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【摘 要】 大体积混凝土具有形体庞大、混凝土数量多、工程条件复杂、施工技术和质量要求较高等特点。如何防止大体积混凝土因水泥水化热引起的温度裂缝，一直是工程技术界长期关心和共同研究的重要课题。本文就这方面问题进行了一些研究。
【关键词】 大体积混凝土；施工；温度应力；温度裂缝；裂缝控制
【中图分类号】 TU712.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）06-035-02
1 大体积混凝土的定义
到底混凝土有多大数量，才能称为大体积混凝土呢？对于大体积混凝土很难下一个确切的定义，但凡属建筑工程大体积混凝土都有一些共同的特征：结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂（一般都是现浇钢筋混凝土超静定结构，多为地下或半地下建筑），施工技术要求高，水泥水化热使结构产生温度和收缩变形，应采取相应的措施，尽可能减少温度变形引起的开裂。因此，大体积混凝土经常出现的问题，不是力学上的结构强度，而是以控制混凝土温度变形裂缝，从而提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能，以提高建筑结构的耐久年限为突出任务。
2 大体积混凝土的开裂
大体积混凝土自浇筑开始，就要受到外界环境和其本身的各种因素的作用使混凝土中任一点的位移和变形不断地变化，从而产生了应力。一般情况下，当应力超过了混凝土的极限强度，或其应力变形超过了混凝土的极限变形值，由混凝土构成的结构物就要产生裂缝。裂缝发展到严重程度，结构因失去承载能力而破坏。而这种破坏力综合起来可分为以下几种：①温度应力。包括混凝土本身水化热产生的和环境温度变化产生的。②干缩应力。由于混凝土的水分扩散系数极小，结构水分散失多发生在混凝土表层很浅的部位，而且拉应力也产生在这个部位。③外荷载应力。包括自重、水压、泥沙压力、地震力、设备重量及其他设计考虑的活荷载等。④基础变形和模板走样产生的应力。而大体积混凝土的开裂主要是由于水化热使混凝土温度升高，其温度扩散缓慢，从而产生较大温差而引起开裂。下面就这个问题进行分析。
3 混凝土温度应力的分析
3.1 温度应力引起的原因。①自生应力：没有任何边界上完全约束或静止的结构，如果内部温度是非线形分布的，由于结构本身互相约束而会出现温度应力。例如桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。②约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土在温度变化时的变形应力。这两种温度应力往往和混凝土的干缩引起的应力共同作用。
3.2 温度应力的形成过程。温度应力的形成过程可分为以下三阶段：①早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般为30d。这个阶段具有两个特征：a.水泥放出大量的水化热；b.混凝土弹性模量的急剧变化，这一时期在混凝土内部形成残余应力。②中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期残余的应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。③晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起的，这些应力与前两种残余应力相叠加。
4 混凝土温度裂缝产生的原因
混凝土中产生温度裂缝的原因比较复杂，主要是混凝土温度发生变化时会在内部或表面产生拉应力，由于混凝土本身是一种脆性和不均匀性的材料，当拉应力大于混凝土的抗拉能力时，即会出现裂缝。
4.1 材料属性方面的原因。在钢筋混凝土中拉应力主要由钢筋承担，混凝土只承受压应力，一般设计中均不要求混凝土土承受拉应力或承受很小的拉应力，但在混凝土内部或钢筋混凝土的边缘部位如果出现了拉应力，则需依靠混凝土自身承担。当这种拉应力过大时，便会形成裂缝。
混凝土中的水分通过水泥水化反应消耗一部分，其余大部分水分将会在混凝土硬化过程中蒸发掉，使得混凝土中存在大量的毛细孔道，由于水分的蒸发使得毛细管中产生毛细管张力，形成混凝土干缩变形，这就是早在60年代就已经被国际建筑界所认可的混凝土表面张力理论。这些变形过大也会导致裂缝的产生。
4.2 外因变化方面的原因。
4.2.1 混凝土硬化时的温度裂缝。在混凝土硬化期间会释放出大量的水化热，混凝土内部温度不断升高，体积膨胀，在表面引起拉应力，由于此时混凝土强度较低，很容易形成裂缝；硬化后期由最高温度冷却到运转时期的稳定温度的降温过程中，体积收缩，由于受到基础本身或已固化混凝土的约束，又会在混凝土内部形成相当大拉应力，尤其是大体积混凝土，有时这种温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，往往形成裂缝，大体积混凝土甚至会形成贯通裂缝。
4.2.2 混凝土表面温度变化形成温度裂缝。在正常使用条件下，当混凝土硬化基本结束后，内部温度便达到基本稳定（变化很小或变化较慢），但表面温度可能发生较大、较快的变化（如养护不周、时干时湿、气温的变化、夏季高温后的雨淋等），导致混凝土表面引起很大的拉应力，由于表面形变受到内部混凝土的约束，往往会导致裂缝。
5 防止温度裂缝的措施
5.1 控制混凝土的施工温度。控制混凝土施工温度的措施有：①改善骨料级配。采取用干硬性混凝土、掺混合料、加引气剂或塑化剂等措施，以减少混凝土中的水泥用量，从而减少水化热、降低混凝土的温度；②降低浇筑温度。在施工气温较高时，采用拌和混凝土时加水或用水将骨料冷却以降低混凝土的浇筑温度或采用夜间浇灌等；③减少浇筑厚度。热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热。
5.2 改善混凝土的约束条件。改善混凝土约束条件的措施主要有：①合理的分缝分块；②避免混凝土过大起伏；③合理地安排施工工序，避免过大的高差和侧面的长期暴露。 5.3 改善混凝土的性能。
5.3.1 混凝土和钢筋混凝土的表面常常发生细而浅的裂缝，其中大多数属于干缩裂缝，虽然这种裂缝一般都较浅，但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。尤其是对于水坝、水塔等重要建筑物。但加筋后结构内的裂缝一般就变的数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且在同等含钢量的情况下，钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土的抗裂性表现较好。
5.3.2 合理使用外加剂。为了防止混凝土开裂、提高混凝土的耐久性，保证工程质量，合理使用外加剂也是有效的措施之一，例如使用减水防裂剂。
通过合理使用混凝土外加剂，可以在保持混凝土强度的情况下，改善混凝土的性能，从而达到防止混凝土开裂的目的。具体分析如下：①水灰比是影响混凝土收缩的重要因素，使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%以上，从而减少混凝土内因水分蒸发形成的毛细孔道，增加混凝土的强度。②水泥用量也是影响混凝土收缩率的重要因素，掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少约15%的水泥用量，其体积可通过增加骨料用量来补充，从而减少水泥的水化热。③减水防裂剂可以改善水泥的稠度，减少混凝土泌水，减少干缩变形。④减水防裂剂可以提高水泥浆本身及水泥浆与骨料的粘结力，从而提高混凝土的抗拉强度、提高混凝土的抗裂性能。
5.4 加强施工管理及混凝土早期养护。
5.4.1 加强工程施工管理。在混凝土的施工中，为提高模板的周转率，往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。在气温较高时，新浇筑混凝土由于水化热的散发，此时混凝土表面温度较气温为高，此时拆除模板，表面温度降低，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力叠加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力会达到很大的数值，出现“温度冲击”现象，就有导致裂缝的危险。为了防止这种情况发生，一方面可以延迟拆模时间，再一方面可以在拆除模板后及时在混凝土表面覆盖轻型保温材料，如泡沫海绵等，可以对防止混凝土表面产生过大的拉应力具有显著效果。
5.4.2 加强混凝土早期养护。实践证明，常见的混凝土裂缝大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成的。在夏季高温时的养护不周及寒冷地区温度骤降都容易形成裂缝。因此说混凝土的及时养护和保温处理对防止表面早期裂缝尤为重要。从温度应力观点出发，应达到下述要求：①防止混凝土内外温度差及混凝土表面温度梯度，防止表面裂缝。混凝土的养护要及时，避免高温时混凝土表面浇水养护。②防止混凝土超冷，应尽量设法是混凝土施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。③防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果：①使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩；②使水泥的水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂性能。
6 结束语
我们应充分利用一切天然的和人工的可能条件，最大限度避免裂缝的发生，提高工程质量。
在今后的工程施工中我们应多进行这方面的探讨研究，使混凝土结构工程更趋于合理、安全。
参考文献
1 叶林昌等主编.大体积混凝土施工.北京：中国建筑工业出版社，1987
2 刘秉京主编.混凝土技术（第二版）.北京：人民交通出版社，2004
3 水利水电科学研究院结构材料研究所主编.大体积混凝土（第二版）.北京：水利水电出版社，1990
4 建筑施工手册（第三版）.编写组.建筑施工手册（第三版）.中国建筑工业出版社，1997.4
5 周敬起等.混凝土结构构造手册.北京：中国建筑工业出版社，1994
6 温钰泉.混凝土养护材料的应用及质量评定.建筑技术，1993（4）
【关键词】 大体积混凝土；施工；温度应力；温度裂缝；裂缝控制
【中图分类号】 TU712.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）06-035-02
1 大体积混凝土的定义
到底混凝土有多大数量，才能称为大体积混凝土呢？对于大体积混凝土很难下一个确切的定义，但凡属建筑工程大体积混凝土都有一些共同的特征：结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂（一般都是现浇钢筋混凝土超静定结构，多为地下或半地下建筑），施工技术要求高，水泥水化热使结构产生温度和收缩变形，应采取相应的措施，尽可能减少温度变形引起的开裂。因此，大体积混凝土经常出现的问题，不是力学上的结构强度，而是以控制混凝土温度变形裂缝，从而提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能，以提高建筑结构的耐久年限为突出任务。
2 大体积混凝土的开裂
大体积混凝土自浇筑开始，就要受到外界环境和其本身的各种因素的作用使混凝土中任一点的位移和变形不断地变化，从而产生了应力。一般情况下，当应力超过了混凝土的极限强度，或其应力变形超过了混凝土的极限变形值，由混凝土构成的结构物就要产生裂缝。裂缝发展到严重程度，结构因失去承载能力而破坏。而这种破坏力综合起来可分为以下几种：①温度应力。包括混凝土本身水化热产生的和环境温度变化产生的。②干缩应力。由于混凝土的水分扩散系数极小，结构水分散失多发生在混凝土表层很浅的部位，而且拉应力也产生在这个部位。③外荷载应力。包括自重、水压、泥沙压力、地震力、设备重量及其他设计考虑的活荷载等。④基础变形和模板走样产生的应力。而大体积混凝土的开裂主要是由于水化热使混凝土温度升高，其温度扩散缓慢，从而产生较大温差而引起开裂。下面就这个问题进行分析。
3 混凝土温度应力的分析
3.1 温度应力引起的原因。①自生应力：没有任何边界上完全约束或静止的结构，如果内部温度是非线形分布的，由于结构本身互相约束而会出现温度应力。例如桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。②约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土在温度变化时的变形应力。这两种温度应力往往和混凝土的干缩引起的应力共同作用。
3.2 温度应力的形成过程。温度应力的形成过程可分为以下三阶段：①早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般为30d。这个阶段具有两个特征：a.水泥放出大量的水化热；b.混凝土弹性模量的急剧变化，这一时期在混凝土内部形成残余应力。②中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期残余的应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。③晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起的，这些应力与前两种残余应力相叠加。
4 混凝土温度裂缝产生的原因
混凝土中产生温度裂缝的原因比较复杂，主要是混凝土温度发生变化时会在内部或表面产生拉应力，由于混凝土本身是一种脆性和不均匀性的材料，当拉应力大于混凝土的抗拉能力时，即会出现裂缝。
4.1 材料属性方面的原因。在钢筋混凝土中拉应力主要由钢筋承担，混凝土只承受压应力，一般设计中均不要求混凝土土承受拉应力或承受很小的拉应力，但在混凝土内部或钢筋混凝土的边缘部位如果出现了拉应力，则需依靠混凝土自身承担。当这种拉应力过大时，便会形成裂缝。
混凝土中的水分通过水泥水化反应消耗一部分，其余大部分水分将会在混凝土硬化过程中蒸发掉，使得混凝土中存在大量的毛细孔道，由于水分的蒸发使得毛细管中产生毛细管张力，形成混凝土干缩变形，这就是早在60年代就已经被国际建筑界所认可的混凝土表面张力理论。这些变形过大也会导致裂缝的产生。
4.2 外因变化方面的原因。
4.2.1 混凝土硬化时的温度裂缝。在混凝土硬化期间会释放出大量的水化热，混凝土内部温度不断升高，体积膨胀，在表面引起拉应力，由于此时混凝土强度较低，很容易形成裂缝；硬化后期由最高温度冷却到运转时期的稳定温度的降温过程中，体积收缩，由于受到基础本身或已固化混凝土的约束，又会在混凝土内部形成相当大拉应力，尤其是大体积混凝土，有时这种温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，往往形成裂缝，大体积混凝土甚至会形成贯通裂缝。
4.2.2 混凝土表面温度变化形成温度裂缝。在正常使用条件下，当混凝土硬化基本结束后，内部温度便达到基本稳定（变化很小或变化较慢），但表面温度可能发生较大、较快的变化（如养护不周、时干时湿、气温的变化、夏季高温后的雨淋等），导致混凝土表面引起很大的拉应力，由于表面形变受到内部混凝土的约束，往往会导致裂缝。
5 防止温度裂缝的措施
5.1 控制混凝土的施工温度。控制混凝土施工温度的措施有：①改善骨料级配。采取用干硬性混凝土、掺混合料、加引气剂或塑化剂等措施，以减少混凝土中的水泥用量，从而减少水化热、降低混凝土的温度；②降低浇筑温度。在施工气温较高时，采用拌和混凝土时加水或用水将骨料冷却以降低混凝土的浇筑温度或采用夜间浇灌等；③减少浇筑厚度。热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热。
5.2 改善混凝土的约束条件。改善混凝土约束条件的措施主要有：①合理的分缝分块；②避免混凝土过大起伏；③合理地安排施工工序，避免过大的高差和侧面的长期暴露。 5.3 改善混凝土的性能。
5.3.1 混凝土和钢筋混凝土的表面常常发生细而浅的裂缝，其中大多数属于干缩裂缝，虽然这种裂缝一般都较浅，但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。尤其是对于水坝、水塔等重要建筑物。但加筋后结构内的裂缝一般就变的数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且在同等含钢量的情况下，钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土的抗裂性表现较好。
5.3.2 合理使用外加剂。为了防止混凝土开裂、提高混凝土的耐久性，保证工程质量，合理使用外加剂也是有效的措施之一，例如使用减水防裂剂。
通过合理使用混凝土外加剂，可以在保持混凝土强度的情况下，改善混凝土的性能，从而达到防止混凝土开裂的目的。具体分析如下：①水灰比是影响混凝土收缩的重要因素，使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%以上，从而减少混凝土内因水分蒸发形成的毛细孔道，增加混凝土的强度。②水泥用量也是影响混凝土收缩率的重要因素，掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少约15%的水泥用量，其体积可通过增加骨料用量来补充，从而减少水泥的水化热。③减水防裂剂可以改善水泥的稠度，减少混凝土泌水，减少干缩变形。④减水防裂剂可以提高水泥浆本身及水泥浆与骨料的粘结力，从而提高混凝土的抗拉强度、提高混凝土的抗裂性能。
5.4 加强施工管理及混凝土早期养护。
5.4.1 加强工程施工管理。在混凝土的施工中，为提高模板的周转率，往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。在气温较高时，新浇筑混凝土由于水化热的散发，此时混凝土表面温度较气温为高，此时拆除模板，表面温度降低，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力叠加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力会达到很大的数值，出现“温度冲击”现象，就有导致裂缝的危险。为了防止这种情况发生，一方面可以延迟拆模时间，再一方面可以在拆除模板后及时在混凝土表面覆盖轻型保温材料，如泡沫海绵等，可以对防止混凝土表面产生过大的拉应力具有显著效果。
5.4.2 加强混凝土早期养护。实践证明，常见的混凝土裂缝大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成的。在夏季高温时的养护不周及寒冷地区温度骤降都容易形成裂缝。因此说混凝土的及时养护和保温处理对防止表面早期裂缝尤为重要。从温度应力观点出发，应达到下述要求：①防止混凝土内外温度差及混凝土表面温度梯度，防止表面裂缝。混凝土的养护要及时，避免高温时混凝土表面浇水养护。②防止混凝土超冷，应尽量设法是混凝土施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。③防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果：①使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩；②使水泥的水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂性能。
6 结束语
我们应充分利用一切天然的和人工的可能条件，最大限度避免裂缝的发生，提高工程质量。
在今后的工程施工中我们应多进行这方面的探讨研究，使混凝土结构工程更趋于合理、安全。
参考文献
1 叶林昌等主编.大体积混凝土施工.北京：中国建筑工业出版社，1987
2 刘秉京主编.混凝土技术（第二版）.北京：人民交通出版社，2004
3 水利水电科学研究院结构材料研究所主编.大体积混凝土（第二版）.北京：水利水电出版社，1990
4 建筑施工手册（第三版）.编写组.建筑施工手册（第三版）.中国建筑工业出版社，1997.4
5 周敬起等.混凝土结构构造手册.北京：中国建筑工业出版社，1994
6 温钰泉.混凝土养护材料的应用及质量评定.建筑技术，1993（4）