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摘要：裂缝是大体积混凝土施工控制的重点和难点，大体积混凝土裂缝的产生主要是由于内外温差过大，收缩变形受到约束等因素引起的，本文通过介绍大体积混凝土裂缝产生的原因，从混凝土配合比、浇筑振捣、养护等方面入手，阐述了大体积混凝土裂缝的控制措施。
关键词：大体积混凝土；内外温差；水化热；裂缝
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
大体积混凝土主要是指混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m，或预计会因混凝土中水泥水化引起的温度变化和收缩导致有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土由于内外温差较大很容易产生裂缝，对混凝土的使用性，耐久性，承载能力等均产生不利影响。因此随着大体积混凝土在现代结构工程中使用越来越广泛，对大体积混凝土的裂缝控制亦变得愈发重要。
一、裂缝发生的原因
（一）水泥水化热的影响
水泥在水化过程中产生了大量的热量，对于大体积混凝土来说，大量的水化热积聚在内部不易散发，从而导致内部温度急剧升高。而混凝土表面散热较快，使得混凝土内外产生较大温差。这些温差造成混凝土内部与外部热胀冷缩的程度不同，使得混凝土在表面产生一定的拉应力，当这个拉应力超过混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝。混凝土越厚，水泥用量越大，内部温度越高。
（二）外部条件约束
在混凝土温度下降的过程中，混凝土体积收缩，其收缩受到地基和边界约束时会产生拉应力。当这个拉应力超过混凝土约束面的抗拉强度时就会在该约束面产生裂缝，严重时，会产生贯穿裂缝。尤其是桥梁大体积混凝土结构，其特点是厚度相对较薄，混凝土强度等级较高，水泥用量较大，使其升温较高，降温较快，如保温措施不好或者拆模较早很容易产生贯穿裂缝。
（三）外界气温变化
大体积混凝土在施工阶段，其浇筑温度和外层混凝土温度会随着外界气温的变化而变化。特别是气温骤降，会大大增加混凝土内外温差，产生温度应力，导致混凝土开裂。因此应采取温度控制措施，防止混凝土内外温差过大。一般混凝土内外温差不应超过25℃。
（四）混凝土的收缩变形
混凝土中80%的水分要蒸发，约20%的水分是水泥硬化所必需的。最初失去的30%的自由水分几乎不引起收缩，随着混凝土的逐渐干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干燥收缩。而表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢，由于表面的干缩受到中心部位混凝土的约束，因而会在表面产生拉应力而产生裂缝。如果混凝土的干缩受到边界的约束，则会在边界处产生拉应力，如果这个拉应力超过边界混凝土的抗拉强度，就会在边界产生裂缝。
二、质量控制措施
（一）优化混凝土配合比
1、大体积混凝土因其水泥水化热的大量积聚，易使混凝土内外形成较大温差，而产生温差应力，因此应选用水化热较低的水泥，以降低水泥水化产生的热量，从而控制大体积混凝土温度的升高。在选用水泥的时侯，还应考虑提高混凝土的抗裂性能，宜选用C3A含量较低、C2S含量较高的水泥。
2、充分利用混凝土的后期强度，减少每立方米混凝土中的水泥用量。在保证混凝土强度情况下，尽量多掺加粉煤灰或矿渣粉，减少水泥使用量。但粉煤灰不宜超过水泥用量的40%，矿渣粉的掺量不宜超過水泥用量的50%，两种掺和料的总量不宜大于混凝土中水泥重量的50%。在大体积混凝土中掺粉煤灰是减少水泥用量、降低水泥水化热的好方法。根据试验得出，每立方混凝土中每增加10kg水泥,其水化热将使混凝土的温度相应升高1℃。另外在混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，减少新拌混凝土的泌水等作用。
3、严格控制集料的级配和含泥量。骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%～83%，因此在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。一般来说，可以选用粒径5mm～40mm的粗骨料，如采用非泵送施工可适当增大粗骨料粒径。细骨料宜采用级配良好的中砂，细度模数宜大于2.3。严格控制砂、石子的含泥量(石子在1 %以内，砂在2 %以内)，如果含泥量过大，不仅会增加混凝土的收缩，而且会降低混凝土的抗拉强度，对混凝土的抗裂不利。
4、选用合适的缓凝、减水等外加剂，以改善混凝土的性能。外加剂的缓凝作用可使水泥水化放热速率减慢，有利于热量消散，使混凝土内部温升降低。减水剂可以大幅度减少混凝土的拌合用水量，从而减小混凝土的干缩。大体积混凝土的拌合用水量不宜大于170kg/m³，水胶比不宜大于0.55。
5、控制好混凝土的坍落度。在保证混凝土正常施工的前提下，尽量减小混凝土的坍落度。大体积混凝土在浇筑工作面的坍落度不宜大于160mm。
（二）浇筑与振捣措施
1、降低混凝土的入模温度。尽量避开炎热天气浇筑混凝土；采用地下凉水或冰水拌制混凝土；对骨料进行预冷或对骨料进行遮盖，以防日晒升温；掺加缓凝型减水剂；对混凝土入模温度实际测量并记录。大体积混凝土的入模温度（振捣后50～100mm深处的温度）不宜高于28℃。混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不大于45℃。
2、浇筑与振捣措施。大体积混凝土工程的施工宜采用分层连续浇筑施工（图1）或推移式连续浇筑施工（图2）。应依据设计尺寸进行均匀分段、分层浇筑。当截面面积在200㎡以内时，分段不宜大于2段；当截面面积在300㎡以内时，分段不宜大于3段，且每段面积不得小于50㎡。当采用泵送混凝土时，混凝土浇筑层厚度不宜大于500mm；当采用非泵送混凝土时，混凝土浇筑层厚度不宜大于300mm。宜使用插入式振捣棒，垂直振捣和斜向振捣操作时，快插慢拔，避免分层离析或形成空洞，且应上下抽动，振捣均匀。分层灌注时振捣上层应插入下层5cm左右。每点振捣20－30秒，视混凝土表面不再显著下沉，不再出现气泡、泛出灰浆为止。20－30分钟后进行复振。每振捣完一段，要随即摊平。浇筑面应及时进行二次抹压处理。
（三）养护措施
大体积混凝土养护的关键是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土内外温差，促进混凝土强度的正常发展的同时防止混凝土裂缝的产生和发展。大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过温度控制，防止因温度变形引起混凝土开裂。
1、混凝土养护阶段的温度控制措施：
（1）混凝土的中心温度与表面温度的温差不大于25℃，表面温度与外界气温之间的差值应不大于20℃。
（2）采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法就是在混凝土内部预埋水管，通入冷水，降低混凝土内部温度。冷水应在混凝土刚浇筑完成时开始进行。如果设计允许，可以向混凝土中投入适量毛石，也可以有效控制混凝土开裂。
（3）表层保温法，就是在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料（如草袋、锯木、湿砂等），在缓慢散热的过程中，保持混凝土的内外温差小于25℃。根据工程的具体情况，尽可能延长养护时间，拆模后立即回填或者覆盖养护，同时预防近期冷空气影响，防止混凝土早期和中期裂缝。保温覆盖层的拆除应分层逐步进行，当混凝土的表层温度与环境最大温差小于20℃时，可全部拆除。保温覆盖层的厚度，应经过计算，公式如下：
式中:——混凝土表面的保温层厚度（m）；
——混凝土的导热系数[W/(m*k)]；
——第i层保温材料的导热系数[W/(m*k)]；
——混凝土浇筑体表面温度（℃）；
——混凝土达到最高温度（浇筑后3～5d）的大气平均温度（℃）；
——混凝土浇筑体内的最高温度（℃）；计算时可取：
=15℃～20℃；=20℃～25℃
——混凝土结构的实际厚度（m）;
——传热系数修正值，取1.3～2.3，见下表。
传热系数修正值
保温层种类 K1 K2
由易透风材料组成，但在混凝土面层上再铺一层不透风材料 2.0 2.3
在易透风材料上铺一层不易透风材料 1.6 1.9
在易透风材料上下各铺一层不易透风材料 1.3 1.5
由不易透风的材料组成（如：油布、帆布、棉麻毡、胶合板） 1.3 1.5
注：1. K1 值为风速≤4m/s情况。
2. K2 值为风速＞4m/s情况。
2、大体积混凝土应保湿的养护，养护时间应符合下表规定。
大体积混凝土的湿润养护时间
水泥品种 养护时间（d）
硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 14
火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、低热微膨胀水泥、矿渣硅酸大坝水泥 21
在现场掺粉煤灰的水泥
注：高温期湿润养护时间均不得少于28d。
（四）大体积混凝土施工现场温控监测
大体积混凝土的浇筑体内监测点的布置，应以能真实反映出混凝土内最高温升、芯部与表层温差、降温速率及环境温度为原则。一般情况下，在浇筑高度方向上的测点间距为500～800mm，在平面尺寸上一般为2500～5000mm，测温点距边角应大于50mm。应设专人负责温度的测量记录工作，并及时做好信息的收集与反馈工作。如遇特殊情况（气温骤降或内外温差超过25℃）要及时报告技术主管，采取紧急保温措施。
三、综上所述，要控制大体积混凝土的裂缝，主要是控制混凝土内部温度、表面温度、内部与表面温差、表面与环境的温差。在施工中应从混凝土的配合比、浇筑与振捣、养护等多方面进行控制，尽量减少混凝土裂缝的产生。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：大体积混凝土；内外温差；水化热；裂缝
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
大体积混凝土主要是指混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m，或预计会因混凝土中水泥水化引起的温度变化和收缩导致有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土由于内外温差较大很容易产生裂缝，对混凝土的使用性，耐久性，承载能力等均产生不利影响。因此随着大体积混凝土在现代结构工程中使用越来越广泛，对大体积混凝土的裂缝控制亦变得愈发重要。
一、裂缝发生的原因
（一）水泥水化热的影响
水泥在水化过程中产生了大量的热量，对于大体积混凝土来说，大量的水化热积聚在内部不易散发，从而导致内部温度急剧升高。而混凝土表面散热较快，使得混凝土内外产生较大温差。这些温差造成混凝土内部与外部热胀冷缩的程度不同，使得混凝土在表面产生一定的拉应力，当这个拉应力超过混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝。混凝土越厚，水泥用量越大，内部温度越高。
（二）外部条件约束
在混凝土温度下降的过程中，混凝土体积收缩，其收缩受到地基和边界约束时会产生拉应力。当这个拉应力超过混凝土约束面的抗拉强度时就会在该约束面产生裂缝，严重时，会产生贯穿裂缝。尤其是桥梁大体积混凝土结构，其特点是厚度相对较薄，混凝土强度等级较高，水泥用量较大，使其升温较高，降温较快，如保温措施不好或者拆模较早很容易产生贯穿裂缝。
（三）外界气温变化
大体积混凝土在施工阶段，其浇筑温度和外层混凝土温度会随着外界气温的变化而变化。特别是气温骤降，会大大增加混凝土内外温差，产生温度应力，导致混凝土开裂。因此应采取温度控制措施，防止混凝土内外温差过大。一般混凝土内外温差不应超过25℃。
（四）混凝土的收缩变形
混凝土中80%的水分要蒸发，约20%的水分是水泥硬化所必需的。最初失去的30%的自由水分几乎不引起收缩，随着混凝土的逐渐干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干燥收缩。而表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢，由于表面的干缩受到中心部位混凝土的约束，因而会在表面产生拉应力而产生裂缝。如果混凝土的干缩受到边界的约束，则会在边界处产生拉应力，如果这个拉应力超过边界混凝土的抗拉强度，就会在边界产生裂缝。
二、质量控制措施
（一）优化混凝土配合比
1、大体积混凝土因其水泥水化热的大量积聚，易使混凝土内外形成较大温差，而产生温差应力，因此应选用水化热较低的水泥，以降低水泥水化产生的热量，从而控制大体积混凝土温度的升高。在选用水泥的时侯，还应考虑提高混凝土的抗裂性能，宜选用C3A含量较低、C2S含量较高的水泥。
2、充分利用混凝土的后期强度，减少每立方米混凝土中的水泥用量。在保证混凝土强度情况下，尽量多掺加粉煤灰或矿渣粉，减少水泥使用量。但粉煤灰不宜超过水泥用量的40%，矿渣粉的掺量不宜超過水泥用量的50%，两种掺和料的总量不宜大于混凝土中水泥重量的50%。在大体积混凝土中掺粉煤灰是减少水泥用量、降低水泥水化热的好方法。根据试验得出，每立方混凝土中每增加10kg水泥,其水化热将使混凝土的温度相应升高1℃。另外在混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，减少新拌混凝土的泌水等作用。
3、严格控制集料的级配和含泥量。骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%～83%，因此在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。一般来说，可以选用粒径5mm～40mm的粗骨料，如采用非泵送施工可适当增大粗骨料粒径。细骨料宜采用级配良好的中砂，细度模数宜大于2.3。严格控制砂、石子的含泥量(石子在1 %以内，砂在2 %以内)，如果含泥量过大，不仅会增加混凝土的收缩，而且会降低混凝土的抗拉强度，对混凝土的抗裂不利。
4、选用合适的缓凝、减水等外加剂，以改善混凝土的性能。外加剂的缓凝作用可使水泥水化放热速率减慢，有利于热量消散，使混凝土内部温升降低。减水剂可以大幅度减少混凝土的拌合用水量，从而减小混凝土的干缩。大体积混凝土的拌合用水量不宜大于170kg/m³，水胶比不宜大于0.55。
5、控制好混凝土的坍落度。在保证混凝土正常施工的前提下，尽量减小混凝土的坍落度。大体积混凝土在浇筑工作面的坍落度不宜大于160mm。
（二）浇筑与振捣措施
1、降低混凝土的入模温度。尽量避开炎热天气浇筑混凝土；采用地下凉水或冰水拌制混凝土；对骨料进行预冷或对骨料进行遮盖，以防日晒升温；掺加缓凝型减水剂；对混凝土入模温度实际测量并记录。大体积混凝土的入模温度（振捣后50～100mm深处的温度）不宜高于28℃。混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不大于45℃。
2、浇筑与振捣措施。大体积混凝土工程的施工宜采用分层连续浇筑施工（图1）或推移式连续浇筑施工（图2）。应依据设计尺寸进行均匀分段、分层浇筑。当截面面积在200㎡以内时，分段不宜大于2段；当截面面积在300㎡以内时，分段不宜大于3段，且每段面积不得小于50㎡。当采用泵送混凝土时，混凝土浇筑层厚度不宜大于500mm；当采用非泵送混凝土时，混凝土浇筑层厚度不宜大于300mm。宜使用插入式振捣棒，垂直振捣和斜向振捣操作时，快插慢拔，避免分层离析或形成空洞，且应上下抽动，振捣均匀。分层灌注时振捣上层应插入下层5cm左右。每点振捣20－30秒，视混凝土表面不再显著下沉，不再出现气泡、泛出灰浆为止。20－30分钟后进行复振。每振捣完一段，要随即摊平。浇筑面应及时进行二次抹压处理。
（三）养护措施
大体积混凝土养护的关键是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土内外温差，促进混凝土强度的正常发展的同时防止混凝土裂缝的产生和发展。大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过温度控制，防止因温度变形引起混凝土开裂。
1、混凝土养护阶段的温度控制措施：
（1）混凝土的中心温度与表面温度的温差不大于25℃，表面温度与外界气温之间的差值应不大于20℃。
（2）采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法就是在混凝土内部预埋水管，通入冷水，降低混凝土内部温度。冷水应在混凝土刚浇筑完成时开始进行。如果设计允许，可以向混凝土中投入适量毛石，也可以有效控制混凝土开裂。
（3）表层保温法，就是在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料（如草袋、锯木、湿砂等），在缓慢散热的过程中，保持混凝土的内外温差小于25℃。根据工程的具体情况，尽可能延长养护时间，拆模后立即回填或者覆盖养护，同时预防近期冷空气影响，防止混凝土早期和中期裂缝。保温覆盖层的拆除应分层逐步进行，当混凝土的表层温度与环境最大温差小于20℃时，可全部拆除。保温覆盖层的厚度，应经过计算，公式如下：
式中:——混凝土表面的保温层厚度（m）；
——混凝土的导热系数[W/(m*k)]；
——第i层保温材料的导热系数[W/(m*k)]；
——混凝土浇筑体表面温度（℃）；
——混凝土达到最高温度（浇筑后3～5d）的大气平均温度（℃）；
——混凝土浇筑体内的最高温度（℃）；计算时可取：
=15℃～20℃；=20℃～25℃
——混凝土结构的实际厚度（m）;
——传热系数修正值，取1.3～2.3，见下表。
传热系数修正值
保温层种类 K1 K2
由易透风材料组成，但在混凝土面层上再铺一层不透风材料 2.0 2.3
在易透风材料上铺一层不易透风材料 1.6 1.9
在易透风材料上下各铺一层不易透风材料 1.3 1.5
由不易透风的材料组成（如：油布、帆布、棉麻毡、胶合板） 1.3 1.5
注：1. K1 值为风速≤4m/s情况。
2. K2 值为风速＞4m/s情况。
2、大体积混凝土应保湿的养护，养护时间应符合下表规定。
大体积混凝土的湿润养护时间
水泥品种 养护时间（d）
硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥 14
火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、低热微膨胀水泥、矿渣硅酸大坝水泥 21
在现场掺粉煤灰的水泥
注：高温期湿润养护时间均不得少于28d。
（四）大体积混凝土施工现场温控监测
大体积混凝土的浇筑体内监测点的布置，应以能真实反映出混凝土内最高温升、芯部与表层温差、降温速率及环境温度为原则。一般情况下，在浇筑高度方向上的测点间距为500～800mm，在平面尺寸上一般为2500～5000mm，测温点距边角应大于50mm。应设专人负责温度的测量记录工作，并及时做好信息的收集与反馈工作。如遇特殊情况（气温骤降或内外温差超过25℃）要及时报告技术主管，采取紧急保温措施。
三、综上所述，要控制大体积混凝土的裂缝，主要是控制混凝土内部温度、表面温度、内部与表面温差、表面与环境的温差。在施工中应从混凝土的配合比、浇筑与振捣、养护等多方面进行控制，尽量减少混凝土裂缝的产生。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。