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，