1前言
在新时代下，建筑行业正迎来前所未有的发展机遇，大体积混凝土结构作为现代建筑的重要组成部分，其质量与安全性能逐渐受到社会各界的广泛关注。然而，随着施工技术的日益复杂，大体积混凝土结构裂缝问题逐渐凸显，这不仅影响了建筑物的美观和使用寿命，更对结构的安全性和稳定性构成了潜在威胁。因此，深人探究大体积混凝土结构裂缝的成因，并寻求有效的技术优化措施，已成为建筑行业呕待解决的重要课题。
2工程概况
以某大型水利枢纽工程为研究对象，该工程主体为一座高达105m的重力坝，坝体最大宽度达72m，体积超过100万m3，混凝土用量高达120万t，堪称国内外同类工程之最。坝体采用分段、分层、分块浇筑方式，每层浇筑厚度3m，最大浇筑块体积达1.5万m3，最高日浇筑强度1.2万m3，浇筑完成后采用水循环冷却技术控制混凝土内部温度。
工程于2018年4月开工，2021年10月主体完工，建设周期42个月。受坝址区炎热气候和工期压力影响，坝体混凝土浇筑期间最高气温达38℃，内外温差超过25℃，加之水泥用量大、水化热高，坝体多处出现温度裂缝和收缩裂缝，最大裂缝宽度达2mm，给工程质量和安全带来隐惠。
3大体积混凝土结构裂缝成因分析
3.1材料因素
本大型水利枢纽工程所用水泥为普通硅酸盐水泥，标号为42.5，水泥用量高达180kg/m3远超过常规混凝土水泥用量(120～150kg/m3)，导致水化热显著增大。经测算，混凝土内部峰值温度达65℃，较常温高出30℃以上，形成巨大的温度梯度。与此同时，工程所在区域气温较高，骨料和拌合水温度在30℃～35℃之间，进一步加剧了内外温差。粗骨料采用当地花岗岩碎石，柱状颗粒含量达30%，细长颗粒易于形成应力集中，加之粗骨料最大粒径达150mm，颗粒级配不良，骨料和浆体间易产生微观裂缝。
而细骨料采用天然中砂，含泥量和细度模数均满足规范要求，但砂率偏低（35%），导致混凝土收缩变形加大。
在外加剂方面，采用萘系高效减水剂，掺量1.5%，但缓凝效果有限，不利于控制早期水化热。
3.2配合比设计因素
配合比设计是影响大体积混凝土结构裂缝的重要因素。本工程采用的混凝土配合比为：水泥180kg/m3，粗骨料1200kg/m3，细骨料750kg/m3，减水剂2.7kg/m3，水灰比0.45。这一配合比存在一些问题：首先，水泥用量偏高，导致水化热大，内外温差高达25℃以上，温度应力显著增大。其次，水灰比偏低，混凝土和易性差，振捣不易密实，易产生内部孔洞和微裂缝。再次，砂率偏低(35%），石子用量偏多，混凝土收缩变形加剧。最后，减水剂掺量不足，难以有效降低用水量和水化热。经测算，按此配合比拌制的混凝土，其自生体积变形高达98×10-6，远超75×10-6的规范限值。
3.3施工工艺因素
施工工艺是导致大体积混凝土结构裂缝的关键因素。本工程采用的分段分层分块浇筑方式，虽然有利于控制温度应力，但在实际施工中仍存在诸多问题。首先，在炎热季节施工，混凝土人模温度高达35℃，较规范要求的25℃超标10℃，加剧了内外温差。其次，大体积混凝土浇筑时间长，最大浇筑块用时达28h，而混凝土初凝时间仅为8h，导致新老混凝土层间结合面水化程度差异大，易产生水平裂缝。再次，混凝土振捣时间不足，每点振捣时间不足15s，远低于规范要求的30s，致使混凝土下层夹渣，上层蜂窝麻面，形成薄弱环节。最后，块体表面养护措施不到位，洒水养护不及时，塑料薄膜覆盖不完全，致使表面温度骤降，产生温度应力。经检测，混凝土表面温度与内部温度差高达20℃，最大温度梯度达到0.67℃/cm，远超规范限值0.25℃/cm。
4大体积混凝土结构施工技术优化思路
4.1科学选材，优化混凝土性能
为有效控制大体积混凝土结构裂缝，优化混凝土性能这一点至关重要。首先，在水泥选择方面，应采用中低热水泥，如中热波特兰水泥、低热波特兰水泥和粉煤灰水泥等，以替代普通硅酸盐水泥，这些水泥的水化热相对较低，7d时龄放热量一般在250～300kJ/kg，而普通硅酸盐水泥则高达335kJ/kg甚至以上。通过使用中低热水泥，可有效降低混凝土内部温升，减小温差应力。其次，在骨料选择方面，应优选高质量的粗骨料和细骨料。粗骨料应选用高强度、低吸水率、粒型良好的碎石或卵石，连续级配，最大粒径控制在40mm以内。本工程采用的花岗岩碎石，抗压强度可达150MPa以上，吸水率低于1%，细长颗粒含量不超过15%，均符合大体积混凝土拌合料要求。细骨料应采用细度模数为2.3～3.0的中砂，泥含量低于2%，颗粒洁净，级配良好。再次，在掺合料选用方面，可掺加一定量的粉煤灰、矿渣粉和硅灰等，其可取代部分水泥用量，降低水化热，改善混凝土和易性，提高混凝土抗裂性。如掺加30%的Ⅱ级粉煤灰，可使混凝土断裂韧性提高20%以上。最后，外加剂的合理使用也不可忽视。宜选用聚羧酸系高性能减水剂，在不降低混凝土强度的前提下，可有效降低水胶比，减少水泥用量，从而控制水化热。同时，可适量掺加膨胀剂和抗裂剂，补偿混凝土收缩，提高抗裂能力。
4.2优化配合比设计，改善力学性能
优化配合比设计是改善大体积混凝土力学性能，控制裂缝的重要举措。首要任务是限制水泥用量，降低水化热。本工程原采用的水泥掺量为180kg/m3，拟降至120～140kg/m3，以中热或低热水泥取代部分普通硅酸盐水泥，必要时可掺加粉煤灰等掺合料。同时，严格控制水胶比，将其由原来的0.45降至0.35～0.40之间，在满足工作性的前提下，尽可能降低单位水量。为保证混凝土强度，可采用高效减水剂，掺量宜为1.5%～2.0%。其次，应优化骨料级配，提高砂率。砂率宜由原来的35%提高至45%左右，粗骨料最大粒径由150mm降至80mm，以改善混凝土和易性和密实度。最后，掺加适量膨胀剂和抗裂剂，以补偿收缩，提高抗裂性。膨胀剂掺量宜为6%～8%，抗裂剂掺量为1%～2%。
经试配，按上述要求优化后的混凝土配合比为：水泥130kg/m3粉煤灰50kg/m3，中砂810kg/m3，碎石1090kg/m3，减水剂3.5kg/m3，膨胀剂8.2kg/m3，抗裂剂2.1kg/m3，水胶比0.38。与原配合比相比，优化后的混凝土28d抗压强度提高15%，达到38.5MPa；90d断裂韧性提高25%，达到185N·m；收缩率降低30%，为56×10-6；断裂参数降低20%，为27.2μm/m。由此可见，通过优化配合比设计，可显著改善大体积混凝土的力学性能和抗裂性能，降低裂缝风险。此外，还应注重混凝土拌合物的性能控制，如落度宜控制在160mm～200mm，含气量为3%～5%，泌水率小于0.1mL/cm2，确保混凝土施工性能，减少蜂窝、麻面等缺陷，进一步提高结构质量。
4.3改进施工工艺，减少温度应力
改进施工工艺是减少大体积混凝土温度应力，控制裂缝的有效途径。首先，应合理选择浇筑时间和方式。本工程宜避开7～9月高温季节施工，可安排在夜间进行混凝土浇筑，使入模混凝土温度控制在25℃以内。浇筑应采用分层分块的方式进行，每层厚度不宜超过3m，浇筑块体积应控制在1000m3～1500m3。同时，加强入模混凝土温度管控，可通过添加冰屑、液氮等方式降温，并在运输和浇筑过程中采取保温隔热措施，避免温度骤升。其次，应严格控制混凝土层间间歇时间和振捣时间。混凝土层间间歇时间应控制在45min以内，上下层混凝土初凝时间差不应超过30min，以免层间结合面强度差异过大。振捣时间应根据混凝土落度和振捣设备功率确定，一般宜为30s～60s，插入点间距为振捣器作用半径的1.0～1.5倍，以确保混凝土密实度。再次，应采取有效的混凝土养护措施。拆模后应立即对混凝土表面进行洒水养护，并用塑料薄膜覆盖保湿，7d后方可揭膜，28d内应连续洒水养护。养护用水温度应与混凝土表面温度接近，温差不宜超过5℃。经测算，混凝土表面温度与水温相差10℃时，会在保护层内形成高达1.2MPa的温度应力，而温差控制在5℃以内时，温度应力可降低60%以上。最后，还应在混凝土内部设置冷却水管，采用低温水循环冷却，使混凝土内部最高温度降至45℃以下，温度梯度控制在0.25℃/cm以内。如采用10℃冷却水，间距为1.5m布置冷却管，循环7d后，混凝土内部最高温度可降至38℃，温差梯度可控制在0.18℃/cm，显著降低了温度应力，避免了裂缝产生。
4.4加强温度监测，及时调整施工方案
加强温度监测是动态控制大体积混凝土温度场，及时优化施工方案的重要手段。首先，应科学设置温度监测点。监测点布置应全面覆盖整个坝体，重点关注高度超过3m、体积大于1000m3的浇筑块。在坝体内部，宜按3m左右间距设置监测断面，每个断面按1m×1m的间距布置监测点，并随着施工进度逐层向上布设。同时，在坝体表面和周围环境中也应布置监测点，全面采集温度数据。其次，应采用可靠的温度监测设备。常用的温度传感器包括热电偶、热电阻和光纤测温等，其中铠装热电偶具有测温范围广、精度高、响应快等优点，适用于长期连续监测。传感器应预先埋设在混凝土内部，并与智能化数据采集系统连接，以实现温度数据的自动采集、传输和分析。再次，应根据监测数据及时调整施工方案。利用三维有限元软件，结合实测温度数据对坝体温度场进行模拟分析，预测后续施工中的最高温度和温度梯度。当预测值超过温度控制标准时，应及时采取降温措施，如降低人模温度、加大冷却水量、延长养护时间等，或适当调整施工时序和进度，避免温度峰值叠加。如某坝段实测最高温度达到58℃，且出现两个峰值，预测后续浇筑会出现三个峰值叠加，最高温度可能超过65℃。针对这一情况，施工单位调整了施工方案，将后续浇筑推迟3d进行，同时将冷却水温度由14℃降至8℃，循环流量由5L/min增至8L/min，最终控制最高温度在62℃以内，峰值温差在25℃以内，有效避免了温度裂缝。
4.5合理设置缝隙，释放约束应力
合理设置缝隙是释放大体积混凝土约束应力，防治温度裂缝和收缩裂缝的有效措施。首先，应根据结构特点和施工条件，优化缝隙布置方案。对于长度超过30m或高度超过15m的大体积混凝土结构，宜在长度或高度方向每隔15m～20m设置一道永久性施工缝，将结构分割为若干独立的施工单元，减小单元体积和约束程度。本工程采用纵横向间距20m的矩形网格布置施工缝，形成边长不超过20m的浇筑块体，有效降低了约束应力。其次，应科学确定缝隙的几何参数。缝隙宽度应根据混凝土的收缩性能和温度变形特性确定，一般取0.2mm～0.5mm。缝隙深度应为结构厚度的1/3～1/4，最小不应小于300mm。如某厚度为4m的坝段，施工缝宽度取0.3mm，深度取1m，形成的缝隙面积约占结构横截面积的0.025%，可有效释放约束应力。再次，应采用合适的缝隙填充材料。常用的填充材料有沥青麻絮板、橡胶止水带、PVC胶条等，其中沥青麻絮板具有变形能力强、耐久性好、与混凝土粘结力高等优点，在水工结构中应用广泛。填充材料应在混凝土初凝前压人缝隙，宽度应与缝隙宽度相同，厚度宜为3mm～5mm。如在某厚度为2m的坝段施工缝内填充3mm厚的沥青麻絮板，可有效传递约束应力，避免应力集中导致裂缝。最后，在永久缝隙混凝土面应涂刷界面剂，增强新老混凝土粘结力，并在缝隙两侧适当配置钢筋，控制裂缝开展。
5结论
综上所述，大体积混凝土结构裂缝是工程建设中的常见质量问题，其成因复杂，危害严重。通过对某水利枢纽工程案例进行分析，可以看出，导致裂缝产生的主要因素包括材料水化热高、配合比不合理、施工温度控制不当等。为有效控制裂缝，应从材料选择、配合比设计、施工工艺、温度监测等多方面人手，采取综合治理措施。只有在设计、施工、监测等各环节严格把关，协同发力，才能从根本上提高大体积混凝土结构的施工质量，确保工程安全耐久。返回搜狐，查看更多