大体积混凝土裂缝的形成与控制
柴江明
摘要：从水泥水化热、内外约束条件、外界气温、混凝土塑性收缩几方面分析了大体积混凝土裂缝的形成原因，介绍了施工过程中应采取的有效技术措施，以减少或避免裂缝的产生。
关键词：大体积混凝土，温度裂缝，粗骨料，水泥用量，温度控制
1 大体积混凝土裂缝的形成
混凝土凝结时，水泥与水发生水化反应而放出大量的水化热，混凝土的温度随着水化反应的不断进行而逐步升高。当混凝土体积较大和散热条件不好时，水化热基本上积蓄于混凝土内，从而引起混凝土内部温度明显升高。混凝土内外温度的不均匀变化，会引起混凝土体积的不均匀变化及温度变形。当温度变形受到约束而不能自由收缩时，就会引起温度应力，从而产生温度裂缝。大体积混凝土施工阶段产生的温度裂缝，是其内部变化发展的结果。一方面混凝土由于内外温差产生应力和应变，另一方面结构的外约束和混凝土各质点的约束阻止了这种应变，一旦温度应力超过混凝土能承受的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。这种裂缝的宽度在允许范围内时，一般不会影响结构的强度，但对结构的耐久性有所影响。总结大体积混凝土产生裂缝的工程实例，产生裂缝的主要原因有以下几个方面。
1.1 水泥水化热的影响
水泥在水化反应过程中产生大量的热量，试验证明每克普通硅酸盐水泥放出的热量可达500 J。由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在结构内部不易散发，所以会引起混凝土内部急骤升温。试验表明：大体积混凝土水泥水化热在1 d～3 d放出的热量最多，占总热量的5O％左右；浇筑后的3 d～5 d内，混凝土内部的温度最高。混凝土的导热性较差，浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很低，对水泥水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力自然也较小，不会产生温度裂缝。随着混凝土龄期的增长，其弹性模量和强度相应不断提高，对混凝土降温收缩变形的约束愈来愈强，即产生很大的温度应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应力时，便产生温度裂缝。
1.2 内外约束条件的影响
大体积混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时受到下部地基的限制，因而产生外部的约束应力。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀变形受到约束面的约束而产生压应力，此时混凝土的弹性模量很小，徐变和应力松弛大，混凝土与基础连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。
1.3 外界气温变化的影响
混凝土的内部温度是浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加。大体积混凝土由于厚度大，不易散热，其内部温度高达90℃ 以上，而且持续时间较长。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；如果外界气温下降，会增加混凝土的温度梯度，特别是气温骤然下降，会大大增加内外混凝土的温差，因而会造成过大的温度应力，混凝土容易出现裂缝。
1.4 混凝土塑性收缩变形的影响
在混凝土硬化前，处于塑性状态，如果上部混凝土的均匀沉降受到限制，如遇到钢筋或大的混凝土骨料或者平面面积较大的混凝土，其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就容易形成不规则的混凝土塑性收缩性裂缝。
2 控制大体积混凝士裂缝的主要技术措施
2.1 水泥品种选择和用量控制
大体积混凝土结构引起裂缝的主要原因是：混凝土的导热性较差，水泥水化热的大量积聚，使混凝土出现早强温升和后期降温现象。因此，控制水泥水化热引起的温升，即减少混凝土内外温差，对降低温度应力、防止产生温度裂缝将起到较大作用。
1)选用中热或低热的水泥品种。混凝土内部温升的热源主要是水泥水化热，选用中热或低热水泥品种，是控制混凝土温升的最根本方法。试验表明：选用425强度等级硅酸盐水泥，比选用425强度等级矿渣硅酸盐水泥，3 d内水化热平均升温高5℃～ 8℃。
2)控制水泥的用量。大量的试验资料表明，每立方米混凝土中的水泥用量每增减10 kg，其水化热将使混凝土的温度相应升降l℃。因此，为控制混凝土温升，降低温升应力，防止温度裂缝，一方面在满足混凝土强度和耐久性的前提下，尽量减少水泥的用量，对于普通混凝土控制在每立方米混凝土水泥用量不超过400 kg；另一方面可根据结构实际承受荷载的情况，采用f45，f60,f90替代f28作为混凝土的设汁强度，这样可使每立方米混凝土的水泥用量减少40 kg～70 kg左右，混凝土水化热温升也相应降低4℃～7℃ 。
2.2 掺加外加料
工程实践证明，在施工中优化混凝土级配，掺加适量的外加料，以改善混凝土的特性，是大体积混凝土施工中的一项重要技术措施。大体积混凝土中掺加的外加剂主要是木质素磺酸钙(简称木钙)。在泵送混凝土中掺入木钙为水泥质量的0．2％～0．3％，它不仅能使混凝土的和易性有明显地改善，而且可减少10％左右的拌合水，混凝土28 d的强度可提高l0％～20％；若不减少拌合水，坍落度可提高10 cm左右；若保持强度不变，可节省水泥l0％，从而可降低水化热。大量试验证明，存混凝土中掺入一定量的粉煤灰后，除了起增强作用外，在混凝土用水量不变的条件下，还可显著改善混凝土的和易性。若保持混凝土拌合物原有的流动性不变，则可减少单位用水量，从而提高混凝土的密实性和强度。所以，在混凝土中掺入适量的粉煤灰，不仅可以满足混凝土的可泵性，而且还可以降低水化热。
2.3 骨料的选择
1)粗骨料的选择。大体积混凝土宜优先选用以自然连续级配的粗骨料配制。这样混凝土会具有良好的和易性、较少的用水量、节约水泥用量、较高的抗压强度等优点。试验证明，采用5 cm- 40cm石子比采用5cm～20cm石子每立方米混凝土可减少用水量15 kg左右，在相同水灰比的情况下，水泥用量可节约20 kg左右，混凝土温升可降低2℃。但是，骨料粒径增大后，容易引起混凝土的离析，影响混凝土的质量，因此不要盲目选用大粒径粗骨料，必须进行优化级配设计。
2)细骨料的选择 大体积混凝土宜选用优质的中、粗砂做细骨料，细度模数宜在2.6～2.9范围内。试验证明当选用细度模数为2.79,平均粒径为0.381 mm的中粗砂时，比选用细度模数为2.2,平均粒径为0.336mm的细砂，每立方米混凝土可减少水泥用量28 kg～35 kg，减少用水量2O kg～25 kg。这样既降低了混凝土的温升也减小了混凝土的收缩。但是如果砂率过大，将会影响混凝土的强度，因此在满足混凝土可泵性的前提下，尽可能选用较小的砂率。
3)骨料的质量要求。在大体积混凝土施工中，石子的含泥量不得大于1％ ，砂的含泥量不得大于2％。
2.4温度控制
1）参考其他工程项目大体积混凝土的施工控制边界条件，混凝土内部的最高温度应控制在55℃，混凝土内外温差为25℃，分层浇筑时上、下层的温差为25℃。根据混凝土温度走势曲线，我们可以知道，每层混凝土的最高温升点均为每层的核心，且核心点的温度峰值都是在75h左右，这说明越靠近构件核心部位，水化热越是不容易散发出来。同时由混凝土温度曲线资料可以看出，在构件的分层之间，温度攀升不高且走势平稳，这说明分层浇筑混凝土所达到的效果是明显的。
2）根据混凝土温度走势曲线，我们可以知道，在2d的龄期内，当混凝土的强度尚未足够高，不能抵抗因温差产生的拉应力时，必须足够重视，洒水覆盖，不能让混凝土内外温差过高。
参考文献：
[1]傅茂林．大体积混凝土裂缝的预防【J]
[2]崔淑斌．大体积混凝土温度控制技术·《铁道标准设计》2003增刊
