探讨建筑大体积混凝土裂缝预防及控制措施

摘要: 伴随我国经济的高速发展，我国建设了越来越多的高层或者超高层建筑。而这些建筑的基础结构一般均是采用大体积混凝土浇筑而成，这就使得以往只存在于港工结构或者水利工程中的大体积混凝土温度裂缝问题，越来越多的出现于建筑工程之中。由于建筑工程具有自身的特点，因此尽管在施工中采取了多种措施，但裂缝仍然时有出现。裂缝的产生轻则会影响结构的整体性和耐久性，重则影响结构的安全和使用寿命。因此，采取合理措施，避免大体积混凝土结构施工裂缝的产生日益受建筑工程界的重视。

关键词: 大体积混凝土; 基础; 裂缝; 监测

中图分类号：TU37文献标识码： A

1 基础大体积混凝土温度裂缝的产生机理

研究表明，混凝土内部都是存在微观裂缝的。混凝土是由骨料、水泥石、气体和水封等组成的非均质材料，骨料与水泥石的热膨胀系数相差较大，当混凝土内部温差较大时，骨料和水泥石界面处就会产生温度应力，当结构物在实际使用中的抗拉强度不足以抵抗由于外荷载作用而产生的应力时，就可能出现裂缝。大体积混凝土结构，由于其截面尺寸相对于一般结构构件大很多，其在水泥发生水化反应过程中，会释放大量水化热，由于水化热的传导、散失等条件的差异，进而造成结构内部温度场的显著变化，产生较大温度应力。另外，由于混凝土收缩的作用，同时会产生收缩应力，这些因素，造成大体积混凝土结构裂缝的出现机率和裂缝危害要显著大于一般混凝土结构。

根据以上分析，当基础混凝土在t 龄期时的抗拉强度R( t) 大于混凝土内部温度从最高值T降至环境温度T( t) 时所产生的收缩由于受到外界约束而引起的应力σ( t)时，则可以阻止混凝土的开裂。可用下式表示。

R( t) > σ( t)( 1)

σ( t)= σ( t) +σ( t) + σ ( t) + σ ( t) - σ( t) ( 2)

式中σ( t)—由中心温度与表面温度之差T( t) 产生的相对变形受内约束引起的应力;

σ( t)—总温降收缩受约束产生应力;

σ ( t)—收缩变形受约束产生的应力;

σ ( t)—其它次要因素产生的应力;

σ( t)—是徐变释放的应力。

2 影响大体积混凝土基础温度裂缝的主要因素

水泥水化过程造成内部温度场产生不均匀分布是大体积混凝土基础温度裂缝的主要影响因素。与其相关的各种因素主要有浇筑温度、水泥品种、水泥用量、环境温度、混凝土材料性能、收缩徐变性能等。主要影响因素为:

( 1) 浇筑温度对裂缝的影响。混凝土的浇筑温度是混凝土产生水化热温升的基础。混凝土的浇筑温度越高，其产生的水化热峰值也越高。

( 2) 水泥品种与用量对裂缝的影响。水泥品种的和单位体积混凝土水泥用量的差异，产生的最终水化热是不同的。这两个因素对混凝土绝热温升热峰值有显著影响，应尽量采取适当的水泥品种与合理用量。

( 3) 环境温度对裂缝的影响。冬期施工，环境温度较低时，会造成混凝土内外温差较大。进而引起的混凝土内外温度梯度的显著变化。

( 4) 混凝土导热性能对裂缝的影响。导热系数高的混凝土，热量传递效率高，能够显著降低混凝土内外的温差，从而降低由此引起的应力。除此以外，还可以采取施工过程中加强散热措施。

( 5) 混凝土收缩变形对裂缝的影响。混凝土空隙中存在多余水分的蒸发，会引起混凝土体积的收缩( 干缩) ，如果收缩受到约束，即会引起开裂，并随龄期的增长而发展。

3 高层建筑大体积混凝土基础裂缝的控制措施

3. 1 混凝土材料控制

( 1) 应用低水化热的水泥。在常见的水机组成矿物成分中，铝酸三钙( C3A) 和硅酸三钙( C3S) 水化热较高; 而一般混合材料的水化热较低。大体积混凝土一般应使用中热的硅酸盐水泥和低热矿渣水泥，而不宜使用水化热高的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，更不宜使用早强型水泥。

( 2) 降低水泥用量。除采用低水化热的水泥外，要减少温度变形，还应在保证强度的前提下尽量地降低水泥用量。

( 3) 合理调整骨料粒径。骨料最大粒径越大，骨料的空隙率就越小，进而混凝土的水泥浆及水泥用量就越小。因此，在设计配合比时，应通过精心设计、调整混凝土的骨料粒径和级配。

3. 2 “三掺技术”在大体积混凝土中的应用

单纯在混凝土配合比上通过减少水泥用量，降低水灰比等措施，往往与混凝土的强度要求产生矛盾。另外，预拌和泵送混凝土等新工艺的采用，要求混凝土具有良好的粘聚性，可塑性和流动性; 以及较小的坍落度损失。这些要求都可能与降低水化热的措施产生矛盾。因此在大体积混凝土施工中按一定比例掺加各种掺合料和减水剂、膨胀剂是一种降低水化热，改善混凝土性能的有效措施。

( 1) 粉煤灰的应用。粉煤灰能够增加混凝土的密实度、改善其工作性能，提高强度和耐久性。粉煤灰对混凝土中部分水泥的替代作用，可以显著降低水化热，减少混凝土开裂的可能性。

( 2) 减水剂的应用。减水剂能够在不影响混凝土和易性( 或砂浆、净浆流动性) 的条件下，减少混凝土用水量，保证混凝土流动性，提高混凝土强度。因此，也是一种减少水化热的方法。

( 3) 膨胀剂的应用。膨胀剂的掺入可使混凝土产生膨做功，对相邻钢筋及混凝土产生预压应力，从而部分或全部抵消限制收缩所产生的拉应力，并推迟了收缩的产生过程，防止和减少收缩裂缝的出现。

3. 3 施工措施

( 1) 混凝土浇注温度的控制。降低浇注温度一方面能降低混凝土中的最高温升; 另一方面也能影响到新老混凝土间的温差。夏季骨料应避免日照，采用对水泥、骨料、拌合水预冷或者加冰水等方法来为原材料降温。

( 2) 混凝土硬化过程温度的控制。根据不同条件，可分别采取保温法和降温法，对硬化过程中的混凝土进行温度控制。保温法是指通过在混凝土表面覆盖保温材料或洒温水养护，从而降低混凝土内外的温差的措施，一般应在环境温度较低时采用。降温法包括外部洒水降温和内部循环水降温两类。是降低混凝土内最高温升和平均温度，减小温差引起的温度应力的有效措施，一般应在环境温度较高，内部温升大的情况下采用。

( 3) 合理布置浇注方案。对于尺寸相对较小的构件，可以通过采取分层连续浇注的方法，从短边开始沿长边方向进行，以平衡减少水化热和减小约束度之间的矛盾。对于面积较大而厚度不大的构件，宜采用斜面浇注方法分层分段踏步式推进。对于长度很大的混凝土构件，可以采用斜面分层浇注法。

3. 4 结构设计优化措施

以上措施，基本属于通过控制温度应力的产生和消散的措施。我们知道，温度应力是由于变形发展得不到满足而引起的，如果能够通过合理的方法释放温度应力，必然就不会产生温度裂缝。这些措施可以通过合理的结构设计得到满足。

( 1) 地基处理。通过在地基和基础底板之间涂刷沥青并铺设油毡或采用砂垫层形成缓冲层，可以减少地基对底板所造成的外部约束，防止由此引起的自基础底部向上延伸裂缝的产生。

( 2) 合理配置钢筋。通过适当配筋，尽可能满足细、密的要求，可以约束混凝土塑性变形，分担内应力，进而推迟裂缝的出现，相当于提高了混凝土的极限抗拉能力。

3. 5 温度监测措施

在大体积混凝土基础施工过程中，应对混凝土温度进行实时监测，其监测规模可根据工程重要性与施工经验进行确定。温度检测技术主要涉及监测点的布置、监测时间间隔的设置、检测元件的安装与防护以及监测结果的分析与报警等几方面。实践表明，加强现场监测，是大体积混凝土基础施工过程中进行温控、防裂的重要技术措施，也都取得了良好的效果。

4 结语

高层建筑大体积混凝土基础产生温度裂缝，是温度变化引起的应力和应变与混凝土本身的强度和抵抗变形能力相抗衡的结果。混凝土内由于温度变化产生的变形受到混凝土内外的约束后形成的应力，超过混凝土的极限强度时，就会出现了裂缝。实践证明，通过对施工中采取综合的防控措施，可以有效的控制温度裂缝的产生。

参考文献:

［1］ 杨秋玲，马可栓． 大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析［J］． 哈尔滨工业大学学报， 2004.

［2］ 高云莉，何煦． 混凝土配合比优化设计［J］． 吉林建筑工程学院学报， 2005.