神华神东工程项目管理公司，内蒙古鄂尔多斯017209
摘要：大体积混凝土在建筑工程中已普遍应用，随着建筑工程中混凝土体积的不断增大，大体积混凝土的温度裂缝控制研究也成了建筑管理中需重点控制的环节。本文从混凝土裂缝的分类入手，研究了大体积混凝土温度裂缝成因分析，并提出了具体的监控措施。适当的预防及解决大体积混凝土裂缝，促进建筑物结构安全性及耐久性的提升，具有重要的科学意义及经济意义。
关键词：大体积混凝土；温度裂缝；水化热
引言：
伴随建筑规模的持续扩大与建筑构造形式的逐渐繁杂，大体积混凝土已开始广泛使用，与温度应力、温度控制及裂缝控制相关的有很高实践价值的课题研究也越来越多。近年来专家、学者的诸多科学探索及工程人员的实践均证实：构造裂缝是一个根本无法完全避免的问题，因此我们必须将裂缝掌控于质量规范允许的的范围内。系统分析大体积混凝土温度裂缝的产生原因，可采用行之有效的控制措施，提升工程质量水平。
1.1混凝土裂缝的产生机理
1.1.1混凝土裂缝的概念及分类
混凝土是由以下几部分原料依据实验室拟定的配合比构成的复合式材料：①砂、石；②水泥；③水。混凝土普遍有以下特征：①抗压强度非常高；②抗拉强度偏低；③极限拉变力非常小，所以特别容易出现裂缝现象。一般情况下，混凝土裂缝可分成微观裂缝及宏观裂缝两类[1]：
第一，微观裂缝
微观裂缝即肉眼无法看到的裂缝（通常情况下肉眼能够看到的裂缝宽度大概为0.05m）。
微观裂缝展现方式通常有如下几类：
①粘结裂缝：即骨料和水泥粘接面的裂缝，一般出现于骨料附近；
②水泥裂缝：即水泥里的裂缝，通常出现于骨料和骨料间；
③骨料裂缝：即石子原本存在的裂缝。
通常情况下，前两类裂缝出现几率较高，骨料裂缝出现的几率很少。
混凝土里微观裂缝的出现，对混凝土的基础物理力学特性：比方说弹塑性、强度及刚度等均具有不同程度的影响。
混凝土里普遍具有分布欠均匀的微观裂缝，同时此类裂缝并不会漫延到整个截面。通常情况下，具有微观裂缝的混凝土是能够承受拉力的，然而于结构物部分受拉薄弱的地方，微观裂缝在较大拉力影响下，可能将延伸到整个截面。
施加荷载下混凝土内部微裂缝的发展，若受压荷载为极限强度的65%，裂缝将不出现改变；若受压荷载为极限强度的85%，裂缝会逐渐伸展且增大；若受压荷载大于极限强度，裂缝会骤然增多，同时微观裂缝间共同连接，直到结构物被全部损坏[2]。
第二，宏观裂缝
宏观裂缝即宽度不低于0.05m，且人眼能够看到的裂缝。
宏观裂缝可视为是微观裂缝持续延伸的结果，在混凝土构造结构中，鉴于微观裂缝对安全与使用不会带来危害，因此微观裂缝构造通常被看成无裂缝构造。一般于结构设计里所提到的不允许有裂缝构造的存在，即不允许具有宽度大于等于0.05m宏观裂缝构造的存在。
诸多实验结果证实：结构具有的可见裂缝与裂缝延伸而造成构造物出现破坏，都可以视为微观裂缝延伸及增多的结果。就结构物裂缝出现的原因，通常有如下几种：
①因外荷载直接应力造成的裂缝（注：外荷载包括静荷载及动荷载两部分；直接应力也就是根据常规计算的核心应力）；
②因结构次应力造成的裂缝；
③因变形改变造成的裂缝，也就是重点因温差及不均匀沉降等因素生成应力而造成的裂缝。
宏观裂缝是能够避免的，然而并非全部的宏观裂缝均为有害的。研究全球实验资料可知：构造物裂缝宽度通常需控制于如下范围：
①没有腐蚀与抗渗规定，0.3mm；
②轻微腐蚀，没有抗渗规定，0.2mm；
③严重腐蚀，有抗渗规定，0.1mm。
因此，混凝土内部的裂缝是没办法全部避免的，构造规定也只是把裂缝控制于相应的界限。经混凝土亚微观探索观察表示：微观裂缝的出现已然成了混凝土原料本身具有的一大物理特性，微观裂缝后期的延伸程度则为材料受损程度的标识。
第三，裂缝控制宽度限值
各国规范就裂缝宽度限值都有不一样的规定，通常根据构造的性质及构造所居环境拟定，美国ACI所提出的裂缝宽度为0.18mm；法国提出的裂缝宽度为0.27mm；加拿大提出的裂缝宽度为0.064mm；前苏联提出的裂缝宽度即为0.12mm。
我国《混凝土结构设计规范》就裂缝宽度限值的描述，它的构造裂缝掌控等级与最大裂缝宽度限值详情见表1；具体的环境类别划分见表2[3]。
当中，裂缝控制等级划分必须满足如下规定：一级：严格规定不存在裂缝的构造，根据荷载效应标准综合运算结果，构造受拉端部区域混凝土不得生成拉应力；二级，一般规定不存在裂缝的构造，根据荷载效应标准综合运算结果，构造端部区域混凝土拉应力应比混凝土中心抗拉强度标准值小；根据荷载效应长期运算结果，构造受拉端部区域混凝土不应生成拉应力；三级：混凝土允许存在裂缝的构造，根据荷载效应标准并在长期作用时，构造的最大裂缝宽度理应小于表1给出的最大裂缝宽度限值。
1.1.2裂缝产生的原因
混凝土构件于施工与使用时通常需承受两种荷载，不仅包括各类外荷载，也包含各类变形荷载，共称广义荷载。
第一种荷载：主要有永久荷载、风载及雪载等；
第二种荷载：主要有温度收缩及不均匀沉降等。
裂缝出现的关键原因一般有如下几个方面：
其一，原料：例如水泥（非正常凝结及非正常膨胀等）；混凝土添加剂（碱骨料反应生成裂缝等）；骨料（砂子品质较低等）。
其二，施工因素：混凝土搅拌（搅拌时间太长等）；混凝土浇筑（浇筑步骤不恰当等）；养护（初期受冻等），模板变形，太早拆模及保护层厚度不足等。
其三，使用环境：化学层面，比方说酸类物质的化学作用，氧化物侵蚀导致内部钢筋生绣等；物理层面，比方说温湿度的改变，构造两边的温度差，多次冻融，外部加热等。
其四，结构外力，比方说永久荷载与长期荷载；动荷载与短期荷载；构造物的差异沉降；冻胀等。
据了解，于工程实际操作时构造物的裂缝因素，因第一种荷载，即各类外荷载造成的裂缝仅为17%，但是因第二种荷载即变形荷载造成的裂缝达到83%，然而工程实际操作时人们通常会对外荷载造成的裂缝给予充分重视，却忽视了因变形荷载所造成的裂缝。
变形荷载里，温度裂缝是工程实际操作中出现频率较高的，二大体积混凝土的温度裂缝则属于需要重点探讨及解决的问题。
1.2大体积混凝土温度裂缝的成因分析
大体积混凝土的温度裂缝是需重点关注的质量环节，其施工方案的核心及难点即为预防温度裂缝的出现，若想自本质上展开预测及监控裂缝的出现，那我们便理应明晰裂缝出现的原因及机理，从而有效地对裂缝实施控制。
1.2.1水泥水化热的影响
大体积混凝土内部温度的不断提升主要是因为其构成的主要材料即水泥的水热累计，水泥在混凝土中所在的比例及所选水泥的类型均会影响水泥水化热造成的绝热温升。在工程的实际实施中，混凝土内部的峰值温度通常出现于混凝土完成浇筑的三天至五天。混凝土在浇筑刚结束时强度偏小，对水化热累积造成的体积变化的影响较低，温度应力亦非常小。随着时间的延长，其强度会随之上升，对混凝土内外温差造成的变形的制约日益增加，最终造成较大温度应力的产生。若温度应力高于混凝土极限抗拉强度，温度裂缝便会出现[4]。
1.2.2变形约束的影响
混凝土构造出现变形过程中，受到外部条件约束，让其无法自由变形，此约束即约束条件。通常情况下，约束由如下两部分构成：①内约束；②外约束。前者即混凝土内外温差的限制，原因重点系水泥水化热的作用，导致混凝土内部热量难以释放，但是混凝土外部和空气相连，热量散发快，致使混凝土内部的体积膨胀受外部混凝土制约而居于受压情形下，外部混凝土体积紧缩被混凝土内部制约，进而诱发拉应力；后者即大体积混凝土浇筑于自然地基之上，出现较大温度梯度，致使体积发生变化，但受地基制约，生成外部约束应力。因为遭受地基本身的制约，让混凝土居于受压情况下，然而这个时候混凝土强度一般很低，而其生成的徐变及应力松驰却非常大，因此压应力特别小。后期混凝土表面的水泥水化热会逐渐降低，而内部混凝土内部水化热继续积聚，混凝土表面降温大于内部降温，引发拉应力，若拉应力大于最大抗拉强度，温度裂缝便会出现[5]。
1.2.3外界环境的影响
混凝土的内部温度组成为：①浇筑温度；②构造散热降温；③水化热的绝热温升等。浇筑温度会因为外部气温的变化而变化，混凝土中的温度也会因为浇筑温度的改变而出现波动，浇筑温度亦会对混凝土内部温度造成影响：外部气温越高，混凝土浇筑温度便越高。若外部温度降低，将提升混凝土整体的降温水平，但当外部气温骤然降低时，将加剧混凝土的内外温差，容易致使大体积混凝出现裂缝。
一般情况下，混凝土裂缝之所以产生主要是由如下几个因素造成的：①温度成不均匀分布；②构成混凝土的原料本身抗裂能力差。其线膨胀系数通常为1010-6/℃；极限拉伸值通常居于50-10010-6区间内，这个时候允许混凝土之内外温差值即5-10℃[6]。
若现实温差比理论拟定的“允许温差”大，混凝土便可能开裂。然而工程实际操作过程中，大部分工程的温差通常于20-25℃区间内仍没有开裂。这主要是由于构造物并不会遭受绝对限制，且混凝土亦具有徐变及塑性变形，所以拟定的大体积混凝土的允许温差监控标准即通常不大于25℃。
1.2.4混凝土收缩变形的影响
混凝土收缩裂缝通常包括如下几部分：
①塑性收缩。在硬化初期，水泥的水化胶凝造成体积发生改变。塑性变形过程中，对于大体积混凝土，相对于垂直收缩而言，其水平收缩要更困难一些，同时还容易出现部分不规则的塑性收缩裂缝，此类裂缝一般为相互平行，间距基本居于0.2-1.0mm区间内，同时拥有相应的深度，它不但出现于大体积混凝土里，亦可能出现于平面面积特别大、厚度非常薄的混凝土构造里。
②干燥收缩。即因为水泥的脱水收缩，砂、石骨料一般都不收缩，同时还能够制约水泥的收缩，进而降低混凝土收缩几率。混凝土及水泥的干燥过程即其内部水被蒸发掉的过程。水泥里的水通常贮藏于以下部位：其一，孔洞；其二，凝胶孔；其三，毛细孔。在干燥时，最先被蒸发的来自较大孔洞中的水，不过这一过程本就不会引发收缩，随后蒸发的来自毛细孔中的水，从较大孔到较小孔再至更小孔，脱水量慢慢缩减，但是收缩量则慢慢变大，在高温环境里，凝胶孔内部的贮藏水亦可以被蒸发，且造成收缩。所以，在混凝土内部的拌合水，近五分之一的水分是水泥水化反应必需的，接近五分之四的水分是为了满足混凝土的和易性及流动性，此类水分于混凝土硬化末期将随自由水分挥发掉，然而自由水本身不会造成混凝土收缩变形现象出现，但是吸附水的散发却会导致混凝土干燥收缩。
③温差收缩。通常是因为水泥的水化热积聚致使混凝土出现较大变化的温度梯度。鉴于水泥于混凝土中所占比重的升高，其绝热温升最高能够达80℃。实验证实：若混凝土内外温差为10℃，其生成的冷缩值即0.01%；若温差居于20-30℃区间，其冷缩值即0.02-0.03%，如果冷缩值比极限拉伸值大，那便会造成构造开裂。大体积混凝土施工时，温差愈大，温度应力亦愈大，造成混凝土开裂的可能性便愈大。所以，在大体积混凝土施工过程中，探索及选取恰当的温度控制手段，掌控混凝土表面和外部气温的温差，可有效降低出现温度裂缝的几率。
1.3大体积混凝土温度裂缝的监控措施
大体积混凝土结构在工程实施过程时，水泥水化热的迅速释放造成混凝土整体出现温度梯度，并出现较大的温度应力，进而引发混凝土裂缝的出现。所以以下几种措施是解决混凝土产生有害温度裂缝的可行手段：①控制水化热造成的温升；②控制大体积混凝土本身的温度梯度；③控制大体积混凝土降温速率。鉴于材料科学的进步及施工技术的优化，大体积混凝土实施方面亦汇聚了很多经验：①留后浇带；②选取碎冰法使混凝土入模温度下降；③选取微膨胀混凝土延缓干缩等。
1.3.1设计措施
第一，增设钢筋对温度裂缝进行控制。选用直径较小且间距偏大的布筋形式，主要布置在构造边缘位置，并在截面变化位置加密钢筋分布；表面可设置钢筋网片；大体积混凝土底板不仅须符合承载力及构造要求，亦需增设钢筋来控制水泥水化热引起的温度裂缝。
第二，恰当分缝分块。项目施工时，借助增设伸缩缝、后浇带及施工缝，以降低构件的尺寸来减小变形约束，亦能够借助分层浇筑的表面实施散热，较好地促进混凝土内部温度的下降。需注明的一点即：应根据规范要求处理此类接缝，防止出现渗漏现象[7]。
1.3.2施工措施
第一，借助实验等方法明晰材料配合比，低热水泥（例如粉煤灰水泥、矿渣水泥等）属于优先之选，并对砂石骨料里的含泥量实施严格的掌控。
第二，降低进模温度。于搅拌过程中可选用冰水，降低混凝土进模温度，避免在环境温度偏高时浇筑混凝土。
第三，控制内外温差：可借助于混凝土内部预埋散热管的手段降低混凝土内部温度；此外，强化表面保温方法（例如以棉被遮盖等手段减慢表面降温速率，从而使混凝土内外温差小于等于25°C）。
第四，大体积混凝土项目开工前，应拟定恰当可行的技术方法与针对性方案。方案内容通常包括如下部分：①控制浇筑温度；②升温峰值的监控；③明确内外温差应小于等于25°C；④拟定温控施工技术手段。
第五，选取分层浇筑及增设循环冷却水管等手段以促使混凝土内部温度的下降。
第六，加强混凝土保温保湿养护，在不影响后续工序的情形下，可考虑大体积混凝土整体蓄水保湿养护，以水为介质来置换混凝土内部温度，降低混凝土整体的温度梯度。
1.3.3监测措施
浇筑施工前需就混凝土内部温度及温度应力展开预测，提前拟定温度监控手段，对关键的结构部分展开实时温度监控。通常选取于构造物内部设置温度传感器，及时检测构造物内部温度值，随后按照外界温度的改变核算内外温差，再选取恰当的方法以有效地控制温差。
温控施工时，除需展开水泥水化热的检测外，于浇筑时亦需对浇筑温度实施监测。在浇筑结束进入养护过程中需实施监测：①混凝土的降温速度；②混凝土所处的环境温度；③混凝土的内外温差等。此类监测结果可以较好地展现大体积混凝土内部温度改变的现实情况与所选取施工技术手段的效果，给工程技术工作人员选取适合的温控措施提供给了有力的依据。
结束语：大体积混凝土的温度裂缝的控制是工程质量控制的重点环节，通过分析大体积混凝土温度裂缝的产生原因，可拟定针对性措施，包括选用低热的水泥、钢筋网片的合理布置、合适的养护措施等。在施工过程中，实施有效可靠的监控方法，控制大体积混凝土的内外温差，避免混凝土出现大的收缩变形，防止出现不符合要求的温度裂缝。
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制.[M].:中国建筑工业出版社,1997.
[2]王铁梦.钢筋混凝土结构的裂缝控制.[M].中国冶金建筑研究总院,2000.
[3]混凝土结构设计规范(GB50010-2010).[S].中国建筑工业出版社,2010.
[4]富文权,韩素芳.混凝土工程裂缝分析与控制.[M].中国铁道出版社,2002.
[5]刘江南,唐春.混凝土墙板的水化热温升浅探.[J].南昌水专学报,2000,19(1):13-17.
[6]杨碧华,李惠强.早龄期大体混凝土温度应力与裂缝的关系.[J],华中科技大学学报（城市科学版）,2002,19(4):76-77.
[7]彭立海,阎士勤,张春生,翟建.大体积混凝土温控与防裂.[M].黄河水利出版社.2005.