大体积混凝土裂缝控制措施

摘要

大体积混凝土表面易出现裂缝，影响混凝土质量。分析大体积混凝土裂缝产生的原因，介绍防止裂缝产生的一些措施，包括选择合适的水泥、骨料、掺加粉煤灰，控制配合比，完善施工工艺，加强温控监测等措施。

关键词：大体积混凝土、裂缝、防裂措施

目录

一、引言 (1)

二、大体积混凝土裂缝形成的原因 (1)

（一）裂缝分类 (1)

1、表面裂缝。 (1)

2、深层裂缝。 (1)

3、贯穿裂缝。 (1)

（二）裂缝形成原因分析 (2)

1、水泥水化热的影响。 (2)

2、内外约束条件影响。 (2)

3、外界气温变化的影响。 (2)

4、混凝土的收缩变形。 (2)

三、控制裂缝的措施 (2)

（一）原材料、配合比、制备及运输 (2)

1、原材料 (2)

2、配合比的控制 (3)

3、制备与运输 (4)

（二）施工工艺 (4)

1、施工技术准备 (4)

2、混凝土浇筑与振捣 (4)

3、混凝土养护 (5)

（三）温控施工的现场监测 (6)

四、工程实例 (6)

（一）工程大体积混凝土温控计算 (6)

1、砼最终绝热温升 (6)

2、砼内部中心最高温度 (6)

3、砼表面温度 (7)

4、需排出的水化热 (7)

5、吸收热量所需用水的质量 (7)

6、吸收热量所需用水的体积 (8)

7、管径计算 (8)

（二）测温布置图 (8)

（三）水管布置图................................................................................. 错误！未定义书签。

五、结束语 (9)

大体积混凝土裂缝控制措施

一、引言

随着国民经济的发展，大型建筑不断增多，在高层建筑、大型承台等工程中常采用混凝土体积较大的箱型基础或筏板基础，桩基的上部也有厚度较大的承台。这种大体积混凝土结构具有结构厚、体型大、钢筋密、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点。由于大体积混凝土结构的截面尺寸较大，所以由外荷载引起裂缝的可能性很小，但水泥在水化反应过程中释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用，会产生较大的温度应力和收缩应力，将成为大体积混凝土结构出现裂缝的主要因素。这些裂缝往往给工程带来不同程度的危害，如何进一步认识温度应力的重要作用，控制温度应力和温度变形裂缝的开展，是大体积混凝土结构施工中的一个重大课程。

二、大体积混凝土裂缝形成的原因

（一）裂缝分类

大体积混凝土出现的裂缝按深度的不同，分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。

1、表面裂缝。大体积混凝土浇筑初期，水泥水化热大量产生，使混凝土的温度迅速上升，但由于混凝土表面散热条件好，热量可向大气中散发，其温度上升较小；而混凝土内部由于散热条件较差，热量不易散发，其温度上升较多。混凝土内部温度高、表面温度低，则形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝，这种裂缝就是表面裂缝。表面裂缝主要是温度裂缝，一般危害性较小，但影响外观质量。

2、深层裂缝。基础约束范围内的混凝土，处在大面积拉应力状态，在这种区域若产生了表面裂缝，则极有可能发展为深层裂缝，深层裂缝部分切断了结构断面，对结构耐久性产生了一定危害，施工中是不允许出现的。如能避免出现基础约束区的表面裂缝，且混凝土内外温差控制适当，则基本可以避免出现深层裂缝。

3、贯穿裂缝。大体积混凝土浇筑初期，混凝土处于升温阶段及塑性状态，弹性模量很小，变形变化所引起的应力很小，温度应力一般可忽略不计。混凝土浇筑一定时间后，水泥水化热基本已释放，混凝土从最高温逐渐降温，降温的结果是引起混凝土收缩，再加上混凝土多余水分蒸发等引起体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束，不能自由变形，从而导致产生拉应力。当该拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，混凝土整个截面就会产生贯穿裂缝。贯穿裂缝切断了结构断面，破坏了结构的整体性、稳定性、耐久性、防水性等，影响正常使用，

其危害是较严重的，应当采取一切措施，坚决控制贯穿裂缝的开展。

（二）裂缝形成原因分析

1、水泥水化热的影响。水泥在水化过程中产生大量的热量，这是大体积混凝土内部热量的主要来源，试验证明每克普通水泥放出的热量可达500J。由于大体积混凝土截面的厚度大，水化热聚集在结构内部不易散发，会引起混凝土内部急剧升温。水泥水化热引起的绝热温升，与混凝土厚度、单位体积水泥用量和水泥品种有关，混凝土厚度愈大，水泥用量愈多，水泥早期强度愈高，混凝土内部的温升愈快。当混凝土内部与表面温差过大时，就会产生温度应力和温度变形。温度应力与温差成正比，温差越大，温度应力越大，当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生裂缝。

2、内外约束条件影响。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀受到约束而形成压应力。当温度下降，则产生较大的拉应力。另外，混凝土内部由于水泥的水化热而形成中心温度高，热膨胀大，因而在中心区产生压应力，在表面产生拉应力。若拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会产生裂缝。

3、外界气温变化的影响。大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对大体积混凝土开裂有重大影响。混凝土内部温度是由浇筑温度、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之和。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；外界温度下降，会增加混凝土的温度梯度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，产生温差和温度应力，使混凝土产生裂缝。因此研究合理的温度控制措施，控制混凝土表面温度与外界气温的温差，是防止裂缝产生的重要措施。

4、混凝土的收缩变形。在混凝土硬化之前，混凝土处于塑性状态，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，就容易形成一些不规则的混凝土塑性收缩性裂缝。另外混凝土在水泥水化过程中会产生一定的体积变形，混凝土中80%水分要蒸发，而最初失去的30%自由水分几乎不引起收缩，随着混凝土的陆续干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干燥收缩，而表面收缩快，中心干燥收缩慢，由于表面的干缩受到中心部位混凝土的约束，因而在表面产生拉应力而出现裂缝。在设计上，混凝土表层布设抗裂钢筋网片，可有效防止混凝土收缩时产生干裂。

三、控制裂缝的措施

（一）原材料、配合比、制备及运输

1、原材料

①水泥品种的选择

温差主要是水化热产生的，为了减小温差就要尽量降低水化热，要用早期水化热低的水泥，选择适宜的矿物组成，调整水泥的细度模数，试验证明，水泥中的铝酸三钙和硅酸三钙含量高的水泥水化热就高。所以为了减小水化热，应选用熟料中含铝酸三钙和硅酸三钙较少的中、低热硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，且

大体积混凝土施工所用水泥其3d的水化热不宜大于240kj/kg，7d的水化热不宜大于270kj/kg。

②控制混凝土入机温度

在水泥销售的旺季，很多车都在水泥厂门口排队等着装货，造成供不应求的局面，刚出库的水泥基本上到了现场就要使用，这样就导致水泥到场温度和使用温度会超过60℃、混凝土拌合物出机流动性变差、需水量变大、坍落度损失变大等问题，对大体积混凝土浇筑以后的温控带来很大的难度，往往会导致温差裂缝的出现。所以水泥在搅拌站的入机温度不宜大于60℃。

③骨料的选择

大体积混凝土砂石料的重量占混凝土总重量的85%左右，正确选用砂石料对保证混凝土质量、节约水泥用量、降低水化热、降低工程成本是非常重要的。当细骨料偏细时，会造成相同坍落度时混凝土的需水量增加；细骨料偏粗时，会造成混凝土的黏聚性差、砂浆对骨料包裹不完全；含泥量偏大时，会造成混凝土初始坍落度降低、坍落度损失加大、增加早期和后期裂缝、降低混凝土强度等。因此细骨料宜采用中砂，含泥量不应大于3%。

粗骨料的级配直接影响混凝土拌合物的工作性。水胶比相同时，级配良好的粗骨料对砂浆的需求量要低。在维持相同工作性及力学性能的同时，可以降低单方混凝土胶凝材料的用量，从而既可以节约成本，又可以减少混凝土内部的水化放热，对大体积混凝土的裂缝控制非常有好处。

④掺加粉煤灰

目前粉煤灰已经成为混凝土中使用最广泛的矿物掺合料。粉煤灰在混凝土中表现出形态效应、火山灰效应和微集料效应，改善新拌混凝土的工作性、提高混凝土后期强度、降低大体积混凝土水化热、提高混凝土的抗渗性、降低氯离子的扩散系数、提高混凝土耐磨蚀性。

2、配合比的控制

①拌合用水量的控制

一般大体积混凝土中，胶凝材料完全水化所需的水量远低于拌合用水量，多余的水是为了满足混凝土的工作性要求而加入的。这些多余的水分在混凝土硬化以后会慢慢蒸发出去，而在混凝内部留下很多孔隙。胶凝材料用量一定时，用水量越大，后期留下的孔隙也就越多，这对混凝土的耐久性是非常不利的。同时，其他条件不变时，混凝土用水量越大，混凝土强度越低，混凝土离析、泌水倾向越严重，这会影响到混凝土的匀质性，骨料多的部位容易形成蜂窝、麻面，砂浆多的部位容易形成收缩裂缝。因此大体积混凝土拌合水用量不宜大于175kg/m。

②水胶比的控制

一般情况下，混凝土的水胶比越大，混凝土的强度越低，混凝土内部的孔隙率越高。水胶比较低时，混凝土具有较好的密实性及耐久性。水胶比越高，相同掺量下粉煤灰和矿渣粉对混凝土强度的降低也越大，混凝土抗氯离子渗透的能力也越弱。因此据有关规定，大体积混凝土的水胶比不宜大于0.50。

③砂率的控制

混凝土中砂和胶凝材料形成砂浆，共同填充粗骨料堆积留下的空隙，砂浆的体积量会超过粗骨料的空隙体积，多余的砂浆对粗骨料进行包裹，从而降低粗骨料之间的摩擦阻力，提高混凝土的流动性。在混凝土配合比设计中，胶凝材料用量和水胶比固定以后，砂率过低，砂浆量就过少，混凝土的工作性变差，就会出现粗骨料包裹不完全的现象；砂率过高，混凝土拌合物黏度变大，流动性变差，增大混凝土收缩开裂的风险。因此，大体积混凝土砂率最好是在35%-42%。

3、制备与运输

混凝土的制备量与运输能力须满足大体积混凝土浇筑工艺的要求，应选用具有生产资质的预拌混凝土生产单位。搅拌运输车在装料前应将罐内的积水排尽，防止混凝土实际水胶比偏大，影响混凝土质量。预拌混凝土从生产单位运输到浇筑现场加上排队等候泵送需要很长一段时间，期间，风吹可能造成混凝土水分散失过快、坍落度变小；气温较低时，运输车中的混凝土可能因为长时间暴露在寒冷的空气中而结冰。所以运输车应具有防风、防晒、防雨和防寒设施。运输过程中有可能出现混凝土离析、坍落度损失大等现象，通过使用外加剂或快速搅拌无法恢复混凝土工艺性能时，如果浇筑入模会造成混凝土局部缺陷，所以不应浇筑入模，以免影响整个工程的质量。

（二）施工工艺

1、施工技术准备

大体积混凝土的施工技术准备工作应遵循施工组织严密高效、施工人员职责明确、施工设备性能可靠、各种保障和应急措施周全等基本原则。

大体积混凝土施工前应进行图纸会审，提出施工阶段的综合抗裂措施，制定关键部位的施工作业指导书。在施工前应对模板、支架、钢筋、预埋管件等隐蔽工程进行检查验收，合格后再进行混凝土的浇筑。尤其是预埋管件的检查，如果等大体积混凝土浇筑后，才发现漏埋或错埋、移位，补救措施将十分困难。另外施工现场总平面图布置应满足大体积混凝土连续浇筑对道路、水、电、专用施工设备等的需要，加强现场指挥和调度，尽量缩短混凝土的装运时间，控制合理的入模温度，提高设备的利用率。

2、混凝土浇筑与振捣

采取分层浇筑混凝土，利用浇筑面散热，以大大减少施工中出现裂缝的可能性。选择浇筑方案时，除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外，还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响，常采用的方法有以下三种：（图1）

①全面分层：即在第一层全面浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝，如此逐层连续浇筑，直至完工为止。采用这种方案，适用于结构的平面尺寸不宜太大，施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分为两端，从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。

②分段分层：混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，

如此依次向前浇筑其他各层。由于总的层数较多，所以浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。

③斜面分层：要求斜面的坡度不大于1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。混凝土的振捣也要适应斜面分层浇筑工艺，一般在每个斜面层的上、下各布置一道振动器。上面的一道布置在混凝土卸料处，保证上筑的向前推进，振动器也相应跟上。

大体积混凝土宜采用二次振捣工艺，即在混凝土浇筑后即将凝固前，在适当的时候给予再次振捣，以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和孔隙，增加混凝土的密实度，减少内部微裂缝和改善混凝土强度，提高抗裂性；当分层浇筑混凝土时，振捣器应插入下层混凝土约50mm。振捣时间长短应根据混凝土的流动性大小而定，快插慢拔，保证振捣的位置，使混凝土表面呈水平，不再显著下沉、不再出现气泡，并在边缘2m和顶部0.5m范围内加强振捣，防止漏振、过振和欠振。

图1 连续浇筑方法示意图

（a）全面分层；（b）分段分层；（c）斜面分层

3、混凝土养护

大体积混凝土养护的关键是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土内外温差，促进混凝土强度的正常发展的同时防止混凝土裂缝的产生和发展。大体积混凝土的养护不仅要满足强度增长的需要，还应通过温度控制，防止因温度变形引起混凝土开裂。

混凝土养护阶段的温度控制措施：

混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20℃；当结构混凝土具有足够的抗裂能力时，不大于25～30℃。

混凝土拆模时，混凝土的表面温度与中心温度之间、表面温度与外界气温之间的温差不超过20℃。

采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管通入冷却水，降低混凝土内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行。

保温法是在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料，如草袋、锯木、湿砂等。在缓慢的散热过程中，保持混凝土内外温差小于20℃。根据工程的具体情况，尽可能延长养护时间，拆模后立即回填或再覆盖保护，预防骤冷气

候的突然影响，防止混凝土早期和中期裂缝。

（三）温控施工的现场监测

大体积混凝土施工，在浇筑阶段完成后，养护是防止混凝土开裂的重要手段。养护工作需要在监测数据指导下进行，及时或提前调整技术措施。在有条件的前提下，大体积混凝土监测系统可以是实时在线自动记录并能够超限报警，也可采取手动方式测量，但如果采集频次过低，待发现数据超标时，这些不利情况已经导致不可挽回的损失出现。通常混凝土在遭受快速气温变化4小h内便有可能出现表面裂缝。所以一般情况下工程监测频次不大于4h/次。

测点位置选取的原则是要考虑具有代表性，所选位置必须能够尽可能多地反映出其他未监测到类似部位的情况，通常所选位置测点所测试数据在整个大体积混凝土温度场和应力场中在所代表的其他基本相同的部位中数值是最大的。在具有对称的浇筑体平面，一般都选择在对称轴上布设测点进行监控。在不具有对称的浇筑体平面，一般根据浇筑体平面和立面形状，分析其受力规律，选择在最具代表性的位置。测试过程中及时描绘出各点的温度变化曲线和断面温度分布曲线。发现温控数值异常及时报警，并采取相应的措施。

四、工程实例

某固定门式起重机工程，混凝土支柱的基础底板宽23.5米，长29米，厚度为6米，混凝土量为4089m3，共布置5层降温水管，每层水管竖向间距1米，同一平面水管水平间距1.2米，同一平面上的水管每4排设一个进水口，一个出水口，共设25个进水口，25个出水口。设6个数据采集器用于电子测温，每个数据采集器设6个温度感应片，第一个感应片距基础底80cm，第六个感应片距基础顶80cm，每个感应片之间间距90cm。混凝土采用泵送商品混凝土，混凝土强度及抗渗抗冻等级为C50、S8、F300。浇筑使用3辆泵车，15辆罐车，连续48h 一次浇筑完成。入模温度不大于28度，养护中混凝土中心点水化热峰值为89℃。基础底板外观质量良好，无裂缝。

（一）工程大体积混凝土温控计算

1、砼最终绝热温升

Th = mcQ/ Cρ= 507×377 /2400×0.96=82.96o C

其中：Th——砼最终绝热温升（o C）;

m

c

——砼中水泥用量（kg/m3）;

Q——每千克水泥水化热量（J/kg），普通硅酸盐水泥42.5#取值为377;

C——砼的比热（KJ/kg*k），取0.96;

ρ——砼的密度，取2400（kg/m3）

2、砼内部中心最高温度

T

1（t）= T

o

+T

h

ξ=32+82.96×0.86 = 103.35 o C

其中：T

1（t）

—— t龄期砼内部中心最高温度(o C)

T

o

——砼的浇筑入模温度(o C)

T

h

——砼最终绝热温升(o C)

ξ——不同浇筑块厚度的温降系数，取值0.86 3、砼表面温度

T

2（t） =T

q

+4h′（H—h′）［ T

1（t）

—T

q

］/H2

=32+4×1.407×7.407×71.35/8.8142 =70.28 o C

则内外温差T

△ = T

1（t）

—T

2（t）

= 103.35-70.28 =33.07 o C

其中：T

2（t）

——t龄期砼表面温度(o C)；

T

q

——施工期大气平均温度(o C)

h′——砼虚厚度（m），h′=K′·λ／β，K′为折减系数，取2/3；

λ为砼导热率，取2.33W/mk；

β为砼表面模板及保温层传热系数（W/m2k）；

β=1/［∑δi/λi+1/βq］

δi——各保温材料厚度（m），本工程蓄水0.5米保温；

λi——各保温材料导热率（w/m·k），见表1。

βq—空气层的传热系数，取23w/m2k；

H——砼计算厚度（m），H=h+2 h′;

h——砼实际厚度（m）

4、需排出的水化热

由上述可知，当砼最高内部中心温度达到103.35o C时，砼内外温差可达33.07 o C，而砼内外温差应控制在25 o C范围内，故砼内外温差需降低8.07 o C才能满足要求，此处取10 o C。此时须排出的水化热为：

q = T

△

Cρυ=10×0.96×2400×4089=94.21×106（KJ）

其中：q ——砼须排出的水化热（KJ）；

T

△

——砼内外温差（o C）；

C——砼的比热（KJ/kgk），取0.96；

ρ——砼的密度，取2400kg/m3；

υ——基础浇筑砼量（m3）

5、吸收热量所需用水的质量

M 水 = q/Cpm （t 1-t 2） = 94.21×106/（50 o C-15 o C ）×4.1868

=0.643×106kg

其中：Cpm ——水的比热容（KJ/kg · o C ），取4.1868；

t 1—— 出水温度（o C ），取50 o C ；

t 2——入水温度（o C ），取15 o C ；

6、吸收热量所需用水的体积

V 水 = m 水/ρ水 = 0.643×106/1×103=0.643×103m 3

7、管径计算

S= V 水/V 流×t ′=0.643×103/2×48×3600=1.86×10-3m 2

其中：V 水——吸收热量所需用水体积（m 3）；

V 流——水的流速（m/s ），取值2m/s ；

t ′——消耗热量所需时间（h ），取48h

则：水管内半径r=π/s =0.0243m

实际施工时，循环水管直径不小于40mm 。

（二）测温布置图

温度传感器

剖面图

平面图

五、结束语

以上这些措施不是孤立的，而是相互联系、相互制约的，笔者以为从选料、配合比设计、施工工艺方法的选定、采取全过程的温度监测等，采取一系列综合性措施，这样才能防止产生温度裂缝，确保工程质量。

参考文献：

1、中国冶金建设协会主编、大体积混凝土施工规范GB50496-2009、中国计划出版社、2009；

2、中华人民共和国建设部主编、混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002（2010年版）、中国建筑工业出版社、2011；

3、中华人民共和国住房和城乡建设部主编、混凝土结构设计规范GB50010-2010、中国建筑工业出版社、2010；

4、仲晓林、林松涛编著、大体积混凝土施工规范实施指南、中国建筑工业出版社、2011；

5、徐荣年、徐欣磊编著、工程结构裂缝控制——“王铁梦法”应用实例集（第二集）、中国建筑工业出版社、2010；

6、朱伯芳、大体积混凝土温度应力与温度控制（第二版）、中国水利水电出版社、2012；

7、徐至钧、混凝土结构裂缝预防与修复、机械工业出版社、2010；

8、全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会编写、市政公用工程管理与实务—3版、中国建筑工业出版社、2011；

9、刘月波、桥梁工程施工质量通病与防治、中国建材工业出版社、2009；

10、王铁梦、工程结构裂缝控制、中国建筑工业出版社、1997；