 不宜使用早強(qiáng)水泥和太細(xì)的水泥。

水泥細(xì)度越小，水化熱越大，放熱速度越快，混凝土越容易開裂。

3) 控制水泥的堿含量。

混凝土開裂有很大一部分是由堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的，所謂堿骨料反應(yīng)，是指混凝土中達(dá)到一定數(shù)量的可溶性堿性氧化物（Na2O、K2O），與混凝土中某些含有堿活性礦物的骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的某種凝膠體遇水后體積膨脹，引起已硬化的混凝土開裂破壞的現(xiàn)象。不同使用年限的混凝土最大堿含量見表2。

對付堿骨料反應(yīng)唯一可行的辦法就是采取措施進(jìn)行預(yù)防，其重要措施就是嚴(yán)格控制混凝土的總堿含量，其中重點(diǎn)是控制水泥的堿含量，堿還能促進(jìn)水泥的收縮開裂。一般以水泥堿含量低于0.6%（Na2O當(dāng)量）為預(yù)防混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)的安全界限[2]。

4) 嚴(yán)禁使用熱水泥。由于目前國內(nèi)工程數(shù)量的急劇增多，大多數(shù)水泥廠出現(xiàn)供不應(yīng)求的現(xiàn)象，剛包裝好的水泥根本沒有存放就被施工單位拉到現(xiàn)場直接使用，水泥內(nèi)部溫度高達(dá)70℃之多，用這樣的水泥打出來的混凝土水化熱非常高，極易產(chǎn)生裂縫。

表1 裂縫分類

表2 混凝土最大堿含量（kg/m3）

2.2 骨料

骨料品種對混凝土的收縮影響較大，一般低收縮性骨料包括石英、石灰?guī)r、花崗巖及玄武巖。骨料粒徑越大收縮越小，含水量增加收縮也增加，砂率大或使用過量的粉砂，會(huì)使混凝土干縮增大。此外細(xì)骨料越細(xì)、粗骨料針片含量越多，均會(huì)導(dǎo)致用水量增大，膠凝材料增多，收縮量增大。同時(shí)要嚴(yán)格控制骨料中的含泥量，骨料的含泥量越高，混凝土越容易收縮開裂。這是由于骨料表面所帶的泥份妨礙了骨料與水泥漿之間的咬合粘結(jié)，弱化了界面結(jié)構(gòu)，也就降低了混凝土的強(qiáng)度特別是降低了抗拉強(qiáng)度。

粗骨料應(yīng)優(yōu)先選用熱膨脹系數(shù)小、且級配連續(xù)的，并在條件允許的情況下應(yīng)盡量選用較大粒徑的粗骨料。因?yàn)榇止橇狭皆酱螅壟湓胶?，其孔隙率越小，比表面積越小，單方用水量、泌水和收縮等均越小，膠凝材料用量相應(yīng)越小，水化熱隨之降低，對防止裂縫越有好處。

細(xì)骨料宜采用級配良好且吸水率較小的中砂，其孔隙率和比表面積較小，混凝土的膠凝材料和用水量相應(yīng)減小，水化熱會(huì)降低。

另外料場應(yīng)搭設(shè)防雨棚，冬季可擋冰雪，夏季遮陽防雨，必要時(shí)可采取冷卻骨料措施[3]。

2.3 配合比

優(yōu)化混凝土的配合比，在保證混凝土強(qiáng)度及流動(dòng)度條件下，盡量降低單方用水量和水泥用量、降低混凝土絕熱溫升。單方用水量越多，干縮越大，用水量每增加1%，即干縮率增大2%～3%，為方便施工操作和保證振搗密實(shí)的前提下，通過取較小坍落度的混凝土，減少用水量，達(dá)到降低離析、泌水現(xiàn)象的措施。

水泥的水化用水僅占水泥用量的25%左右，而要使混凝土具備足夠的施工和易性所需的水占水泥總量的40%左右。因此配合比選用不當(dāng)也會(huì)造成混凝土收縮增大，易產(chǎn)生裂縫。一般表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(l)用高標(biāo)號水泥配置低強(qiáng)度混凝土，導(dǎo)致水灰比過大，導(dǎo)致混凝土和易性不佳，易收縮開裂；

(2)沒摻外加劑，膠凝材料用量偏大，水化熱很大，易開裂；

(3)外加劑與膠凝材料的適應(yīng)性不良，或外加劑、摻合料的品種和產(chǎn)量不當(dāng)，易收縮；

(4)砂率不當(dāng)，過小時(shí)混凝土粘聚性和保水性較差，易離析；過大時(shí)骨料的總表面積和空隙率都增大，在水泥漿含量不變的情況下，混凝土的流動(dòng)性減小。

3 施工控制

根據(jù)有關(guān)資料，由施工因素造成的混凝土早期裂縫占80%左右，因混凝土材料方面的原因造成的裂縫占15%左右，因設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的裂縫占5%左右，如運(yùn)輸車交通不暢耽擱時(shí)間、現(xiàn)場人為加水、模板支撐不利、拆模過早、預(yù)埋管道或鋼筋不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)不到位、混凝土過早受荷等。

混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣，在很大程度上取決于施工過程的控制，現(xiàn)將混凝土施工過程中應(yīng)注意的要點(diǎn)和細(xì)節(jié)闡述如下。

3.1 準(zhǔn)備工作

開盤前應(yīng)準(zhǔn)確地測定粗細(xì)骨料的含水率，并依此換算出施工配合比，填發(fā)施工配料單，還應(yīng)檢查各原材料的檢驗(yàn)狀態(tài)和計(jì)量器具是否處于完好狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土配料的稱量偏差。每盤混凝土材料的稱重允許偏差見表3。

表3 每盤混凝土材料的稱量允許偏差[4]

3.2 攪拌運(yùn)輸

混凝土的拌制、運(yùn)輸必須滿足連續(xù)澆筑施工以及盡量降低混凝土出罐溫度等方面的要求。

攪拌混凝土應(yīng)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，在混凝土攪拌過程中，攪拌時(shí)間對混凝土的均勻性和和易性均有較大影響，特別是在摻用外加劑和粉煤灰的情況下，若攪拌時(shí)間不足，則外加劑的作用不能充分發(fā)揮，膠凝材料水化不充分，和易性差，質(zhì)量不均勻，混凝土強(qiáng)度的離散系數(shù)大。攪拌應(yīng)先向攪拌機(jī)投入骨料、水泥和礦物摻和料，攪拌均勻后，加水和液體外加劑（引氣混凝土應(yīng)同時(shí)加入引氣劑），直至攪拌均勻?yàn)橹?。粉體外加劑應(yīng)與礦物摻和料同時(shí)加入。水泥的入機(jī)溫度不應(yīng)大于70℃?；炷恋臄嚢钑r(shí)間為全部材料裝入攪拌機(jī)開始至攪拌結(jié)束所用時(shí)間，混凝土延續(xù)攪拌時(shí)間應(yīng)根據(jù)配合比和攪拌設(shè)備情況通過試驗(yàn)確定，但最短攪拌時(shí)間不宜少于2min。

混凝土宜采用內(nèi)壁平整光滑、不吸水、不滲漏的運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸。當(dāng)運(yùn)輸距離較長時(shí)，宜采用拌運(yùn)輸車運(yùn)輸；當(dāng)運(yùn)輸距離較近時(shí)，宜采用混凝土泵、混凝土料斗或皮帶機(jī)運(yùn)輸。在裝運(yùn)混凝土前，應(yīng)認(rèn)真檢查運(yùn)輸設(shè)備內(nèi)是否存留有積水，內(nèi)壁粘附的混凝土是否清除干凈。采用混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)送混凝土?xí)r，運(yùn)輸過程中宜以2r/min～4r/min的轉(zhuǎn)速攪動(dòng)；當(dāng)攪拌運(yùn)輸車到達(dá)澆筑現(xiàn)場時(shí)，應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)20s～30s 后再將混凝土拌和物喂入泵車受料斗或混凝土料斗中；運(yùn)輸車每天使用完后應(yīng)清洗干凈。

3.3 澆筑

泵送混凝土之前應(yīng)先泵送1：2水泥砂漿或同配合比砂漿或與泵送混凝土配合比相同但粗骨料減少50%的混凝土來潤滑混凝土泵和輸送管內(nèi)壁。

澆筑時(shí)可適當(dāng)降低澆筑速度，同時(shí)選擇氣溫適宜時(shí)進(jìn)行?；炷恋淖杂蓛A落高度不宜超過2米，當(dāng)超過2米時(shí)，應(yīng)采用滑槽、串筒、溜管等輔助器具進(jìn)行澆筑，否則將造成混凝土下落后石子明顯分離，導(dǎo)致混凝土離析，不密實(shí)。

振搗是混凝土施工過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，通過振搗迫使粗骨料和砂漿產(chǎn)生往復(fù)的相對運(yùn)動(dòng)，從而減小了骨料下沉的各種阻力，而水和氣體則被迫從混凝土表面排出，于是混凝土就從原來的松散堆積體搗實(shí)成均勻排列的密實(shí)體?；炷良炔荒苈┱窕蚯氛瘢膊豢蛇^振，前者導(dǎo)致氣泡不能排出，易出現(xiàn)蜂窩麻面，混凝土不密實(shí)；后者導(dǎo)致混凝土離析，易泌水。二者均會(huì)影響混凝土的密實(shí)性，誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生。一般以下面四個(gè)條件來衡量混凝土是否已經(jīng)振搗密實(shí)。

(1)不再出現(xiàn)氣泡；(2)混凝土不再顯著下沉；(3)表面泛漿；(4)表面形成水平面。

可采用二次振搗技術(shù)，即在混凝土的振動(dòng)界限以前，給予二次振搗，能有效排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部生成的水分和孔隙，從而提高混凝土與鋼筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出現(xiàn)的裂縫，以減小內(nèi)部微裂，增加混凝土密實(shí)度，改善混凝土強(qiáng)度，提高抗裂性。但必須掌握好二次振搗的時(shí)間間隔(2h為宜)，否則會(huì)破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，起到相反的結(jié)果。

3.4 養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土施工的重要環(huán)節(jié)，為防止或控制溫度裂縫，首先是降低大體積混凝土的內(nèi)外溫差值以降低自身約束應(yīng)力；第二是降低大體積混凝土的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強(qiáng)度，提高其承受外約束應(yīng)力的抗裂能力。

混凝土澆筑完畢后應(yīng)進(jìn)行二次收面，避免表面產(chǎn)生收縮裂縫，還應(yīng)做同條件拆模試件，在強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)方可拆模，避免因拆模不當(dāng)或拆模過早而引發(fā)裂縫。拆模后應(yīng)及時(shí)覆蓋麻布草片并灑水養(yǎng)生，或做土圍堰灌水5cm～10cm進(jìn)行保溫和養(yǎng)護(hù)。

良好的養(yǎng)護(hù)不僅有利于混凝土強(qiáng)度的持續(xù)增長，而且可以防止混凝土硬化初期的塑性收縮裂縫。若養(yǎng)護(hù)濕度或時(shí)間不足，則混凝土表面容易產(chǎn)生收縮裂縫。每日灑水次數(shù)應(yīng)以混凝土表面保持濕潤狀態(tài)為度。對于保濕養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，一般是越長越好，養(yǎng)護(hù)14天的混凝土的收縮比只養(yǎng)護(hù)3天的收縮降低約20%，但由于工程工期的制約，絕大多施工單位做不到，所以混凝土出現(xiàn)裂縫就在所難免了。

3.5 混凝土溫度控制

溫差裂縫是混凝土裂縫中最常見的，應(yīng)控制混凝土的入模溫度在5℃～30℃之間，內(nèi)部最高溫度不宜超過65℃,混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度之差、表面溫度與環(huán)境溫度之差不宜大于20℃（墩臺(tái)、梁體混凝土不宜大于15℃），養(yǎng)護(hù)用水與混凝土表面溫度之差不得大于15℃[5]。

在炎熱的夏季施工時(shí)，可采用以下辦法來降低混凝土溫度：搭設(shè)遮陽棚，并用冷水對砂石料降溫；在攪拌機(jī)內(nèi)添加冰水；用液氮冷卻攪拌車罐體；混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管。

冬季施工主要采取加熱拌合用水措施，既簡便又容易控制水溫，散熱小，加熱水所消耗的能量僅為同質(zhì)量骨料的四分之一，經(jīng)濟(jì)合理。因此在需要加熱的情況下優(yōu)先考慮提升水溫。但是水溫不能過高，以免水泥發(fā)生速凝，影響混凝土耐久性，嚴(yán)重時(shí)還能導(dǎo)致堵管。當(dāng)水溫提升較高時(shí)還應(yīng)改變投料順序，使得熱水先與骨料拌和均勻，再投入水泥和礦物摻合料，避免熱水與水泥直接接觸，導(dǎo)致不良反應(yīng)發(fā)生。

在混凝土的各種原料中間，石子的比熱較小，但每方混凝土中石子所占的比重最大，而水的比熱最大，因此降低出機(jī)溫度最有效的辦法是降低石子和水的溫度。混凝土拌合溫度宜按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范（GB50204-2002）》和《建筑工程冬期施工規(guī)程（JGJ104-97）》公式計(jì)算。

4 結(jié)束語

大體積混凝土裂縫的誘因很多，本文對一些常見裂縫進(jìn)行了分析，并提出預(yù)防的措施，以期與同行共同探討。雖然現(xiàn)在混凝土裂縫的修補(bǔ)方法主要有結(jié)構(gòu)加固法、混凝土置換法、灌漿嵌逢封堵法、表面修補(bǔ)法、電化學(xué)防護(hù)法及仿生自愈合法等，但修補(bǔ)成本非常昂貴，因此施工前做好混凝土的裂縫預(yù)防工作是非常有必要的。

[1]JGJ55-2000，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000

[2]向才旺等.水泥應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000

[3]龔召熊.水工混凝土的溫控與防裂[M].北京：中國水利水電出版社，2000