大体积混凝土裂缝成因及防裂措施综述

内容摘要：本文结合南京长江隧道工程实际，主要针对主体混凝土施工，分析了大体积混凝土产生裂缝的原因；并介绍了防止裂缝发生的措施，以期提高混凝土的施工质量。

关键词： 大体积混凝土 裂缝 成因 防裂措施

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

1.前言

所谓大体积混凝土，一般理解为尺寸较大的混凝土，美国混凝土学会给出了大体积混凝土的定义：任何现浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度的减少开裂影响的，即称为大体积混凝土。大体积混凝土开裂的问题是在工程建设中带有一定普遍性的技术问题，裂缝一旦形成，特别是基础贯穿裂缝出现在重要的结构部位，危害极大，它会降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，同时会可能危害到建筑物的安全使用。所以如何采取有效措施防止大体积混凝土的开裂，是一个值得关注的问题。

我单位于2007年3月份开始承揽南京长江隧道梅子洲岸边段及盾构工作井的施工任务，施工初期由于技术队伍比较年轻，缺乏施工特别是大体积混凝土施工的相关经验，施工的混凝土个别地方出现温度裂缝，经过在前期包括冠梁实际施工中的不断摸索，现场总结分析，逐步完善整改措施，最终使混凝土结构的施工质量得到有效控制，并在后续主体结构大体积混凝土施工过程中收到了满意的实施效果。2007年9月份全国质量月活动中，业主及南京市质监站对整个常见隧道的参建施工单位进行质量检查，我单位获得2007年全国质量月先进单位称号，尤其混凝土施工质量受到业主及南京市政府相关部门的一致好评。

2.本工程混凝土施工的基本情况

南京长江隧道梅子洲岸边段及盾构工作井主体结构设计混凝土标号C35，共分十五节和一个工作井，节点编号为JN01～JN15，工程全长400m。JN01～JN06节为引道段，主要包括底板及侧墙主体混凝土施工；JN07～JN009节为暗埋标准段，主要包括底板、侧墙、中墙及顶板主体混凝土施工；JN10～JN015节为工作井后续段，主要包括底板、侧墙、中墙、中层板及顶板主体混凝土施工；工作井段主要包括底板、侧墙、中墙、中层板及顶板主体混凝土施工；其余还有框架梁、框架柱等结构。主体混凝土模板主要采用竹胶板自拼装，满堂脚手架支撑。混凝土采用拌和站集中自拌，罐车运输，混凝土泵车浇筑，振捣棒人工振捣。根据设计结构尺寸要求及混凝土浇筑区域节点划分，本工程所有主体结构施工基本上均属大体积混凝土施工。由于混凝土强度高，厚度和体积大，施工时正值冬季季，突出难度为： 降低大体积混凝土内部最高温度和控制混凝土内外温度差在规定限值(25℃)以内，存在3个极不利因素：a.底板、顶板等结构混凝土厚，要一次性浇筑，混凝土内部温度不易散发；b.混凝土强度等级高，一般需用硅525或硅425水泥，水化热高；c.冬季施工，环境温度低，混凝土内表温差大。在这些因素综合作用下，混凝土内部必然形成较高的温度，存在着产生裂缝的危险。为防止混凝土产生裂缝(表面裂缝和贯穿裂缝)，就必须结合现场实际，深入分析、综合考虑，根据大体积混凝土裂缝成因采取有效防裂措施，以确保混凝土施工质量。

3.大体积混凝土裂缝的常见种类及成因分析

大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。它切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的；而深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性；表面裂缝一般危害性较小。

但出现裂缝并不是绝对地影响结构安全，它都有一个最大允许值。处于室内正常环境的一般构件最大裂缝宽度≤0.3mm；处于露天或室内高湿度环境的构件最大裂缝宽度≤0.2mm。对于地下或半地下结构，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般当裂缝宽度在0.1~0.2mm时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈。如超过0.2~0.3mm，则渗漏水量将随着裂缝宽度的增加而迅速加大。所以，在地下工程中应尽量避免超过0.3mm贯穿全断面的裂缝。如出现这种裂缝，将大大影响结构的使用，必须进行化学灌浆加固处理。

大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，一方面是混凝土内部因素：由于内外温差而产生的；另一方面是混凝土的外部因素：结构的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止混凝土收缩变形，混凝土抗压强度较大，但抗拉能力却很小，所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这种裂缝的宽度在允许限值内，一般不会影响结构的强度，但却对结构的耐久性有所影响，因此必须予以重视和加以控制。

根据本工程现场实际情况分析，主体结构混凝土裂缝主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的材料型裂缝。其中具体原因如下：

3.1温度应力引起裂缝既温度裂缝

目前温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。温差可分为以下三种：混凝土浇注初期，产生大量的水化热，由于混凝土是热的不良导体，加之大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去，以至于越积越高，而混凝土表面温度为环境温度，这就形成了内外温差，这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力当超过混凝土抗压强度时，就会导致混凝土裂缝；另外，在拆模前后，表面温度降低很快，造成了温度陡降，也会导致裂缝的产生；当混凝土内部达到最高温度后，热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度，它们与最高温度的差值就是内部温差；这三种温差都会产生温度裂缝。在这三种温差中，较为主要也是最易使混凝土产生裂缝的是由水化热引起的内外温差。

3.2收缩引起裂缝

混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必须的，而约80%的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。收缩有很多种，包括干燥收缩、塑性收缩、自身收缩等等。结合本工程现场实际，对本施工段主体混凝土造成影响的主要为干燥收缩和塑性收缩。

3.2.1干燥收缩裂缝

混凝土硬化后，在干燥的环境下，混凝土内部的水分不断向外散失，引起混凝土由外向内的干缩变形裂缝。干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右。水泥浆中水分的蒸发会产生干缩，且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果：混凝土受外部条件的影响，表面水分损失过快，变形较大，内部湿度变化较小变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，产生较大拉应力而产生裂缝。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝，宽度多在0.05~0.2mm之间，大体积混凝土中平面部位（如底板、顶板）多见。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性，引起钢筋的锈蚀影响混凝土的耐久性，在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力等等。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。

3.2.2塑性收缩裂缝

混凝土塑性裂缝是指混凝土浇筑成型后还未硬化，仍处于可塑状态时产生的裂缝。混凝土塑性裂缝一般可分为两类，即塑性沉降裂缝和塑性收缩裂缝，这两种裂缝的形成过程都与混凝土的泌水有关，泌水是指混凝土浇筑捣实后尚未凝结硬化之前，从外表看在混凝土的浇筑面上山现一层清水或者从模扳缝中渗出部分水的一种现象，这是因为水在混凝土拌合物各组分中密度最小。当混凝土成型后的静止过程中，部分密度较大的固体颗粒还会向下沉积，而水则只能向上浮动，一部分水泌出到混凝土的外表面，称为外泌水；另一部分被截留在钢筋及粗骨料的下面形成水囊，水分蒸发后产生孔隙及界面裂缝，从而降低了钢筋与混凝土之间的粘结强度以及水泥石与骨料之间的界面强度，致使混凝土的抗冻、抗渗和抗腐蚀能力减弱，抗压抗折强度降低，这部分水称为内泌水，只有当水泥水化产生的胶结强度足以阻止固体颗粒相对运动或者各种固体颗粒经过迁移已达到紧密堆积状态时，沉积相对停止，泌水才告结束，泌水使混凝土的体积缩小，促成了混凝土塑性裂缝的产生。

在水泥活性大、混凝土温度较高，或在水灰比较低的条件下会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不均匀的裂缝，出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加大，于是裂缝进一步扩展。塑性裂缝的出现不仅会影响混凝土构件的外观质量，更重要的是会造成混凝土防水性能下降、钢筋容易锈蚀等不良后果，影响混凝土结构的使用年限，关于这一点必须在施工过程中给予充分的重视。

4.大体积混凝土防裂措施

根据以上对本工程大体积混凝土裂缝的成因分析，混凝土裂缝主要是由温差和收缩引起，所以为了防止裂缝的产生，就要最大限度的降低温差和减小混凝土的收缩，具体措施如下：

4.1优选原材料

4.1.1水泥

因为温差主要是由水化热产生的，所以为了减小温差就要尽量降低水化热，既要采用早期水化热低的水泥。本工程采用的是中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。另外，在不影响水泥活性的情况下，要尽量使水泥的细度适当减小，因为水泥的细度会影响水化热的放热速率，试验表明比表面积每增加100cm2/g，1d的水化热增加17J/g～21 J/g，7d和20d均增加4 J/g～12 J/g。

4.1.2骨料

4.1.2.1粗骨料

粗骨料采用连续级配，因为粗骨料级配越好，孔隙率越小，总表面积越小，每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小，水化热就随之降低，对防止裂缝的产生有利。

4.1.2.2细骨料

采用级配良好中粗砂，因为其孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热就低，裂缝就减少，另外，要严格控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重，因此细骨料一定要保证含泥量符合实际要求。

4.2掺加粉煤灰

为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，本工程主体配合比设计把部分水泥用粉煤灰代替，掺入粉煤灰主要有以下作用：①由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，其中二氧化硅含量40%～60%，三氧化二铝含量17%～35%，这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应，是其活性的来源，可以取代部分水泥，从而减少水泥用量，降低混凝土的热胀；②由于粉煤灰颗粒较细，能够参加二次反应的界面相应增加，在混凝土中分散更加均匀；③同时，粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构，使混凝土中总的孔隙率降低，孔结构进一步的细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相应收缩值也减少。但值得注意的是：由于粉煤灰的比重较水泥小，混凝土振捣时比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面，使上部混凝土中的掺合料较多，强度较低，表面容易产生塑性收缩裂缝。因此，粉煤灰的掺量不宜过多，在混凝土拌合过程中一定要严格控制粉煤灰的掺量。

4.3掺加外加剂

本工程主体混凝土主要采用减水剂、 缓凝剂和引气剂三种外加剂，对改善混凝土防收缩开裂性能主要作用分别是：

4.3.1减水剂

减水剂的主要作用是改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。

4.3.2缓凝剂

缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的塌落度损失。

4.3.3引气剂

在混凝土中加入引气剂对改善混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土耐久性能十分有利。这在一定程度上增大了混凝土的抗裂性能。

值得注意的是：外加剂不能掺量过大，一般掺有外加剂的混凝土，规定28d的收缩比不得大于135%，即掺有外加剂的混凝土收缩比基准混凝土的收缩不得大于35%，否则会产生负面影响，反而降低混凝土的抗裂性能。

4.4优化施工方案，采用合理的施工工艺

4.4.1混凝土的拌和

4.4.1.1在混凝土拌和过程中，要严格控制原材料计量准确，同时严格控制混凝土出机塌落度。并结合现场实际，根据浇筑部位、顺序、时间、运距及布料快慢在允许范围内分阶段的对塌落度进行合理调整。

4.4.1.2要尽量降低混凝土出机口温度，必要时可采取降温措施，一般使新拌混凝土的温度控制在6℃左右为宜。

4.4.1.3严格控制混凝土的拌和时间，确保混凝土的均匀性及和易性。

4.4.2混凝土浇注、振捣

4.4.2.1混凝土浇注

为了使混凝土浇筑不出现冷缝，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、预埋管道和预留洞室的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响。因此，本工程所有大体积混凝土浇筑前都召开施工交底会，根据现场具体结构形式，经详细计算安排浇筑次序、流向、浇筑厚度、宽度、长度及前后浇筑的搭接时间。

本工程混凝土浇注常采用的方法有以下几种：

a.全面分层：

即在第一层全面浇筑全部浇筑完毕后，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是太大部位。施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。

b.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部位。

c.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。用“一个坡度、薄层浇筑，一次到顶”的方法,混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。

4.4.2.2混凝土振捣

浇注过程中要进行及时振捣，振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜，间距要均匀，以振捣力波及范围重叠二分之一控制，同时不得漏振，但也不能过振，防止离析。另外，因大体积浇注混凝土一般分层浇注，同时要求分层流水振捣，要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。

4.4.3混凝土表面处理

大体积混凝土表面水泥浆较厚，浇筑后3―4h内初步用水长刮尺刮平，再用木抹子搓平压实，最后用钢抹子收面。初凝前至少保证收3~5遍，以控制表面龟裂，

4.5混凝土拆模时间控制

混凝土在实际温度养护的条件下，强度达到设计强度的75%以上，混凝土中心与表面最低温度控制在25℃以内，预计拆模后混凝土表面温降不超过9℃以上方可拆模。

4.6混凝土表面隔热保护

因本工程主体大体积混凝土基本上均在冬季施工，为防止内外温差过大引起温度裂缝。混凝土浇注拆模后，先浇温水保养，然后表面及时铺一层塑料薄膜，中间覆盖1―2层麻袋，上面再铺一层塑料薄膜进行保温。在养护期间，随时检查混凝土表面的干湿情况及温差(内表温差达23℃时就发警报)，及时浇水保持混凝土温润。防止表面降温过大 ，引起裂缝。另外，当日平均气温在2～3d内连续下降不小于6～8℃时，28d龄期内混凝土表面必须进行表面保护。

4.7混凝土养护

养护是大体积混凝土施工中一项十分关键的工作。混凝土浇注完毕后应及时洒水养护，养护主要是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土内表温差，促进混凝土强度的正常发展及防止混凝土裂缝的产生和发展。根据本工程的具体情况，一般在浇注完毕后12～18h内开始养护，连续养护时间不少于14d或设计龄期。

5. 结束语

通过本工程已施工的工程实体实践证明，在精心选择原材料，优化施工工艺，提高施工质量及加强养护等方面采取有效技术措施，坚持严谨的施工组织管理，能有效的防止混凝土裂缝的发生，达到良好的自防水抗渗效果。

大体积混凝土的开裂如何有效控制，一直都是工程界关注的一个重要问题，造成混凝土的开裂的因素很多，原因也很复杂，以上所述仅仅是针对本工程的施工实际作了一点浅析，以期能抛砖引玉，不当之处还望多多批评指正。