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【摘 要】 在现代基础设施建设中，常涉及到大体积混凝土施工。由于水泥水化热引起的块体内外温度差以及变形约束的存在，使大体积混凝土极易产生裂缝。本文分析了大体积混凝土的温度变化过程、开裂原因，并从材料选择、结构设计、施工控制、养护作业与温控等方面阐述了大体积混凝土防裂的措施，提出了系统解决大体积混凝土开裂问题的控制工序。
【关键词】 大体积混凝土；开裂原因；防裂措施；控制工序
大体积混凝土无明确定義，我国《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。美国混凝土学会（ACI）规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂”。大体积混凝土结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂，易产生裂缝，影响结构安全性和耐久性。
1.大体积混凝土温度变化过程
水泥在凝结硬化过程中，会放出大量水化热，在开始凝结时放热较快，以后逐渐变慢，普通水泥最初3天放出的总热量占总水化热的50%以上。水泥水化热与龄期的关系曲线如图1-1所示，Q0为水泥的最终放热量，m为系数，与水泥品种及混凝土入仓温度有关。大体积混凝土的散热过程较长，往往数年后水化热才能消失，其温度变化要经历三个时期：升温期、冷却期和稳定期，如图1-2所示，由图可知，△T=Tp+Tr-Tf，要减小温差△T，要从降低混凝土入仓温度Tp和控制混凝土最大温升Tr着手。
图1-1 水泥水化热与龄期的关系曲线
图1-2 大体积混凝土温度变化过程
2.大体积混凝土裂缝产生原因分析
2.1水泥水化热是大体积混凝土开裂的主要原因
水泥结硬产生大量水化热，由于大体积混凝土散热条件差，混凝土导热性能不良，水化热基本都积蓄在浇筑块内，使内部温度升高，有时块体内部温度可达60～80℃。而表面混凝土冷却相对迅速，使混凝土块体内外形成一定的温度梯度。表面温度降低引起的收缩受到内部尚未收缩混凝土的约束，产生表面温度拉应力，应力分布情况如图2-1所示。温度应力大小，由于约束条件不同，计算方法也不同，内部约束引起的温度应力最大值简易计算如式2-1。混凝土抗拉强度较低，当表面温度拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生表面裂缝。
（式2-1）
式中，αc——膨胀系数；
μ——混凝土的泊松比；
Ee——在龄期7小时有效弹性模量；
△Tg，max——龄期7小时中心部位最高温度与表面温度差
2.2约束是产生裂缝的必要条件
由混凝土块体内外温度梯度所产生的表面温度拉应力，是由内约束引起的，外部约束同样会引起裂缝，而且是引起大体积混凝土深层裂缝的主要原因。外部约束即结构物的边界因素对结构物变形的约束，比如桥梁的承台会受到桩基和基岩的约束，长龄期老混凝土会对其上浇筑的新混凝土产生约束。在混凝土凝结硬化初期，混凝土塑性较大，因不能变形而产生的压应力比较低，随着混凝土温度的逐渐下降，体积产生温缩和干缩，这时混凝土已硬化，并与边界物质粘结牢固，从而受边界因素约束不能自由收缩，而使混凝土内部除抵消了原有的压应力外，还产生了拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉极限强度时就产生裂缝。这种裂缝一般在温差（最高温度与最终稳定温度差）25℃以上才会发生，裂缝往往较深，严重破坏建筑物的整体性、安全性和耐久性。外部约束应力最大值简易计算公式如式2-2。
σ2，max=krEcαc△Tmax（式2-2）
其中，△Tmax=Tp+Tr-Tf
kr——外部约束系数；
Ee——有效弹性模量；
αc——膨胀系数；
Tp——混凝土的浇筑温度；
Tr——混凝土温度上升的最大值；
Tf——混凝土最终稳定的温度
在分析大体积混凝土所承受拉应力时，要同时考虑内约束和外约束引起的拉应力σ1，max和σ2，max。
3.大体积混凝土防裂措施
3.1材料选择
在水泥选择方面，应使用水化热低的水泥，如中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥，不宜使用水化热高的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，更不宜使用早强水泥。粗集料的选择宜选择以粒径较大、自然连续级配的粗料配制，这种粗集料和易性较好、节约用水量和水泥量、抗压强度也较好，较大粒径集料虽在吸热上有优越性，但要考虑混凝土的质量问题。细集料采用优质的中粗砂为宜，严格控制砂石含泥量。
在外加剂方面，可掺加缓凝剂或缓凝型减水剂，缓凝剂延长混凝土硬化时间，使其较长时间的保持塑性以降低在约束条件下产生的应力，减水剂节约水泥用量，降低水化热。近年来采用的双掺技术，即采用磨细矿渣粉（S95级以上）和粉煤灰（I级）替代或超量替代水泥，作为混凝土中的水化放热材料。双掺法一方面降低了水泥用量，另一方面，其组分中的SiO2和Al2O3与水泥水化反应的产物Ca（OH）2发生二次水化反应，使混凝土后期强度得到增长，其强度相对未采用双掺法混凝土的最终强度不降反升，并因其二次水化反应速度慢，使大体积混凝土的水化放热峰值得到了有效的降低和推迟。
3.2设计措施
1.设置后浇带
即在大体积混凝土浇筑过程中，预留的具有一定宽度且经过一定时间后再浇筑的混凝土带，即临时性施工缝。后浇带根据具体条件，保留一定时间后，再进行填充封闭。后浇带的存在为大体积混凝土在硬化过程中的变形提供了伸缩空间，减小了约束所带来的温度应力。
2.合理配置钢筋
钢筋与混凝土能够较好的粘结在一起，而且热膨胀系数相近，在温度变化时，两者之间由于变形量不同而带来的内应力很小。混凝土抗拉强度低，而钢筋抗拉强度高，如在构造方面进行合理配置钢筋，当混凝土的强度达到极限强度、变形达到极限拉伸值时，应力开始转移到钢筋上，从而避免裂缝的开展。 3.设置滑动层
为了减小外部约束所带来的拉应力，可在混凝土与外约束的接触面上全部铺设滑动层，如遇到较厚的混凝土垫层或约束强的基岩时，可设滑动层。设置滑动层是新工艺，应用不太广泛，一般天然地基大面积基础为减少地基约束多采用1道油毡为主体、辅以防水涂料粘结层，如沥青。砂石垫层做滑动层，还有抗震效果，可在地基上面布置80mm厚的卵石層，再在卵石层上面铺上一层20mm后的砂垫层，如图3-1所示。夹心橡胶垫层可在较厚混凝土垫层上铺一层约30mm夹心橡胶垫片，如图3-2所示。
图3-1 砂石垫层滑动层
图3-2 夹心橡胶垫层滑动层
3.3施工措施
1.降低混凝土入仓温度
为了降低混凝土入仓温度，可在料场加大骨料的堆积高度，以利于散热；在砂石堆场、运输设备上搭设遮阳装置；采用低温水或冰水拌制混凝土；对骨料进行预冷，如水冷（喷水冷却、浸水冷却）和气冷（在供料廊道中通冷气）。
2.浇筑控制措施
为了使混凝土在施工过程中可自然散发一定热量，扩大浇筑面积、散热面，可分层分段浇筑，浇筑方法有：全面分层法、分段分层法、斜面分层法。图中1为模板，2为新浇筑混凝土，3为已浇筑混凝土。
图3-3 大体积混凝土浇筑方案
3.预埋冷却水管
预埋冷却水管来控制混凝土的水化热温升，是比较有效的方法。实际工程中多采用钢管、铝管高强聚乙烯管作为冷却水管，直径一般为25mm，壁厚为1.5～2.0mm，一般在混凝土浇筑前按蛇形进行安装。设置水平间距在1.5m～3.0m，铅直间距一般为混凝土的浇筑层厚。如桥梁的大体积混凝土承台冷却水管平面可按图3-4所示布设。通过测温点测量，可掌握内部各测点温度变化，及时调整冷却水的流量，控制降温速率控制在1.5℃/d内，内外温差小于25℃。
图3-4 预埋冷却水管平面布置图
3.4加强测温和温度控制
随时掌握混凝土内的温度变化，以及时调整保温及养护措施，是有效控制裂缝的必要措施。温度测点可根据结构物的对称情况，在部分结构中布设，如桥梁工程的承台，根据结构对称特点，可布置在1/4范围。测温元件必须满足在浸水24h后误差不大于0.3℃，安装应准确牢固，并与结构钢筋绝热，引出线应集中布置并加以保护。浇筑过程中，混凝土不得直接冲击测温元件及引出线，振捣器不得触及测温元件及其引出线。测温间隔从每小时一次，随着温差变化减少，逐渐延长到每天一次，直到变化基本稳定。
3.5养护措施
要控制大体积混凝土内外温差，以降低混凝土块体的温度应力，加强混凝土的保温、保湿养护必不可少。保温养护措施，应控制降温速度，使之小于1.5℃/d；保温养护的持续时间，应根据温度应力加以控制、确定，不少于15天；保温覆盖层的拆除应分层逐步进行；保温养护过程中，应保持混凝土表面的湿润。塑料薄膜、草袋、锯末等可作为保温材料覆盖混凝土，还有蓄水养护和太阳能养护，在寒冷季节可搭设挡风保温棚。覆盖层的厚度应根据温控指标的要求计算。在保温养护过程中，应对混凝土浇筑块体的内外温差和降温速度进行监测，根据这些实测结果调整保温养护措施以满足温控指标的要求。
4.大体积混凝土防裂控制工序
解决大体积混凝土的裂缝问题，需要系统解决，只从一方面着手往往是不行的，要从结构的设计、材料的选择、施工的方法以及养护的措施等多方面入手，精心进行。在施工中，要控制大体积混凝土的开裂，归根结底，一方面使混凝土达到规定的抗拉强度，另一方面尽量降低混凝土温度应力。系统解决大体积混凝土的裂缝问题，其控制工序如图4-1所示。
图4-1 大体积混凝土防裂控制工序
5.结语
大体积混凝土的混凝土量大，水泥在凝结硬化过程中放出大量水化热，内外温差大，因温度差和变形约束的存在使大体积混凝土极易产生裂缝。本文分析了大体积混凝土的温度变化、开裂原因以及防裂措施，提出了系统解决大体积混凝土开裂问题的控制工序，为实际解决大体积混凝土防裂问题提供参考。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.大体积混凝土施工规范[S].中国计划出版社，2009
[2]冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇.混凝土结构的裂缝与对策[M].机械工业出版社，2006.
[3]彭立海，张春生.大体积混凝土温控与防裂[M].黄河水利出版社，2005.
[4]江昔平，王社良.超大体积混凝土温度裂缝产生机理分析与抗裂控制新对策[J].混凝土，2007
[5]许文忠.大体积混凝土基础温度裂缝控制施工技术研究[D].同济大学.2007
【关键词】 大体积混凝土；开裂原因；防裂措施；控制工序
大体积混凝土无明确定義，我国《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。美国混凝土学会（ACI）规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂”。大体积混凝土结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂，易产生裂缝，影响结构安全性和耐久性。
1.大体积混凝土温度变化过程
水泥在凝结硬化过程中，会放出大量水化热，在开始凝结时放热较快，以后逐渐变慢，普通水泥最初3天放出的总热量占总水化热的50%以上。水泥水化热与龄期的关系曲线如图1-1所示，Q0为水泥的最终放热量，m为系数，与水泥品种及混凝土入仓温度有关。大体积混凝土的散热过程较长，往往数年后水化热才能消失，其温度变化要经历三个时期：升温期、冷却期和稳定期，如图1-2所示，由图可知，△T=Tp+Tr-Tf，要减小温差△T，要从降低混凝土入仓温度Tp和控制混凝土最大温升Tr着手。
图1-1 水泥水化热与龄期的关系曲线
图1-2 大体积混凝土温度变化过程
2.大体积混凝土裂缝产生原因分析
2.1水泥水化热是大体积混凝土开裂的主要原因
水泥结硬产生大量水化热，由于大体积混凝土散热条件差，混凝土导热性能不良，水化热基本都积蓄在浇筑块内，使内部温度升高，有时块体内部温度可达60～80℃。而表面混凝土冷却相对迅速，使混凝土块体内外形成一定的温度梯度。表面温度降低引起的收缩受到内部尚未收缩混凝土的约束，产生表面温度拉应力，应力分布情况如图2-1所示。温度应力大小，由于约束条件不同，计算方法也不同，内部约束引起的温度应力最大值简易计算如式2-1。混凝土抗拉强度较低，当表面温度拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生表面裂缝。
（式2-1）
式中，αc——膨胀系数；
μ——混凝土的泊松比；
Ee——在龄期7小时有效弹性模量；
△Tg，max——龄期7小时中心部位最高温度与表面温度差
2.2约束是产生裂缝的必要条件
由混凝土块体内外温度梯度所产生的表面温度拉应力，是由内约束引起的，外部约束同样会引起裂缝，而且是引起大体积混凝土深层裂缝的主要原因。外部约束即结构物的边界因素对结构物变形的约束，比如桥梁的承台会受到桩基和基岩的约束，长龄期老混凝土会对其上浇筑的新混凝土产生约束。在混凝土凝结硬化初期，混凝土塑性较大，因不能变形而产生的压应力比较低，随着混凝土温度的逐渐下降，体积产生温缩和干缩，这时混凝土已硬化，并与边界物质粘结牢固，从而受边界因素约束不能自由收缩，而使混凝土内部除抵消了原有的压应力外，还产生了拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉极限强度时就产生裂缝。这种裂缝一般在温差（最高温度与最终稳定温度差）25℃以上才会发生，裂缝往往较深，严重破坏建筑物的整体性、安全性和耐久性。外部约束应力最大值简易计算公式如式2-2。
σ2，max=krEcαc△Tmax（式2-2）
其中，△Tmax=Tp+Tr-Tf
kr——外部约束系数；
Ee——有效弹性模量；
αc——膨胀系数；
Tp——混凝土的浇筑温度；
Tr——混凝土温度上升的最大值；
Tf——混凝土最终稳定的温度
在分析大体积混凝土所承受拉应力时，要同时考虑内约束和外约束引起的拉应力σ1，max和σ2，max。
3.大体积混凝土防裂措施
3.1材料选择
在水泥选择方面，应使用水化热低的水泥，如中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥，不宜使用水化热高的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，更不宜使用早强水泥。粗集料的选择宜选择以粒径较大、自然连续级配的粗料配制，这种粗集料和易性较好、节约用水量和水泥量、抗压强度也较好，较大粒径集料虽在吸热上有优越性，但要考虑混凝土的质量问题。细集料采用优质的中粗砂为宜，严格控制砂石含泥量。
在外加剂方面，可掺加缓凝剂或缓凝型减水剂，缓凝剂延长混凝土硬化时间，使其较长时间的保持塑性以降低在约束条件下产生的应力，减水剂节约水泥用量，降低水化热。近年来采用的双掺技术，即采用磨细矿渣粉（S95级以上）和粉煤灰（I级）替代或超量替代水泥，作为混凝土中的水化放热材料。双掺法一方面降低了水泥用量，另一方面，其组分中的SiO2和Al2O3与水泥水化反应的产物Ca（OH）2发生二次水化反应，使混凝土后期强度得到增长，其强度相对未采用双掺法混凝土的最终强度不降反升，并因其二次水化反应速度慢，使大体积混凝土的水化放热峰值得到了有效的降低和推迟。
3.2设计措施
1.设置后浇带
即在大体积混凝土浇筑过程中，预留的具有一定宽度且经过一定时间后再浇筑的混凝土带，即临时性施工缝。后浇带根据具体条件，保留一定时间后，再进行填充封闭。后浇带的存在为大体积混凝土在硬化过程中的变形提供了伸缩空间，减小了约束所带来的温度应力。
2.合理配置钢筋
钢筋与混凝土能够较好的粘结在一起，而且热膨胀系数相近，在温度变化时，两者之间由于变形量不同而带来的内应力很小。混凝土抗拉强度低，而钢筋抗拉强度高，如在构造方面进行合理配置钢筋，当混凝土的强度达到极限强度、变形达到极限拉伸值时，应力开始转移到钢筋上，从而避免裂缝的开展。 3.设置滑动层
为了减小外部约束所带来的拉应力，可在混凝土与外约束的接触面上全部铺设滑动层，如遇到较厚的混凝土垫层或约束强的基岩时，可设滑动层。设置滑动层是新工艺，应用不太广泛，一般天然地基大面积基础为减少地基约束多采用1道油毡为主体、辅以防水涂料粘结层，如沥青。砂石垫层做滑动层，还有抗震效果，可在地基上面布置80mm厚的卵石層，再在卵石层上面铺上一层20mm后的砂垫层，如图3-1所示。夹心橡胶垫层可在较厚混凝土垫层上铺一层约30mm夹心橡胶垫片，如图3-2所示。
图3-1 砂石垫层滑动层
图3-2 夹心橡胶垫层滑动层
3.3施工措施
1.降低混凝土入仓温度
为了降低混凝土入仓温度，可在料场加大骨料的堆积高度，以利于散热；在砂石堆场、运输设备上搭设遮阳装置；采用低温水或冰水拌制混凝土；对骨料进行预冷，如水冷（喷水冷却、浸水冷却）和气冷（在供料廊道中通冷气）。
2.浇筑控制措施
为了使混凝土在施工过程中可自然散发一定热量，扩大浇筑面积、散热面，可分层分段浇筑，浇筑方法有：全面分层法、分段分层法、斜面分层法。图中1为模板，2为新浇筑混凝土，3为已浇筑混凝土。
图3-3 大体积混凝土浇筑方案
3.预埋冷却水管
预埋冷却水管来控制混凝土的水化热温升，是比较有效的方法。实际工程中多采用钢管、铝管高强聚乙烯管作为冷却水管，直径一般为25mm，壁厚为1.5～2.0mm，一般在混凝土浇筑前按蛇形进行安装。设置水平间距在1.5m～3.0m，铅直间距一般为混凝土的浇筑层厚。如桥梁的大体积混凝土承台冷却水管平面可按图3-4所示布设。通过测温点测量，可掌握内部各测点温度变化，及时调整冷却水的流量，控制降温速率控制在1.5℃/d内，内外温差小于25℃。
图3-4 预埋冷却水管平面布置图
3.4加强测温和温度控制
随时掌握混凝土内的温度变化，以及时调整保温及养护措施，是有效控制裂缝的必要措施。温度测点可根据结构物的对称情况，在部分结构中布设，如桥梁工程的承台，根据结构对称特点，可布置在1/4范围。测温元件必须满足在浸水24h后误差不大于0.3℃，安装应准确牢固，并与结构钢筋绝热，引出线应集中布置并加以保护。浇筑过程中，混凝土不得直接冲击测温元件及引出线，振捣器不得触及测温元件及其引出线。测温间隔从每小时一次，随着温差变化减少，逐渐延长到每天一次，直到变化基本稳定。
3.5养护措施
要控制大体积混凝土内外温差，以降低混凝土块体的温度应力，加强混凝土的保温、保湿养护必不可少。保温养护措施，应控制降温速度，使之小于1.5℃/d；保温养护的持续时间，应根据温度应力加以控制、确定，不少于15天；保温覆盖层的拆除应分层逐步进行；保温养护过程中，应保持混凝土表面的湿润。塑料薄膜、草袋、锯末等可作为保温材料覆盖混凝土，还有蓄水养护和太阳能养护，在寒冷季节可搭设挡风保温棚。覆盖层的厚度应根据温控指标的要求计算。在保温养护过程中，应对混凝土浇筑块体的内外温差和降温速度进行监测，根据这些实测结果调整保温养护措施以满足温控指标的要求。
4.大体积混凝土防裂控制工序
解决大体积混凝土的裂缝问题，需要系统解决，只从一方面着手往往是不行的，要从结构的设计、材料的选择、施工的方法以及养护的措施等多方面入手，精心进行。在施工中，要控制大体积混凝土的开裂，归根结底，一方面使混凝土达到规定的抗拉强度，另一方面尽量降低混凝土温度应力。系统解决大体积混凝土的裂缝问题，其控制工序如图4-1所示。
图4-1 大体积混凝土防裂控制工序
5.结语
大体积混凝土的混凝土量大，水泥在凝结硬化过程中放出大量水化热，内外温差大，因温度差和变形约束的存在使大体积混凝土极易产生裂缝。本文分析了大体积混凝土的温度变化、开裂原因以及防裂措施，提出了系统解决大体积混凝土开裂问题的控制工序，为实际解决大体积混凝土防裂问题提供参考。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.大体积混凝土施工规范[S].中国计划出版社，2009
[2]冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇.混凝土结构的裂缝与对策[M].机械工业出版社，2006.
[3]彭立海，张春生.大体积混凝土温控与防裂[M].黄河水利出版社，2005.
[4]江昔平，王社良.超大体积混凝土温度裂缝产生机理分析与抗裂控制新对策[J].混凝土，2007
[5]许文忠.大体积混凝土基础温度裂缝控制施工技术研究[D].同济大学.2007