浅析大体积混凝土裂缝

曲东魁

中铁八局集团昆明铁路建设有限公司

摘要：大体积混凝土一般用于桥梁工程承台、房建高层地基及水利大坝等大型基础设施建设，大体积混凝土常见施工质量问题主要为混凝土开裂产生裂缝，因混凝土开裂产生裂缝后其耐久性等性能与原状混凝土相差巨大，严重影响工程的安全性和使用性能。所以，对于大体积混凝土裂缝的产生和防治进行进一步的研究，对我国基础设施建设具有十分重要的意义。

本文从国内外专家学者对大体积混凝土裂缝的研究现状开始，进一步分析了施工过程中大体积混凝土裂缝的产生原因，并将产生原因进行总结归纳，提出了对大体积混凝土产生裂缝的预防措施，其次针对大体积混凝土施工结束后出现的裂缝，采用科学合理、具有针对性的处理方法消除或减少大体积混凝土质量缺陷，以确保其使用功能。最后根据两个施工真实案例，展现了大体积混凝土裂缝预防措施及裂缝处理措施在桥梁施工过程中的运用以及取得的有效效果。

关键词：大体积混凝土；裂缝预防；裂缝处理

引言：近几年来，随着我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要的颁布实施，基础设施建设步伐进一步加快，在此基础上，越来越多的传统基础设施和新型基础设施建设规划实施。众所周知，混凝土具有施工方便，抗压强度强、承载力大、外观美观等优点，所以，大体积混凝土也广泛运用于重要基础设施及大型基础设施中。因此，对于大体积混凝土裂缝在施工过程中为什么出现的原因、裂缝预防措施、裂缝处理措施进行探讨研究具有重要的意义。同时，大体积混凝土的研究也可以为其他建筑材料提供参考，推动建筑行业的发展。

对于导致大体积混凝土裂缝的产生原因，裂缝产生前的预防措施，国外专家学者从上个世纪30年代中期就进行了比较系统的、深入的研究。研究表明，施工中采用低热水泥拌合混凝土、混凝土浇筑时采用分层浇筑以及在大体积混凝土中使用水循环冷却装置等技术手段，可以有效地控制大体积混凝土裂缝的出现。

自从40年代开始，我国工程技术领域的许多专家学者也对大体积混凝土施工后产生裂缝这一问题进行了许多的研究，专家们在施工现场实地考察后还提出许多防止大体积混凝土开裂的行而有效的方法。但由于大体积混凝土开裂从而产生裂缝，是混凝土工程中一直普遍存在的质量问题，在施工中一但忽视这个问题，缝会迅速发展并会加快对混凝土的破坏作用，从而降低了混凝土的承载力和耐久性，导致混凝土的使用寿命缩短，从而影响结构物的安全使用。

本文通过对大体积混凝土裂缝产生的原因、具体的预防措施、裂缝产生后的处理措施等进行了详细的分析，可以更好地了解大体积混凝土裂缝的特性发展，优化混凝土性能，提高大体积混凝土在实际工程中的应用效果。

1  大体积混凝土及其开裂机理分析

1.1  大体积混凝土概述

大体积混凝土，英文是concrete in mass，我国《大体积混凝土施工标准》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[1]。

大体积混凝土在我国各种各样的建筑中挥着必不可少的作用，比如打造坚实的基础，提供稳定牢固的支撑，展现无与伦比的稳定性等。但大体积混凝土最主要的特点就是每个方向的几何尺寸都大于1m，且混凝土浇筑后，会因材料的水化热反应产生大量的热量，从而导致混凝土内部的温度远远高于混凝土的表面温度，进而使大体积混凝土受温差效应产生裂缝，影响到结构安全和正常使用。所以必须从裂缝产生的根本原因上来分析它，在分析研究的基础来来预防控制裂缝的产生，以确保施工质量。

1.2  大体积混凝土开裂机理分析

在工程施工中，无论哪种强度的混凝都是由级配碎石骨料、沙、水泥、水及各类外加剂拌和而成，在混凝土的拌和中就存在各类细小的空隙、气泡等肉眼看不到的微孔隙，当混凝土浇筑硬化成型后，受施工荷载、内外部温差、外部撞击等因素影响下，微孔隙会不断扩展和连通，最后形成肉眼可见的裂缝。一般来说，无论何种混凝土构件，都存在各类细小的裂缝，只不过有些裂缝不会发展，对混凝土的承载力、耐久性、抗渗能力等性能影响微乎其微。但大体积混凝土一般用于重要工程部位，其发生的裂缝主要是温度裂缝、收缩裂缝，干缩裂缝，当大体积混凝土开裂产生裂缝后，将对混凝土构件产生重大影响。

1.2.1  主要原因

大体积混凝土由于构件截面积较大，浇筑的混凝土方量也随之增大，伴随着混凝土浇筑量的增加，从而导致水泥用量增加，这将进一步导致大体积混凝土容易开裂产生裂缝。总体来讲，大体积混凝土浇筑体在排除地基沉降或外部荷载作用的情况下，出现裂缝的主要原因还是混凝土浇筑体收到温度应力作用和自身的收缩徐变导致的。

收缩主要有干燥收缩、塑性收缩、自身收缩、碳化收缩等等。干燥收缩主要由于在干燥环境下，混凝土硬化后，混凝土内部水分不断向外散失，引起混凝土由外向内的干缩变形裂缝。塑性收缩主要由于在水泥活性大、混凝土温度较高的情况下，或在水灰比较低的条件下加剧引起开裂

[2]。自身收缩主要是混凝土在凝固过程中由于各向收缩应力不均而引起开裂。碳化收缩是指空气中的二氧化碳渗透到混凝土内，与混凝土中是碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，碳酸盐和水膨胀引起的混凝土开裂称为碳化。

温度应力的产生是因为混凝土主要是由水泥、砂石料、外加剂拌合而成，混凝土在拌合过程中和浇筑后会因水化反应产生大量的热，而且，混凝土是热的不良导体，导致因水化反应产生的热积聚在混凝土的内部不容易散发出来，从而使混凝土的内部温度急剧上升，由于混凝土的表面温度一般是室外温度，温度比较低，所以使混凝土内部和外部形成了温差，当混凝土外部和内部形成的温差引起的应力超过了混凝土的极限抗拉强度，就会导致混凝土产生裂缝。

1.2.2其他原因

大体积混凝土开裂产生裂缝，排除自身收缩徐变和由温度应力产生的裂缝外，导致大体积混凝土开裂产生裂缝的原因还包括地基沉降产生的裂缝、施工过程中不规范施工造成的裂缝以及由于设计缺陷导致的裂缝等。

地基中由于基底存在过厚的扰动土或填筑的垫层不均匀，当大体积混凝土实施后，受地基不均匀沉降，有可能导致混凝土开裂。

设计过程中，由于没有考虑到结构中的断面突变而产生的应力集中、构件施加预应力不当、设计中构造钢筋配置过少或过粗、设计中未充分考虑混凝土构件的收缩变形、设计中采用的混凝土等级过高导致用灰量过大等原因，会导致大体积混凝土开裂。

施工过程中未按照设计方案进行施工或者在浇捣过程中不按顺序快插慢拔、浇捣速度过快、插入过深等施工因素也可能导致大体积混凝土开裂。

综上所述，大体积混凝土开裂的原因有很多种，包括了干燥收缩、塑性收缩、自身收缩、温度收缩、化学收缩、设计原因和施工原因等。因此，在设计和施工过程中应充分考虑这些因素，就可以适当减少大体积混凝土开裂产生裂缝的可能性。

2大体积混凝土裂缝控制

大体积混凝土产生裂缝，无论从施工质量、施工进度还是施工成本方面都已经对工程施工造成严重影响。为消除或减少对施工造成的影响，施工过程中应当从原材料及配合比、混凝土入模温度、混凝土浇筑体温度等环节抓起，尽可能杜绝大体积混凝土开裂产生裂缝。

2.1  原材料及配合比控制

原材料是保证大体积混凝土质量的首要因素，只有混凝土质量得到保证，才能使混凝土裂缝的产生处于可控范围内。原材料主要从水泥、骨料、掺合料、外加剂四个方面进行优选。

水泥优先选用中低水化热，低收缩性的水泥，严禁选用早强水泥和含有氯化物的水泥，充分利用混凝土的后期强度，减少水泥用量。在满足使用的条件下，大体积混凝土设计强度应遵循“能低不高”的原则，同时要注意水泥的质量，特别是安定性达标 [3]。

骨料选择时优先选用质量优良、粒径较大圆润、级配良好的 0.5～2.5cm的连续级配碎石；在细骨料选择时，尽量选用河砂或水洗砂，骨料中严格控制含泥量不超过1%和针片状颗粒含量不大于15%。

由于矿粉具有微珠润滑效应，有非常明显的减水作用，在大体积混凝土拌和中掺入适量的矿粉，不仅能提显著高混凝土的和易性、稳定性和密实度等，还能增加混凝土强度，减少坍落度损失、降低水化热等。所以，加入适当的矿粉，用来替代部分水泥，除能降低混凝土的水化热，增加混凝土硬化前后的体积稳定性外，还能减少裂缝的产生。

选用合适的外加剂，混凝土中掺入1%～2%的减水剂，不仅能改善混凝土的工作性能，同时还减少了拌和水和水泥用量，降低了水化热，也能很好预防混凝土裂缝的产生。

在设计混凝土配合比的时候，为了保证混凝土具有良好工作性能，可以采用“三低”（低砂率、低坍落度、低水胶比）和“双掺”（掺高效减水剂和矿粉掺量），因减水剂可有效的降低水灰比及用水量，而矿粉具有圆珠润滑效应，能减少水泥和水的用量，所以“三低双掺”原理是混凝土既可提高和易性又可减少混凝土收缩的设计准则[4]。

通过以上措施，不仅可以从源头上有效地控制大体积混凝土的裂缝产生，而且在施工过程中也能减少大体积混凝土裂缝的发生。

2.2温度控制

大体积混凝土出现裂缝最主要的原因是混凝土水化反应产生大量的热，使混凝土内外产生温差，温差产生的温度应力超过了混凝土的极限抗拉强度，导致混凝土产生裂缝，要避免温差应力过大，可以从混凝土入模温度及混凝土浇筑体温度两个方面进行控制。

2.2.1  入模温度控制

混凝土的入模温度指的是混凝土浇筑后的初始温度，因为混凝土不仅导热系数低而且散热慢，所以浇筑后混凝土温度会不断升高，从而导致混凝土体温度升高。规范规定，混凝土浇筑体在夏季施工时入模温度不应高于35℃，冬季施工时不应低于5℃。所以为控制混凝土入模温度，应该在混凝土拌和时采用进场时间较差的，没有余温的水泥和骨料进行拌制，在拌合中尽量采用水温较低的水，以满足混凝土入模温度的要求。

2.2.2浇筑体温度控制

大体积混凝土浇筑后，浇筑体水化热是混凝土体产生裂缝的另外一个主要因素，对混凝土浇筑体温度的控制，除了采取入模温度控制的措施外，更重要的是安装冷却管通

过循环水使混凝土体内部温度控制在一定范围，从而避免因温度原因导致产生裂缝。冷却管在混凝土间应分层布设，每一层单独供水，为防止冷却管下坠变形，可用φ25 钢筋做水平支撑，φ10钢筋弯曲成 U 形做管卡焊接牢固。

施工过程中，当混凝土浇筑到各层冷却水管标高后就要开始通水，冷却水管通水流量应达到3m³/h，使管内产生紊流，一般要等温峰过后，控制冷却水流量和通水时间使混凝土降温速度稳定在 2℃/d 以内。为了防止上层混凝土浇筑后下层混凝土温度的回升，可以采取二次通水冷却，通水时间根据测温结果确定。冷却水进水温度越低，与混凝土温差越大，冷却效果越好，但过大的温差会在冷却水管周围的混凝土中引起相当大的拉应力，所以降温阶段通常将冷却水与混凝土之间的温差控制在 20℃以内。如果始终保持同一流向，冷却结束后[5]，出口端的混凝土温度将高于进口端的混凝土温度。为了使冷却结束时，混凝土温度尽量均匀，在冷却过程中，可以不断改变水流方向，宜每半天改变一次水流方向，尽可能压低各个断面上的水化热温升[6]。

2.3  施工过程控制

施工过程中，大体积混凝土的浇筑顺序、混凝土振捣、施工组织和混凝土养护也会导致大体积混凝土产生裂缝。

为确保混凝土施工质量，利于混凝土早期散热，减少裂缝产生，大体积混凝土施工浇筑时应采用斜向水平分层浇筑，从一边向另一边灌注振捣混凝土，不留施工缝。每一层的浇筑厚度一般要根据混凝土的供应能力，现场工人的振捣能力来确定，一般以浇筑的时候不会出现施工冷缝为原则进行层厚确定，为了方便混凝土振捣密实，每层的浇筑厚度一般20～30cm为宜，浇筑中出现施工中断时，中断的时间必须要小于上一层混凝土的初凝时间，严禁在模板附近连续浇筑。

大体积混凝土的振捣密实工作，必须要由专职的熟练的操作工进行，操作工必须经过培训合格持证上岗。振捣时采用50型和20型插入式振捣棒配合使用，振捣要达到密实、均匀并排除气体。振捣方式一般采用快插慢拔，插入下层混凝土中5～10cm，插点振捣时间宜为20s～30s，当混凝土表面呈水平，混凝土拌和物不再显著下沉、不再出现气泡、表面泛浆时就可以结束振捣，以避免过度振捣。混凝土振捣的时候，振捣棒插点要均匀排列，移动间距不大于振捣棒作用半径的1.5倍（一般为40cm～50cm）。振捣棒与模板的距离应保持0.5～10m最佳，振捣的时候还要避免碰撞钢筋、模板、预埋管件。为有效消除混凝土表面裂缝，可进行混凝土二次振捣，二次振捣在混凝土初凝前进行，振捣的深度不大于200mm，二次振捣不得破坏混凝土内部结构和影响混凝土强度。

在施工过程中，通过合理安排混凝土施工时间也可以避免混凝土出现开裂现象，在夏季温度较高时候，可以将混凝土浇筑时间尽量安排在下午4点到第二天早上1点这段时间进行浇筑，这样可以减少混凝土温度回升，防止混凝土开裂。浇筑混凝土时尽量避免雨天浇筑，在浇筑过程中如果遇到突发降雨，必须使用隔水材料进行覆盖保护。

大体积混凝土终凝前，及时安排人员对混凝土表面进行压实收光，避免混凝土表面因为失水过快而导致产生表面产生干缩裂纹。同时在大体积混凝土表面采用土工布或稻草进行覆盖保湿，在混凝土养护期间，要保持混凝土表面湿润，养护时间不得低于14d。

大体积混凝土裂缝的控制，不仅要从拌合料选择、施工配合比优化设计、温度控制等多个方面进行综合考虑，还要从施工方式方法、施工器具的选择、施工养护等方面着手，尽可能的减少混凝土开裂，保证施工的质量和使用安全。

3  大体积混凝土裂缝的处理方法

当大体积混凝土出现裂缝后，在经过设计单位验算及第三方检测单位检测，如果产生的裂缝不影响结构物的安全使用，可采用修补的方法来处理裂缝。

3.1  灌浆法

灌浆法一般用于裂缝宽度大于0.3mm以上、深度较深的混凝土裂缝处理，这种方法是利用压力将特制的浆液注入混凝土裂缝，实现封闭裂缝从而提高结构强度的目的。利用灌浆法处理大体积混凝土裂缝，可以取得显著的效果。

首先，在大体积混凝土表面找出裂缝的具体位置和大小，用彩色笔标注其走向，沿着裂缝两边开凿一个V字形的骑缝槽，用钢丝刷清理干净骑缝槽内的残渣和灰尘，然后在骑缝槽内埋置灌浆嘴，灌浆嘴间距在400mm～1000mm之间，每条裂缝最少必须留有一个灌浆口和出气口。

灌浆嘴埋置完成后，对裂缝进行封缝处理，封缝材料一般选用环氧树脂+水泥砂浆。在V型槽表面先刷一层环氧树脂，然后再使用水泥砂浆填满V型槽，封缝的时候一定要注意不能堵塞灌浆嘴。封缝完成后还必须封缝密封效果进行检查，避免出现封缝不密实。

封缝检查密实后就可以进行灌浆处理，灌浆前首先配置灌浆液，灌浆液配制的材料要选择粘结力强、可灌性好的材料，一般采用改性环氧树脂、聚氨酯或环氧树脂加蚂蟥钉等材料配制。灌浆时使用灌浆泵进行灌浆，灌浆的时候平缝由裂缝的一端向另外一端灌注，如果是竖缝的话，应由下往上灌。灌浆的时候要注意灌浆速度和灌浆压力，灌浆压力以0.2-0.4Mpa为宜。

每次灌浆，在相邻灌浆嘴冒出浆液后才可以停止灌浆，然后依次灌注，一直到最后一个灌浆嘴冒出浆液。当最后一个灌浆嘴冒出浆液后要持续灌注5～10分钟，以便使浆液充分灌注到裂缝中。灌浆时要注意是灌浆是一个细致而漫长的过程，如果盲目使用增大压力来提高灌浆速度，这将适得其反，还会导致裂缝进一步发展。

需要注意的是，灌浆法对于处理混凝土裂缝是一种有效的手段，但不同的裂缝类型和不同的结构部位可能需要采用不同的处理方法。因此，在实施灌浆处理前，必须仔细分析具体情况，选择合适的灌浆材料和方法。同时，灌浆操作应由经验丰富的专业人员进行，以确保处理质量和效果。

3.2  开槽法修补裂缝

当大体积混凝土裂缝大于0.5mm时，比较适合的裂缝处理方式主要是开槽法修补。开槽法修补裂缝是沿着裂缝的走向开凿一条深槽，然后在槽内嵌补合适的胶凝材料，从而达到封闭裂缝使裂缝不再发展的目的。

首先在大体积混凝土裂缝处开凿一条V字形或梯形的深槽，然后将深槽两边的混凝土表面修理平整，深槽内清洗干净。再使用环氧树脂、水泥、砂按配合比调制好的嵌补材料放入混凝土深槽内进行修补抹平。抹平后及时对材料进行覆盖养护，待修补材料完全终凝后，开始用水养护。

3.3  表面覆盖法修补裂缝

当混凝土裂缝小于0.2mm时，这种裂缝一般是混凝土表面裂缝，对混凝土的性能、使用不产生影响，这时可采用表面覆盖法进行裂缝修补即可。

表面覆盖法修补裂缝，主要是采用聚合物水泥膏、聚合物薄膜、弹性涂抹防水材料等材料涂刷在裂缝表面，以达到封闭裂缝的目的。使用表面覆盖法修补裂缝的时后，第一步要将混凝土沿裂缝周边用钢丝刷将混凝土表面打毛，然后用水冲洗干净打毛面积的表面附着物，等打毛好的混凝土表面充分干燥后，使用环氧树脂沿着打毛好的地方先刷一遍，然后再用修补材料涂覆表面即可。

3.4  混凝土置换法修补裂缝

当混凝土出现较大的贯通裂缝，如果不及时对裂缝进行修复处理，裂缝会随着时间推移发展扩大，就会对混凝构件的安全使用埋下安全隐患。针对此种混凝土裂缝，最有效的办法就是利用混凝土置换法进行裂缝修补。

混凝土置换法修补裂缝，首先要对发生裂缝的地方以人工操作的方法使用工具将裂缝周边已经损坏的混凝土全部剔除，剔除的时候注意不要损害结构里面的钢筋，裂缝两侧混凝土面需做凿毛处理，然后将凿毛部分混凝土面清理干净，再对混凝土剔除部分架立模板，最后使用同类型混凝土浇筑振捣，在收面后进行养护。

5结论

本文通过对大体积混凝土施工过程中裂缝产生的原因进行总结分析，在工程施工中，绝大部分的大体积混凝土裂缝产生的主要原因是混凝土自身收缩徐变和因水化热产生温度而引起的。所以，在施工中，通过对混凝土配合比优化、混凝土入模温度和浇筑后混凝土内外的温度控制以及施工过程中的施工控制，能较好的防止大体积混凝土裂缝的产生。对于已经产生的裂缝，在不影响使用安全和结构安全的情况下，可以利用灌浆法、开槽修补法等技术措施进行修补修饰。大体积混凝土产生裂缝的原因是多方面的，需要在设计、材料选择、施工管理等方面采取综合措施进行预防和控制。

参考文献

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[2] 李巍.大体积混凝土裂缝产生原因及防裂措施[J].研究园地，2014（6）:307-308.

[3] 毕建军.房屋建筑混凝土裂缝施工技术[J].建筑工程技术与设计，2015（11）:1610.

[4] 宋先义.水工构筑物渗漏研究[D].天津大学，2012.

[5] 颜汉虹.鱼嘴长江大桥南锚碇大体积混凝土防裂温度控制技术[J].中国高新技术企业，2011(21):54-56.

[6] 苗战伟.大体积混凝土温度裂缝初探[J].中国房地产业，2010（11）:61-61.

[7] 廖龙.大体积混凝土施工技术[J].中国科技财富业，2010(20):55-57.

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