大体积混凝土(砼)裂缝原理分析及施工控制

大体积砼裂缝原理分析及施工控制

1.裂缝概述

裂缝是固体材料中的某种不连续现象。砼在硬化及承载使用过程中，当其“变形要求”超出抵抗变形能力时，即产生裂缝现象。

砼的裂缝可分为宏观裂缝和微观裂缝。裂缝一般以0.05mm为界，大于等于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝。砼为骨料、水泥石、气体、水分等组成的非匀质材料，在温度、湿度变化条件下，砼逐步硬化，同时产生体积变形。这种变形是不均匀的：水泥石收缩较大，骨料收缩较小；水泥石的热膨胀系数大，骨料的热膨胀系数小。他们之间的变形是不自由的，产生相互约束应力，即发生微裂缝。在这种意义上说，砼的裂缝是不可避免的。一般工业及民用建筑中，微裂缝对使用无危险性，因此，下文所述的裂缝控制均指宏观裂缝，宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。

2.大体积砼主要裂缝种类及成因

砼构件在使用过程中，要承受各种外荷载和变形荷载，本文主要探讨由于温度变化及收缩等因素（施工可控因素）引起的变形裂缝。

对于大体积砼，主要变形裂缝为如下几种。

（1）砼表面沉缩裂缝：砼浇筑后初期，水泥水化反应剧烈，砼表面出现泌水，骨料与胶合料之间产生不均匀的沉缩变形，沉缩裂缝往往沿钢筋分布。

（2）表面失水裂缝：砼浇筑硬化过程中，如果养护不当，砼表面大量失水，在砼内部形成湿度变化梯度，引起表面开裂。

（3）表面温差裂缝：砼浇筑硬化过程中，由于养护不当，砼表面与内部温差过大，因砼内部相对变形引起表面开裂。

（4）砼贯通裂缝：由于温度下降、失水，构件产生收缩变形，在基础等外界因素限制下产生收缩应力。当收缩应力大于砼抗拉应力时，即产生贯穿砼横断面的裂缝。此类型裂缝危害最大，是目前施工裂缝控制计算的主要对象。

3.大体积砼裂缝控制计算方法及主要影响因素分析

3.1大体积砼温度收缩应力的基本假定

假定匀质的大体积砼底板在长度方向上的变形受地基的约束产生应力；砼底板与地基基础面上的剪应力与水平变位成线性比例；砼中部全截面均匀受力，此部位平均主拉应力对贯通裂缝形成起主要作用；砼收缩变形是在一定时段内梯次发生，砼的徐变导致应力松弛，足以缓解主拉应力的增大，控制峰值；砼的失水收缩变形是在一定时段内连续发生，忽略收缩沿厚度方向的梯次变化（收缩过程是由表及里逐布发展的），取其平均收缩值换算成“当量温差”带入温度收缩应力计算中。

3.2各因素的取值计算及分析

3.2.1地基水平阻力系数C x

地基的水平阻力系数大小取决于与基础的刚性，基础的刚性越小，对底板的摩擦接触约束就越小。因此，在特定的基础型式下，应采取适当的设计及施工方法以降低底板与基础的接触约束力。各种基础形式的C x值，在各种参考文献中均给出了相近的经验数值。

3.2.2砼的最大温升及降温曲线。

砼水化反应过程中，假设没有任何散热条件、不发生任何热损失的情况下，砼可达到理论的最高温度。在实际计算砼最高温度时，往往偏于安全的取此数值。可采取如下公式：

T h=m c Q(1-e-mt)/cp

T h——砼的最终绝热温升

m C——每立方米砼中的水泥用量

Q——每公斤水泥的水化热量

c——砼的比热

p——砼的密度

水泥用量及水泥水化热值（水泥品种）是主要因素。

砼的入模温度加上绝热温升即为砼能达到的最高温度。随后进入降温过程。影响砼降温梯度的主要施工可控因素为砼养护方式及养护时间，其它因素主要为外界温度、结构厚度等。在施工前的控制计算时可采用参考文献中的降温曲线。

3.2.3应力松弛系数

砼的应力松弛系数与发生应力时的砼龄期及应力持续时间有关。砼龄期越早，应力持续时间越长，应力松弛越显著。应力松弛现象的利用，是砼大体积裂缝控制的主要原理。即近可能延长应力发展的时间（延长温度及失水收缩时间），通过应力松弛，限制收缩应力的叠加值。应力松弛系数可参见相关文献。

3.2.4砼收缩当量温差

砼各龄期收缩当量温差T(t)=ε0 (1-e-0.01t)M1M2…M10/α

ε0——标准状态下砼的极限收缩值，取3.24×10-4

t——砼龄期

α——砼的线膨胀系数

M1、M2、…M10水泥品种、细度、骨料品种等修正系数。

3.2.5一定龄期时的砼弹性模量E(t)

砼的弹性模量，随龄期增长而增长，早期增长较快，后期增长速度开始减慢。各龄期的砼弹性模量可按如下公式计算：E(t)=E0(1-e-0.09t)

E0——最终的弹性模量，一般取2.6×104N/mm2

t——砼龄期

3.3砼最大拉应力计算

n

σ=-α/（1-μ）∑(1-1/(chβi0.5L)) E(t)△T i H i

i=1

α——砼线膨胀系数

μ——泊松比

βi——(C x/HE(t))-0.5H为底板厚度；E(t)为砼弹性模量

△T i——各龄期砼温差及收缩当量温差之和

H i——各龄期砼松弛系数

L——基础底板一次浇筑长度

4.大体积砼裂缝施工控制

通过前述部分可知，大体积砼裂缝控制主要就是通过适当的方

法，控制砼的温度变化及失水速率以控制贯通裂缝的产生，并通过必要的施工措施避免表面裂缝的发生。

4.1砼配比设计

优化砼配合比首要应解决砼温升问题，主要因素为水泥品种和水泥用量。在同等用量情况下，普通硅酸盐水泥水化热要高于矿渣硅酸盐水泥，因此应优先选用矿渣硅酸盐水泥。底板大体积砼往往泵送浇筑，泵送砼要求较大的塌落度，应通过添加减水剂及掺加粉煤灰的方法以控制水泥用量并获得优良的泵送性能。同时，矿渣硅酸盐砼及掺加粉煤灰的砼在硬化过程中的自生收缩表现为膨胀变形，对砼的抗裂性是有益的。

夏季浇筑的砼，应进行最大温升控制，部分文献要求砼最大温度不得超过85℃。应提前进行砼的温升计算，必要时可对拌合用水及骨料采取降温措施，以控制砼入模温度。

4.2UEA膨胀剂的使用

UEA膨胀剂加入到砼中后，拌水后生成大量膨胀性结晶水化物，使砼产生适度膨胀。在钢筋和邻位的约束下，在结构中产生预压应力，从而部分地抵消砼收缩应力。根据相关厂家的资料说明，可产生0.2~0.7Mpa预压应力。

4.3砼保温养护方式

目前，较常采用蓄水养护或覆盖塑料薄膜、阻燃草袋两种养护方式。为比较两种方法的优缺点，曾进行砼温升对比试验，试验方法如下：在现场浇筑两块砼，规格为2×2×1.5m，为降低边界散热效应，

在砼侧壁、底部与砼接触面上预置聚苯板隔热层。在试验进行初期，适逢降雨天气，蓄水养护的砼试块温度产生较为明显的温度波动，而覆盖塑料薄膜、阻燃草袋的砼试块温度波动较小。在大面积施工中，经测量塑料薄膜内外表面空气温度，单层塑料薄膜即产生了5℃温差。严密覆盖的塑料薄膜，内表面空气湿度近于饱和，有效防止了早期砼表面干缩裂缝的产生。同时，只要环境温度较高并采取适当的撒水养护，即可在砼收缩稳定前提前临时撤除部分养护材料，进行放线等下道工序后恢复，对工期十分有利。在实际施工中，未导致裂缝发生。因此，建议优先选用覆盖塑料薄膜、阻燃草袋的养护方式。5~10月间，北京地区养护时间及安排可参考如下：砼浇筑8~10天后，可适当撤除阻燃草袋以加快降温速度。在15天左右，基本达到砼内部与表面温差、表面与大气温差不超过25℃时，撤除塑料薄膜。

4.4砼浇筑区段设计

由砼最大主拉应力公式可知，应力的大小砼浇筑区段长度有关，长度增加，应力增大。在较短的范围内，长度对应力影响较大，超过一定长度后，影响变小，其后趋近常数。同时施工缝经常成为“人为”的防水薄弱环节，施工缝处理的质量难以控制，经济、工期投入大，因此应加大砼浇筑区段的长度，主拉应力通过其它因素控制。笔者在实际施工中，砼浇筑区段最长曾超过80米，未发现裂缝，因在此数值基础上，增加长度对主拉应力的影响已经很小，建议在必要时进一步增大浇筑区段长度。

砼浇筑区段放大后，施工缝减少的同时，相邻施工段的界面处理

必须很好的解决。砼浇筑区段边缘变位收缩值最大，无论跳仓与否，相邻浇筑区段施工缝处均在理论上有产生裂缝的可能性。笔者曾在同一建筑项目同时采用过两种处理方式：一种为在相邻浇筑区段界面处，设置临时后浇带，在两侧砼达到28天以后，向后浇带浇筑高一强度等级的高膨胀砼；一种为单纯设置施工缝，砼跳仓浇筑。经现场观察比较，第一种方法在施工缝处未发现裂缝，后者观察到较普遍裂缝。建议选用第一种处理方法，施工缝处选用钢筋骨架配合钢丝网的模板方案（免拆除），综合效益较好。

4.5测温监控措施

砼的裂缝控制计算及施工方法的选择，温度变化均参考经验数据，理论计算与实际数据必然会产生误差，因此，必须对砼的温度变化进行实施监控。测温方法、测温点数、测温频率等规范及标准等无硬性规定，可根据实际需要，参考相关文献确定。应注意的是，砼上下表面温度应取距离表面5~10mm处的温度为准，测温孔平时应封闭，减少测温孔内温度扰动。

4.6其它措施

大体积砼施工中的泌水应及时清理，必要时可在模板上开设泌水排泄孔。砼初凝后应检查砼表面沉缩裂缝开展情况，可通过二次压光解决。冬季施工时，尚应做好冬施措施，应尽可能早覆盖塑料薄膜。

〈结束〉