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大体积混凝土结构防止产生裂缝的措施
李继业，王仲发，郗忠梅
(山东农业大学土木工程学院，山东 泰安 271018)
摘要：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研究课题。本文结合工程实践和科研成果，分析了温度裂缝产生的原因，提出了大体积混凝土结构防止产生裂缝的措施。
关键词：大体积混凝土：裂缝；措施
中图分类号：TU755.7 文献标识码：A 文章编号：1000-2324(2002)01-0058
THE MEASURES OF PREVENTING CRACKS IN UASSIVE CONCRETE STRUCTARE
LI Ji-ye，WANG Zhong-fa，XI Zhong-mei
(College of Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Taian，271018，China)
Abstract：It is an unsolved problem to control caused cracks temperature stress and the deformation in massive concrete structure construction.The paper has provided an analysis of the cause of cracks and proposed some measures to prevent cracks.
Key words： massive concrete；cracks；measures1 引言
大体积混凝土结构的截面尺寸较大，由外荷载引起裂缝的可能性很小，但水泥在水化反应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。
大体积混凝土工程的条件比较复杂，施工情况各异，再加上混凝土原材料的材性差异较大，因此控制温度变形裂缝不是单纯的结构理论问题，而是涉及结构计算、构造设计、材料组成、物理力学性能及施工工艺等多学科的综合性问题。最新观点指出：所谓大体积混凝土，是指其结构尺寸已经大到必须采取相应的技术措施，妥善处理温度差值、合理解决温度应力、并按裂缝开展处理的混凝土。
２ 裂缝产生的原因
大体积混凝土施工阶段产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变，另一方面是结构物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。众多工程实例证明，产生裂缝的主要原因如下：
2.1 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温升的主要热量来源。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骤升温。测温试验研究表明，水泥水化热在1～3d放出的热量最多，大约占总热量的50％左右；浇筑后的3～5d内，混凝土内部的温度最高。
混凝土的导热性能较差，浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很低，对水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力比较小。随着混凝土龄期的增长，其弹性模量和强度相应提高，对混凝土降温收缩变形的约束越来越强，即产生很大的温度应力，当混凝土的抗拉强度不能抵抗温度应力时，即产生温度裂缝。
2.2 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，而徐变和应力松弛较大，与基层连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，则会出现垂直裂缝。
在全约束条件下，混凝土结构的变形是温差与其线膨胀系数的乘积，即ε=△T·a，当ε超过混凝土的极限拉伸εp时，结构便出现裂缝。工程实践证明，当混凝土的内外温差小于25℃时，也可能不产生裂缝。由此可见，降低混凝土的内外温差和改善约束条件，是防止大体积混凝土产生裂缝的重要措施。
2.3 外界气温变化的影响
大体积混凝土结构在施工期间，外界气温变化对防止大体积混凝土开裂有着重要影响。混凝土浇筑温度与外界气温有着直接关系，浇筑温度又影响着混凝土的内部温度。
大体积混凝土结构不易散热，其内部温度有的工程竞高达90℃以上，而且持续时间较长。温度应力是由温差引起的变形所造成的，如外界气温下降，特别是气温骤降，会加大混凝土的温度梯度，温差愈大，温度应力也愈大，易使大体积混凝土出现裂缝。
2.4 混凝土收缩变形的影响
混凝土收缩变形分为塑性收缩变形和干燥收缩变形两种。在混凝土硬化之前，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律的塑性收缩性裂缝。
掺入混凝土中的拌合水，约有20％的水分是水泥水化反应所必需的，其余80％都要被蒸发，失去的自由水不引起混凝土的收缩变形，而吸附水的逸出就会引起混凝土的干燥收缩。除干燥收缩外，还会产生碳化收缩。
３ 防止产生裂缝的措施
防止产生温度裂缝是大体积混凝土研究的重点，经过多年的工程实践，总结出许多有效的技术措施，主要有以下方面：
3.1 水泥品种选择和用量控制
3.1.1 选用中低热的水泥品种 混凝土升温的热源是水泥的水化热，选用中低热的水泥品
种，是控制混凝土内部温升的最基本方法。某大型基础温测试验对比表明：选用42．5Mpa的硅酸盐水泥，比选用42.5Mpa的矿渣硅酸盐水泥，3d内水化热平均升温高5～8℃。
3.1.2 充分利用混凝土的后期强度 根据大量试验资料表明，每m
3混凝土中的水泥用量，每增减10kg，其水化热将使混凝土的温度相应升降1℃。在满足混凝土强度和耐久性的前提下，经过有关单位批准，采用f45、f60或f90代替f28作为混凝土的设计强度，这样可使每m3混凝土的水泥用量减少40～70kg，混凝土的水化热温升可相应降低4～7℃。
3.2 掺加减水剂和外掺料
3.2.1 掺加减水剂 大体积混凝土中掺加的减水剂主要是木质素磺酸钙，它对水泥颗粒有明
显的分散效应，可有效地增加混凝土拌合物的流动性，且能使水泥水化较充分，提高混凝土的强度。若保持混凝土的强度不变，可节约水泥10％，从而可降低水化热，同时可明显延缓水化热释放速度，热峰也相应推迟。
3.2.2 掺加外掺料 在混凝土中掺入一定量的粉煤灰，具有以下几个优点：(1)粉煤灰本身的
火山灰活性作用，可生成硅酸盐凝胶，起着一定的增强作用；(2)在单位用水量不变的条件下，可以起到显著改善混凝土和易性的效能；(3)用粉煤灰替代部分水泥，可降低水泥的用量，从而降低水化热：(4)若保持混凝土拌合物原有的流动性，则可减少用水量，从而可提高混凝土的强度。
表1为厦门某工程基础混凝土，以粉煤灰替代部分水泥后，可明显看出降低水泥水化热的效果。
表1 夏门某工程基础工程混凝土测温对比表
Table The measuring temperature- Contrasting of fundamental Concrete in a Xia Melis
project
发热量/kJ/kg 混凝土类型 Types of concrete 热峰时间/h The peak-hourof emisson 热峰温度/℃ The quautity ofThe temporature of peak 3d 7d 基 准 Standard 18.0 3.7 180.8 200.8 Calorie of emisson The increase of absolutetemperature of Concrete 39.65 混凝土绝热温升/℃ “双 掺”Double-seepage 24.0 30.4 126.7 184.6 28.50 3.3 骨料的选择
在选择粗骨料时，可根据施工条件，尽量选用粒径较大、质量优良、级配良好的石子。这
样，既可以减少用水量，也可以相应减少水泥用量，还可以减小混凝土的收缩和泌水现象。 在选择细骨料时，其细度模数宜在2.6～2.9范围内。工程实践证明，采用平均粒径较大的中粗砂，比采用细砂，每m3混凝土中可减少用水量20～25kg，水泥相应减少28～35kg，从而降低混凝土的干缩，减少水化热量，对混凝土的裂缝控制有重要作用。
3.4 控制混凝土入模温度
为了降低大体积混凝土的总温升，减少结构物的内外温差，控制混凝土的入模温度是非常
重要的措施。入模温度的高低，与出机温度密切相关，另外还与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有关。
混凝土的出机温度T0，可用下式计算：
c+0.1343(1-P)Y
w-10.74ηP
T0=0.1896T
s+0.6313Tg+0.0447T
式中Ts、Tg、Tc、Tw—分别为砂、石、水泥和水的温度； P—加冰率，实际用水量的百分比；
η—加冰的有效系数．，一般η=0.75～0.85。
关于混凝土入模温度的控制，各国都有明确的规定。我国提出应不超过25℃，美国ACI施
工手册规定不超过32℃，日本建筑学会钢筋混凝土施工规定中规定不超过35℃。根据我国工程实践经验，笔者建议混凝土最高入模温度宜控制在35℃以下。
3.5 延缓混凝土降温速率
大体积混凝土浇筑后，加强其表面保温、保湿养护，对防止混凝土产生裂缝具有重要作用。
保温养护的作用有3个：第一减小混凝土的内外温差，防止出现表面裂缝；第二是防止混凝土表面过冷，避免产生贯穿裂缝：第三是延缓混凝土的冷却速度，以减小新老混凝土的上下层约束。保湿养护能减小混凝土的干缩，能使混凝土的水泥水化作用顺利进行，有利于提高混凝土的极限抗拉强度，对控制裂缝有积极作用。
保温材料应选择价格低廉、导热系数小、易于操作的材料，常用的有木模、草袋、木屑、干砂等。混凝土终凝后，采取蓄水养护是一种极好的方法，不仅具有保温隔热效果，而且还可以延缓混凝士降温速率，减小混凝土中心和表面的温度差值。