浅析水利水电工程大体积混凝土裂缝产生的原因及防裂技术

【摘要】改革开放以来，随着我国经济的发展，国家加大了对基础建设的投入，特别是对水利水电工程建设的投入。水利水电工程关系到社会的稳定，人民生命财产的安全，成为是我国基础建设的一个重要的组成部分。在水利水电工程中大体积混凝土的应用非常广泛，大体积混凝土裂缝控制是施工的一个技术难题，大体积混凝土结构的施工技术与措施影响到结构的整体性和耐久性，直接关系到混凝土结构的使用功能，若不能很好地了解大体积混凝土结构开裂的原因以及掌握应对此类问题的相关施工措施，那么在实际生产中就很难保证施工质量。本文通过对随州市先觉庙水库溢洪道控制段混凝土底板的浇筑施工，探讨裂缝产生的原因及如何从原材料选择、混凝土配合比设计、施工及养护措施多方面对裂缝进行防治。

【关键词】水利水电工程；大体积混凝土；裂缝；原因；防治

中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：

一、工程概况        

随州市先觉庙水库属于大（2）型水库，溢洪道拆除扩建工程扩建后的溢洪道控制段长45m，宽12m，分为三孔，每孔底板尺寸为15m长，12m宽，厚度为2m,采用C30混凝土浇筑，单个底板混凝土方量达360m3，属于大体积混凝土施工。        

二、大体积混凝土裂缝产生的原因        

大体积混凝土裂缝产生的原因有多种，主要有温度、湿度的变化，混凝土的不均匀性和脆性，还有结构形式等等。     

混凝土硬化期间，水泥的水化热很大，由于混凝土体积庞大，积聚在其内部的水化热不易散发，导致混凝土的内部温度上升很快，此时在表面引起拉应力，也称为温度应力。随着水化热散发基本结束，温度又会慢慢降低，又会在内部出现拉应力。还有，外部气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。所有这些温度应力共同作用，当超出混凝土的抗裂能力时，就会出现裂缝。温度应力根据形成过程可分为：

1）初期应力：从混凝土浇筑开始到水化热基本结束，约1个月左右。这个时候的特征是水泥放出大量的水化热和混凝上弹性模量的急剧变化。弹性模量的变化，造成混凝土在内部形成残余应力。

2）中期应力：从水化热散发基本结束到混凝土降低到温度稳定，这个时侯的温度应力主要是因为混凝土的降低及外界气温变化所引起，此时混凝上的弹性模量变化不大，这些应力与初期应力相叠加。

3）后期应力：混凝土温度稳定之后的时段，这个时候的温度应力主要是周围环境气温变化所引起，与前两种的残余应力相叠加。另外，温度应力根据引起的原因可分为：

1）结构边界上没有任何约束或完全静止，内部温度如果是非线性分布的，由结构本身互相约束作用而产生的温度应力。如结构尺寸较大的混凝土方块，冷却时混凝土表面温度低，内部温度高，就会在表面出现拉应力，在中间出现压应力。

2）全部或局部边界受到外界的约束的结构，不能自由变形而引起的应力，如方块的榫槽。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。

混凝土的表面湿度变化较大或发生剧烈变化，但内部湿度变化很小或变化较慢，如果时湿时干、养护不周，表面干缩变形受到内部混凝土的约束作用，也可能出现裂缝。

由于原材料质量、级配不均匀，水灰比不能很好的控制，以及混凝土运输和浇筑过程中的离析等原因，在同一块混凝土中其抗拉强度也会是不一致的，必会存在着许多薄弱部位，其抗拉能力很低，易于出现裂缝。

混凝土是一种多孔胶凝人造石材，属脆性材料，其最大特点是抗压强度高、抗拉强度低，抗拉强度是抗压强度的1／10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104， 长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104。

对于大体积混凝土，其裂缝的形成与其结构尺寸也相关，在一定尺寸范围内，混凝土结构尺寸越大，温度应力也越大，厚薄不均，还会产生约束应力，因此引起裂缝的危险性也越大。在实际施工中，因混凝土收缩和温度变化引起的裂缝是最常见的。    

三、大体积混凝土裂缝防治的主要施工技术        

为了防止裂缝，可以从控制混凝土温度、改善约束条件、改进施工工艺和加强后期养护等几个方面着手。

1．控制混凝土温度

首先要减少混凝土自身的发热量。本工程采取了如下措施：

1）选用低水化热的矿渣硅酸盐水泥，经过实验室配合比设计优化，矿渣硅酸盐水泥用量为330kg/m3。水泥在水化过程中释放了大量的热量，对于底部结构工程中的大体积混凝土，选择的水泥品种应该是低热或者中热的，而水泥释放温度 的速度及大小取决于水泥的矿物成分，在大体积混凝土施工中，应尽量使用矿渣硅酸盐水泥或者火山灰水泥。

2）对施工现场堆在露天的骨料进行覆盖，以减少阳光对其的辐射，同时对浇筑前的骨料抽取水库深层水喷洒，降低骨料的入仓温度（现场有条件的可在混凝土拌合时加入冰块，效果会更好）。

3）水泥用量越大，产生的水化热越多，因此在不影响混凝土强度的前提下，要尽量减少水泥用量。利用粉煤灰作混凝土的掺合料是本工程采取的最有效的方法之一，粉煤灰使混凝土水化热在一定程度上延缓释放，对大体积混凝土的温度控制较为有效，同时它促进了混凝土的后期强度，还增加了混凝土的和易性，给施工带来了方便。另外在骨料的选择上，选取了强度高、粒径大、级配好的骨料，这样可以获得较小的表面积及空隙率，达到减少水泥用量的目的，降低水化热，减小混凝土裂缝的延伸。还有一种措施就是采用了UFA膨胀剂， 它可以等量替换水泥，不仅能够保证混凝土的密实度，更能够使混凝土内部产生压应力，来抵消混凝土中产生的部分拉应力。

4)掺加缓凝型减水剂，它的作用是使水化热的释放时间得到有效延缓，减少混凝土内部水化热峰值从而减小温度应力，避免冷接缝出现的可能。

其次要加快混凝土热量的散发。本工程采用了两种方法：

1）薄层浇筑法，50cm一层，平铺法，连续推进，尽量控制好上下两层铺料的间隔时间，以下层料未初凝前铺筑上一层为宜，以防止出现施工冷缝。

2）铺设冷却水管法，详细的操作方法为：在底板钢筋绑扎好后立模前预先在混凝土浇筑仓内按1m的层距布设上、下两层蛇形冷却水管，上、下层水管距离底板顶面、底面分别为0.5m，水管规格为30mm的薄壁钢管，混凝土浇注完成后，即可在该两层蛇形水管内通水，通过水循环，带走砼内部的热量，使混凝土内部的温度降低到要求的限度。

最后就是要选择一个合理的施工时间段，避免外部环境对混凝土温度的影响。本工程混凝土施工选择在9~12月份进行，一方面因为这个时间段雨水相对比较少，更主要的原因是气温比较适宜，当白天平均温度高于25℃时改为夜间施工。

2．改善约束条件

混凝土浇注后，温度逐渐下降，块体也随之收缩。但是在块体底部，因为与底胎上的榫相互作用，块体收缩受到榫的约束，从而在块体内部产生拉应力。该拉力在混凝土方块的底部最大，一旦产生裂缝也是从底部开始，随着收缩的增加和温度应力的增大，裂缝将向上延伸，有时贯穿整个块体。因此在本工程底板混凝土浇筑前，对岩石基础进行了同标号混凝土平填处理，确保底板混凝土浇筑时厚薄一致，避免约束应力的产生。

3．改进施工工艺

收缩裂缝往往在混凝土的施工早期就开始产生了，其自身收缩是混凝土硬化过程中水泥与水发生水化反应，生成了新的化学物质，导致其自身体积缩小。混凝土自身收缩的大小与水泥细度、细掺料的活性、水灰比等因素有关。水泥细度越大，混凝土的收缩越大，发生的收缩时间越长；用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。因此控制水灰比、选用并尽可能多的采用大粒径的骨料（现场有条件的可以填筑块石），同时对粗细骨料的含泥量进行严格控制，能对减小混凝土干缩起到较好的效果。本工程采用20～40mm的级配碎石，施工配合比塌落度控制在10~12cm之间，有效减少混凝土收缩、徐变。

另外，在混凝土搅拌工艺上，采用净浆裹石或砂浆裹石的二次投料工艺，能够有效地防止水分聚集在水泥砂浆和石子的界面上，使硬化后粘结力增大、界面过渡层结构致密，从而增加了混凝土的抗拉能力，减少裂缝出现的可能。在混凝土振捣工艺上，分层浇筑，分层振捣，待每薄层混凝土全断面布料振捣完毕，再从一头向另一头循环浇筑。控制好振动技术和入模厚度，每个浇筑层厚度为50cm。对已浇筑的混凝土，在终凝前进行二次振动，可排除混凝土因泌水而在水平钢筋、石子下部形成的水分和空隙，提高抗拉强度和粘结力，并减少内部气孔和裂缝，提高混凝土抗裂能力。施工缝设置联结钢筋，加强振捣，保证混凝土内部组织密实，达到提高混凝土极限拉伸值的目的。        

4．加强后期养护

混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件。保温能减少混凝土表面的热扩散，降低混凝土表层的温差。保湿能减少混凝土表面的水分蒸发，减少干缩，防止表面裂缝。混凝土浇注完毕后及时转入养护阶段。本工程采用了以下几项养护措施：

1）在埋设冷却水管时在混凝土中一起布设测温点，通过测量测温点的温度指导降温、保温工作，从而控制混凝土内外温差不大于25℃。测温点布置的原则是使不同标高、不同施工区段处的混凝土温升均能得到监控。在每块底板的长方向各取三个具有代表性的点，布置测温孔，保证不同施工区段混凝土温升均可得到反映，从而及时指导温控工作。浇筑结束后安排专人对测点进行温度记录，及时调整循环水的温度，确保降温效果。冷却完毕后，水管口用与底板强度等同的水泥浆封闭，水泥中加入微膨胀剂。

2）混凝土表面收光后为防止早期失水出现塑性裂缝，及时覆盖一层塑料薄膜，适时向塑料薄膜下补水，保持塑料薄膜内始终有凝结水，以保证水泥发挥补偿收缩作用的充分条件。另根据测温孔测温结果，适时在塑料薄膜上覆盖两层麻袋或者土工布保温。

3）当气温较高，尤其是超过30℃时，洒水养护就显得尤为重要，养护现场使用小型小流量高扬程水泵洒水，安排专人养护，养护期一般不低于14天。        

四、 结束语       

大体积混凝土结构产生裂缝的原因是相当复杂的，影响因素很多，因此，要多观察、多比较、多分析、多总结，要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，以便采取合理的预防处理措施，预防工作做好了，大体积混凝土的裂缝是完全可以控制和避免的。通过对随州市先觉庙水库溢洪道控制段混凝土底板大体积混凝土的施工总结，为今后的类似工程施工积累了施工经验，并希望我国在大体积混凝土防裂限裂的应用基础理论研究和工程技术上取得长足的进步。

参考文献

[1]王铁梦，工程结构裂缝控制，中国建筑工业出版社，1997；

[2]周履，陈永春，收缩徐变，中国铁道出版社，1994。