史金正 任書霞

（石家莊鐵道大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

0 引言

在高層樓房基礎(chǔ)、工業(yè)工程的大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩、大跨度橋梁工程等，經(jīng)常會涉及到大體積混凝土的施工。大體積混凝土的體積大，表面系數(shù)比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部升溫比較快。水泥水化所釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，會使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫。這兩種裂縫在形式上表現(xiàn)為表面裂縫和貫通裂縫，都會影響大體積混凝土的結(jié)構(gòu)安全和正常使用。因此，本文就大體積混凝土的裂縫防治施工技術(shù)進(jìn)行探討。

1 大體積混凝土裂縫類型及產(chǎn)生原因

1.1 溫度裂縫

由于大體積混凝土在澆注施工和養(yǎng)護(hù)的過程中，會出現(xiàn)內(nèi)外部溫差過大的問題。當(dāng)混凝土內(nèi)外部過大的溫差，所引發(fā)的溫度應(yīng)力超出了大體積混凝土可能承受的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會引發(fā)裂縫問題。溫度裂縫形成的原因主要有以下三方面[1]：

（1）混凝土澆注初期，因水泥水化反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的水化熱，造成內(nèi)外部溫度差，使混凝土產(chǎn)生大量裂縫，且通常在施工結(jié)束后的3h 左右產(chǎn)生；

（2）在大體積混凝土拆模澆注前后時(shí)間段，混凝土表層溫度會迅速降低，內(nèi)外溫度變大，此時(shí)也很容易產(chǎn)生溫度裂縫；

（3）混凝土內(nèi)部水化熱溫度達(dá)到最高值時(shí)，熱能會逐漸向外面?zhèn)鞑ィ藭r(shí)混凝土表層的最低溫度與內(nèi)部最高溫度相差較大,就會產(chǎn)生高溫裂縫。

大體積混凝土在水泥澆注的前幾天，會逐漸產(chǎn)生水化熱，由于大體積混凝土截面較大，散熱性能相對有限，水化產(chǎn)生的大量熱量（1kg 水泥水化產(chǎn)生的水化熱高達(dá)50000J）積聚在大體積混凝土中，導(dǎo)致內(nèi)部溫度在澆注后幾天內(nèi)呈線性上升，水化熱在前3d 最大，溫度收縮裂縫大約在澆注后2～10d 出現(xiàn)。大體積混凝土內(nèi)部溫度變化如圖1 所示。

圖1 大體積混凝土內(nèi)部溫度變化曲線

1.2 收縮裂縫

（1）在水泥散熱和硬化時(shí)期，水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生緊縮情況，特別是大體積水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊縮問題尤為突出，當(dāng)該收縮應(yīng)力值達(dá)到水泥的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會引發(fā)混凝土裂縫。實(shí)際上，混凝土在使用過程中，也會出現(xiàn)收縮問題，這同干縮的原理比較類似，但實(shí)際是因大體積混凝土內(nèi)部水的遷移所造成的。

（2）在水泥水化過程中，由于混凝土?xí)罅肯乃侄鼓z材料在孔液面上產(chǎn)生沉降問題，這便是所謂的自干效應(yīng)，且會逐漸減小水泥體的容積，引發(fā)裂縫問題。

（3）塑性收縮，也是導(dǎo)致大體積混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的原因。當(dāng)水泥達(dá)到過高工作溫度或水泥活性比較大的狀況下，由于建筑混凝土表層水分無法進(jìn)行及時(shí)有效地補(bǔ)給，大體積混凝土也處在塑性狀態(tài)，稍微受到一些拉伸，即會產(chǎn)生不規(guī)則裂縫。

（4）碳化收縮裂縫，是大體積混凝土中的常見裂縫，主要為水泥和二氧化碳之間的化學(xué)反應(yīng)，使混凝土出現(xiàn)收縮變形，且一般只有在濕度達(dá)到50%左右時(shí)，才可以出現(xiàn)碳化收縮裂縫。

（5）負(fù)載導(dǎo)致的裂縫。動載斷裂主要是指大體積混凝土或橋梁構(gòu)件在常規(guī)靜載、動載等應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土斷裂。根據(jù)應(yīng)力情況，可分為直接應(yīng)力和二次應(yīng)力。前者主要是指荷載直接作用引起的裂縫，主要是由于計(jì)算模型選擇不合理、內(nèi)力和配筋錯誤、設(shè)計(jì)截面不足等原因造成的；或施工過程中大體積混凝土預(yù)制構(gòu)件安裝、運(yùn)輸、吊裝不合理；未進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞驗(yàn)算；大體積混凝土橋梁結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)風(fēng)、大雪或車輛撞擊等問題，都可能導(dǎo)致大體積混凝土荷載裂縫。

以上收縮引起大體積混凝土出現(xiàn)裂縫，操作中很多人不能準(zhǔn)確分辨。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師用裂縫產(chǎn)生的的時(shí)間來判斷裂縫產(chǎn)生的原因：塑性收縮裂縫大約在澆注后幾小時(shí)到十幾小時(shí)出現(xiàn)；自收縮主要發(fā)生在混凝土凝結(jié)硬化后的幾天到幾十天；干燥收縮裂縫出現(xiàn)在接近1 年齡期內(nèi)。

2 大體積混凝土裂縫的防治措施

2.1 收縮裂縫的防治

混凝土收縮裂縫的控制重點(diǎn)，就是控制相對濕度的改變，使建筑結(jié)構(gòu)具備相對穩(wěn)定的溫濕度。對溫濕度主要從以下幾方面進(jìn)行控制[2]：

（1）進(jìn)行混凝土表面的早期保養(yǎng)，水泥澆注完后，表層應(yīng)盡快用草墊、草袋或塑膜遮蓋，并灑水濕潤保養(yǎng)。

（2）在溫度高、相對濕度低、風(fēng)力大的氣候下，應(yīng)及早涂抹、噴水霧保養(yǎng)，并適度拉長保養(yǎng)時(shí)限。

（3）采取密閉保水方式，在水泥表層鋪設(shè)保溫材料，使水分無法揮發(fā)，或采取其他保護(hù)措施，使室內(nèi)空氣流轉(zhuǎn)(如設(shè)遮風(fēng)墻、罩)、延緩表層水分揮發(fā)。

（4）正確選用配合比，可以減少水灰比及水泥用量、嚴(yán)格控制沙、碎石中的含泥量，并盡量避免用細(xì)沙，以增加水泥抗拉強(qiáng)度。

2.2 干縮裂縫的防治

干縮裂縫和高溫裂縫產(chǎn)生均與水泥混凝土的水化熱有直接關(guān)聯(lián)。干縮型裂縫的預(yù)防辦法大致包括以下幾點(diǎn)[3]：一是合理選擇混凝土品種,粉煤灰混凝土是大體積水泥澆注時(shí)常常使用的混凝土品種。粉煤灰混凝土能夠減少對混凝土水化熱反應(yīng)的影響,從而降低了干縮性裂縫的產(chǎn)生。二是合理確定的混凝土配合比。水泥施工配合比能夠按照建筑要求和現(xiàn)場狀況,在滿足水灰比的前提下做出合理的調(diào)節(jié),通過進(jìn)行配合比調(diào)節(jié)能夠合理的預(yù)防干縮性裂縫的產(chǎn)生。

3 提高大體積混凝土澆注質(zhì)量的措施

3.1 提高原材料質(zhì)量

對大體積混凝土裂縫的防治,首先應(yīng)從原材料品質(zhì)管理入手,包括混凝土、粗細(xì)集料粒、外加劑、水等的品質(zhì)，為保證混凝土澆注質(zhì)量打下基礎(chǔ)。要采用低水化熱42.5 級普通硅酸鹽水泥；粗骨料使用一級級配碎巖,如果是在夏季施工,則需要對粗集料顆粒適當(dāng)噴水降溫；細(xì)集料顆粒則使用中粗砂,并過濾出里面的雜質(zhì)和污物,并嚴(yán)格控制含泥。所用自來水必須符合施工標(biāo)準(zhǔn)要求?？傊?在施工前要嚴(yán)格進(jìn)行原材料的質(zhì)量檢查與檢驗(yàn),不合格的建筑材料則一律禁止?jié)沧?為防止裂縫的形成創(chuàng)造條件[4]。

3.2 優(yōu)化混凝土的設(shè)計(jì)

首先是對原材料的控制，對于大型水泥混凝土澆注工程，一般需要選擇水化熱較低的混凝土材料，結(jié)合埋設(shè)冷水管的方法，以減少水泥水化熱的影響。

（1）細(xì)骨料通常使用2 區(qū)中砂，粗骨料應(yīng)盡可能減少收縮變形的影響。

（2）粉煤灰也可以作為外加劑適當(dāng)添加，以減少水化熱的影響。

（3）大體積混凝土中經(jīng)常使用一些外加劑。例如，使用膨脹劑可以在混凝土中產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力，可以用來抵消混凝土本身收縮引起的應(yīng)力，并可以抑制裂縫的產(chǎn)生；使用減水劑不僅可以提高混凝土的強(qiáng)度，還可以減少水泥的使用，從而降低水化熱。

（4）與普通混凝土相比，大部分大體積混凝土必須要配筋。通過對大體積混凝土裂縫的觀察可以看出，大部分裂縫發(fā)生在轉(zhuǎn)角處設(shè)置斜鋼筋的位置。因此，可以用鋼筋代替相應(yīng)的拉力控制裂縫的發(fā)展，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇中低硬度的混凝土，并在后期充分提高混凝土的硬度；應(yīng)注意減少對構(gòu)件的約束，選擇最小的鋼筋保護(hù)層厚度，以減少裂縫的發(fā)生。

3.3 做好澆注中的溫度控制

在混凝土澆注以后，要進(jìn)行保溫、保濕性養(yǎng)護(hù)工作，以使混凝土緩緩降溫，發(fā)揮其徐變特點(diǎn)，從而減少高溫應(yīng)力。在夏季防止暴曬，并注意保濕，在冬天則采取保溫覆蓋，以防出現(xiàn)劇烈的氣溫階梯變動。并制定合適的拆模日期，以延緩減溫速率，從而拉長減溫持續(xù)時(shí)間，以充分發(fā)揮混凝土的“應(yīng)力松弛效應(yīng)”；同時(shí)做好測量與高溫監(jiān)視工作，可通過熱敏溫度計(jì)多點(diǎn)監(jiān)控，以便隨時(shí)了解混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度變化?；炷恋膬?nèi)部溫度差，宜控制在±25℃之內(nèi)，將底面內(nèi)外溫差和基底表面內(nèi)部環(huán)境溫度均限制在20℃之內(nèi)，并適時(shí)調(diào)整保溫方法，使混凝土的內(nèi)部溫度梯度和溫濕率均不會太大，有效抑制裂縫的形成。

3.4 改進(jìn)混凝土的施工工藝

較大體積基礎(chǔ)采用分層分塊水泥澆注，以控制集料顆粒的含泥率。砂、石含泥用量過大，不但增大了混凝士的收縮，同時(shí)會減小了水泥的抗拉力，對水泥的耐裂性非常不利。所以，在混凝土拌和時(shí)選用級配良好的粗骨料，且砂石含泥率控制在1%以內(nèi)，中細(xì)粒含泥量控制在2%以內(nèi)，通過控制沙、砂石含泥量，減輕對水泥耐裂性的影響。

改進(jìn)水泥混凝土的施工工藝，可選擇二次投料法、兩次振搗法、在混凝土澆注后及時(shí)清除表層積水和最上層砂漿等，做好早期保護(hù)，增加混凝土早期和相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。在大體積混凝土基層表面布設(shè)抗裂鋼網(wǎng)片，以改變應(yīng)力分配，避免裂縫的產(chǎn)生。避免由減溫和干縮共同效應(yīng)所引起的應(yīng)力強(qiáng)度疊加現(xiàn)象。

在水泥中添加水泥使用量的5%～10%的VEA 混凝土微膨脹劑，以抵御由于干燥和降溫而產(chǎn)生的混凝土收縮，從而抑制混凝土裂縫。同時(shí)采用“雙控計(jì)算”的預(yù)防措施，即在澆注混凝土之前按施工要求，測算可能形成的最大降溫收縮拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于規(guī)定齡期的混凝土最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，通過調(diào)整措施將最大拉應(yīng)力值控制在規(guī)定范圍內(nèi)；

混凝土澆注后，應(yīng)通過實(shí)際室溫和氣溫的升降曲線，測算各個階段降溫時(shí)混凝土的累計(jì)拉應(yīng)力，當(dāng)其超過了該齡期的混凝土抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)處理，使各個階段降溫時(shí)混凝土的累計(jì)拉應(yīng)力低于該齡期混凝土所容許的最大抗拉強(qiáng)度值，從而控制裂縫發(fā)生。

3.5 加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆注后，應(yīng)及時(shí)做好養(yǎng)護(hù)(保溫層材料和厚度待定)。水泥表層壓平后，在混凝土表層噴水,然后再覆一層橡膠薄膜,接著在橡膠薄膜上涂抹保溫層進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保溫層在夜間要涂抹得嚴(yán)密，以避免水泥裸露,中午后溫度較高時(shí)可打開保溫層以適當(dāng)散熱。在底部的塑膠布下預(yù)設(shè)了補(bǔ)水軟管,與補(bǔ)水軟管間距為68m,沿管道長度方向每100mm 開5mm 水孔，并按照底板的濕漉漉程度在管內(nèi)灌水。混凝土泌水結(jié)束后，為避免面層起粉和塑性收縮，需要進(jìn)行反復(fù)搓壓。最后一次搓壓則是采取“邊掀開、邊搓壓、邊覆蓋”的方法。而對于底板表面無法連續(xù)包覆的地方，如墻、支柱插筋部位、鋼梁等,采取掛麻袋片、塞聚苯板等方法,并盡可能地進(jìn)行包覆,避免“冷橋”現(xiàn)象?；炷潦┕ね瓿珊?4h 內(nèi),除檢查測量裝置和覆蓋材料外,嚴(yán)禁踩踏。保溫層拆除需在混凝土超過規(guī)定強(qiáng)度,且表面溫度和周圍環(huán)境氣候差要低于20℃時(shí)方可進(jìn)行，并在中午后溫度較高時(shí)才可進(jìn)行保溫層拆除。

4 結(jié)束語

總而言之，大體積混凝土施工中容易出現(xiàn)裂縫，需要從施工的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。從原材料的質(zhì)量控制到混凝土的配合比設(shè)計(jì)，澆注施工過程的要點(diǎn)把控及后期維護(hù)監(jiān)測工作，每一環(huán)節(jié)都要嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求作好施工控制，才能有效防治混凝土的裂縫產(chǎn)生。當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，必須及時(shí)采取措施控制混凝土裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，并從施工工藝上進(jìn)行進(jìn)一步處理，以保證大體積混凝土的最終的施工質(zhì)量。