混凝土裂缝的形成和控制标准

混凝土结构物的裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝是指那些肉眼看不见的裂缝，主要有三种，一是骨料与水泥石粘合面上的裂缝，称为粘着裂缝；二是水泥石中自身的裂缝，称为水泥石裂缝；三是骨料本身的裂缝，称为骨料裂缝。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则、不贯通的。反之，肉眼看得见的裂缝称为宏观裂缝，这类裂缝的范围一般不小于0.05mm。宏观裂缝是微观裂缝扩展而来的。因此在混凝土结构中裂缝是绝对存在的，只是应将其控制在符合规范要求范围内，以不致发展到有害裂缝。

1 混凝土裂缝产生的主要原因

混凝土结构的宏观裂缝产生的原因主要有三种，一是由外荷载引起的，这是发生最为普遍的一种情况，即按常规计算的主要应力引起的；二是结构次应力引起的裂缝，这是由于结构的实际工作状态与计算假设模型的差异引起的；三是变形应力引起的裂缝，这是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。

当混凝土结构物产生变形时，在结构的内部、结构与结构之间，都会受到相互影响、相互制约，这种现象称为约束。当混凝土结构截面较厚时，其内部温度和湿度分布不均匀，引起内部不同部位的变形相互约束，这样的约束称之为内约束；当一个结构物的变形受到其他结构的阻碍所受到的约束称为外约束。外约束又可分为自由体、全约束和弹性约束。建筑工程中的大体积混凝土结构所承受的变形，主要是因温差和收缩而产生的。

建筑工程中的大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。这种裂缝有表面裂缝和贯通裂缝两种。表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同，温度外低内高，形成了温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力，超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。这两种裂缝不同程度上，都属有害裂缝。

高强度的混凝土早期收缩较大，这是由于高强混凝土中以30%~60%矿物细掺合料替代水泥，高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1%~2%，水胶比为0.25~0.40，改善了混凝土的微观结构，给高强混凝土带来许多优良特性，但其负面效应最突出的是混凝土收缩裂缝几率增多。高强混凝土的收缩，主要是干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、化学收缩和自收缩。混凝土初现裂纹的时间可以作为判断裂纹原因的参考：塑性收缩裂纹大约在浇筑后几小时到十几小时出现；温度收缩裂纹大约在浇筑后2到10d出现；自收缩主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天；干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。

干燥收缩：当混凝土在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水时，就会产生干缩，高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低，故干缩率也低。

塑性收缩：塑性收缩发生在混凝土硬化前的塑性阶段。高强混凝土的水胶比低，自由水分少，矿物细掺合料对水有更高的敏感性，高强混凝土基本不泌水，表面失水更快，所以高强混凝土塑性收缩比普通混凝土更容易产生。

自收缩：密闭的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，因而引起混凝土的自收缩。高强混凝土由于水胶比低，早期强度较快的发展，会使自由水消耗快，致使孔体系中相对湿度低于80%，而高强混凝土结构较密实，外界水很难渗入补充，导致混凝土产生自收缩。高强混凝土的总收缩中，干缩和自收缩几乎相等，水胶比越低，自收缩所占比例越大。与普通混凝土完全不同，普通混凝土以干缩为主，而高强混凝土以自收缩为主。

温度收缩：对于强度要求较高的混凝土，水泥用量相对较多，水化热大，温升速率也较大，一般可达35~40℃，加上初始温度可使最高温度超过70~80℃。一般混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃，当温度下降20~25℃时造成的冷缩量为2~2.5×10-4，而混凝土的极限拉伸值只有1~1.5×10-4，因而冷缩常引起混凝土开裂。

化学收缩：水泥水化后，固相体积增加，但水泥-水体系的绝对体积则减小，形成许多毛细孔缝，高强混凝土水胶比小，外掺矿物细掺合料，水化程度受到制约，故高强混凝土的化学收缩量小于普通混凝土。

当混凝土发生收缩并受到外部或内部约束时，就会产生拉应力，并有可能引起开裂。对于高强混凝土虽然有较高的抗拉强度，可是弹性模量也高，在相同收缩变形下，会引起较高的拉应力，而由于高强混凝土的徐变能力低，应力松弛量较小，所以抗裂性能差。

2 大体积混凝土裂缝控制的计算

2.1 大体积混凝土温度计算公式

2.1.1最大绝热温升（二式取其一）

（1）Th＝（mc＋k·F）Q/c·ρ

（2）Th＝mc·Q/c·ρ（1－e-mt）       （1）

式中  Th——混凝土最大绝热温升（℃）；

mc——混凝土中水泥（包括膨胀剂）用量（kg/m3）；

F——混凝土活性掺合料用量（kg/m3）；

K——掺合料折减系数。粉煤灰取0.25~0.30；

Q——水泥28d水化热（kJ/kg）查表10-81；

不同品种、强度等级水泥的水化热  表1

ρ——混凝土密度、取2400（kg/m3）；

e——为常数，取2.718；

t——混凝土的龄期（d）；

m——系数、随浇筑温度改变。查表2。

系数m  表2

T1（t）＝Tj＋Th·ξ（t）

式中  T1（t）——t龄期混凝土中心计算温度（℃）；

Tj——混凝土浇筑温度（℃）；

ξ（t）——t龄期降温系数、查表3。

降温系数ξ  表3

浇筑层厚度

（1）保温材料厚度（或蓄水养护深度）

δ＝0.5h·λx（T2－Tq）Kb/λ（Tmax－T2）  （2）

式中  δ——保温材料厚度（m）；

λx——所选保温材料导热系数[W/（m·K）]查表4；

几种保温材料导热系数  表4

Tq——施工期大气平均温度（℃）；

λ——混凝土导热系数，取2.33W/（m·K）；

Tmax——计算得混凝土最高温度（℃）；

计算时可取T2－Tq＝15~20℃

Tmax＝T2＝20~25℃

Kb——传热系数修正值，取1.3~2.0，查表5。

传热系数修正值  表5

2．K2值为刮大风情况。

（2）如采用蓄水养护，蓄水养护深度

hw＝x·M（Tmax－T2）Kb·λw/（700Tj+0.28mc·Q）    （3）

式中  hw——养护水深度（m）；

x——混凝土维持到指定温度的延续时间，即蓄水养护时间（h）；

M——混凝土结构表面系数（1/m），M＝F/V；

F——与大气接触的表面积（m2）；

V——混凝土体积（m3）；

Tmax－T2——一般取20~25（℃）；

Kb——传热系数修正值；

700——折算系数[kJ/（m3·K）]；

λw——水的导热系数，取0.58[W/（m·K）]。

（3）混凝土表面模板及保温层的传热系数

β＝1/[Σδi/δi＋1/βq]    （4）

式中  β——混凝土表面模板及保温层等的传热系数[W/（m2·K）]；

δi——各保温材料厚度（m）；

λi——各保温材料导热系数[W/（m·K）]；

βq——空气层的传热系数，取23[W/（m2·K）]。

（4）混凝土虚厚度

h'＝k·λ/β    （5）

式中  h'——混凝土虚厚度（m）；

k——折减系数，取2/3；

λ——混凝土导热系数，取2.33[W/（m·K）]。

（5）混凝土计算厚度

H＝h＋2h'    （6）

式中  H——混凝土计算厚度（m）；

h——混凝土实际厚度（m）。

（6）混凝土表层温度

T2（t）＝Tq＋4·h'（H－h'）[T1（t）－Tq]/H2    （7）

式中  T2（t）——混凝土表面温度（℃）；

Tq——施工期大气平均温度（℃）；

h'——混凝土虚厚度（m）；

H——混凝土计算厚度（m）；

T1（t）——混凝土中心温度（℃）。

2.1.4混凝土内平均温度

Tm（t）＝[T1（t）＋T2（t）]/2    （8）

2.2 应力计算公式

2.2.1地基约束系数

（1）单纯地基阻力系数Cx1（N/mm3），查附表6；

单纯地基阻力系数Cx1（N/mm3）  表6

Cx2＝Q/F    （9）

式中  Cx2——桩的阻力系数（N/mm3）；

Q——桩产生单位位移所需水平力（N/mm）；

当桩与结构铰接时 Q＝2E·I〔KnD/（4E·I）]3/4

当桩与结构固接时 Q＝4E·I［KnD/（4E·I）]3/4

E——桩混凝土的弹性模量（N/mm2）；

I——桩的惯性矩（mm4）；

Kn——地基水平侧移刚度，取1×10-2（N/mm3）；

D——桩的直径或边长（mm）；

F——每根桩分担的地基面积（mm2）。

（3）大体积混凝土瞬时弹性模量

E（t）＝E0（1－e-0.09t）    （10）

式中  E（t）——龄期混凝土弹性模量（N/mm2）；

E0——28d混凝土弹性模量（N/mm2），查附表7；

混凝土常用数据  表7

t——龄期（d）。

（4）地基约束系数

β（t）＝（Cx1＋Cx2）/h·E（t）    （11）

式中  β（t）——t龄期地基约束系数（1/mm）；

h——混凝土实际厚度（mm）；

Cx1——单纯地基阻力系数（N/mm3），查表10-86；

Cx2——桩的阻力系数（N/mm3）；

E（t）——t龄期混凝土弹性模量（N/mm2）。

2.2.2混凝土干缩率和收缩当量温差

（1）混凝土干缩率

εY（t）＝ε0Y（l-e-0.01t）M1·M2…M10    （12）

式中  εY（t）——t龄期混凝土干缩率；

ε0Y——标准状态下混凝土极限收缩值，取3.24×10-4；

M1·M2…M10——各修正系数，查表8。

修正系数M1-M10  表8

Ea、Fa——钢筋的弹性模量、截面积；Eb、Fb——混凝土弹性模量、截面积。

（2）收缩当量温差

TY（t）＝εY（t）/α    （13）

式中  TY（t）——t龄期混凝土收缩当量温差（℃）；

α——混凝土线膨胀系数，1×10-5（1/`C）。

2.2.3结构计算温差（一般3d划分一区段）

ΔTi＝Tm（i）―Tm（i+3）＋TY（i+3）―TY（i）    （14）

式中  ΔTi——i区段结构计算温差（℃）；

Tm（i）——i区段平均温度起始值（℃）；

Tm（i+3）——i区段平均温度终止值（℃）；

TY（i+3）——i区段收缩当量温差终止值（℃）；

TY（t）——i区段收缩当量温差始始值（℃）。

2.2.4各区段拉应力

    （15）

式中  σi——i区段混凝土内拉应力（N/mm2）；

——i区段平均弹性模量（N/mm2）；

——i区段平均应力松弛系数，查表9；

松弛系数S（t）  表9

L——混凝土最大尺寸（mm）；

ch——双曲余弦函数。

2.2.5到指定期混凝土内最大应力

    （16）

式中  σmax——到指定期混凝土内最大应力（N/mm2）；

ν——泊桑比，取0.15。

2.2.6安全系数

K＝ft/σmax    （7）

式中  K——大体积混凝土抗裂安全系数，应≥1.15；

ft——到指定期混凝土抗拉强度设计值（N/mm2）。

2.3平均整浇长度（伸缩缝间距）

2.3.1混凝土极限拉伸值

εp＝7.5ft（0.1＋μ/d）10-4（lnt/ln28）    （18）

式中  εp——混凝土极限拉伸值；

ft——混凝土抗拉强度设计值（N/mm2）；

μ——配筋率（％），μ＝Fa/Fc；

d——钢筋直径（mm）；

ln——以e为底的对数；

t——指定期龄期（d）；

Fa——钢筋截面积（rn2）；

Fc——混凝土截面积（m2）。

2.3.2平均整浇长度（伸缩缝间距）

    （19）

式中  [Lcp]——平均整浇长度（伸缩缝间距）（mm）；

h——混凝土厚度（mm）；

E（t）——指定时刻混凝土弹性模量（N/mm2）；

Cx——地基阻力系数（N/mm3），Cx＝Cx1＋Cx2；

arch——反双曲余弦函数；

△T——指定时刻的累计结构计算温差（℃）。

3 大体积混凝土控制温度和收缩裂缝的技术措施

为了有效地控制有害裂缝的出现和发展，必须从控制混凝土的水化升温、延缓降温速率、减小混凝土收缩、提高混凝土的极限拉伸强度、改善约束条件和设计构造等方面全面考虑，结合实际采取措施。

3.1降低水泥水化热和变形

3.1.1选用低水化热或中水化热的水泥品种配制混凝土，如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰水泥、复合水泥等。

3.1.2充分利用混凝土的后期强度，减少每立方米混凝土中水泥用量。根据试验每增减10kg水泥，其水化热将使混凝土的温度相应升降1℃。

3.1.3使用粗骨料，尽量选用粒径较大、级配良好的粗细骨料；控制砂石含泥量；掺加粉煤灰等掺合料或掺加相应的减水剂、缓凝剂，改善和易性、降低水灰比，以达到减少水泥用量、降低水化热的目的。

3.1.4在基础内部预埋冷却水管，通入循环冷却水，强制降低混凝土水化热温度。

3.1.5在厚大无筋或少筋的大体积混凝土中，掺加总量不超过20%的大石块，减少混凝土的用量，以达到节省水泥和降低水化热的目的。

3.1.6在拌合混凝土时，还可掺入适量的微膨胀剂或膨胀水泥，使混凝土得到补偿收缩，减少混凝土的温度应力。

3.1.7改善配筋。为了保证每个浇筑层上下均有温度筋，可建议设计人员将分布筋做适当调整。温度筋宜分布细密，一般用φ8钢筋，双向配筋，间距15cm。这样可以增强抵抗温度应力的能力。上层钢筋的绑扎，应在浇筑完下层混凝土之后进行。

3.1.8设置后浇缝。当大体积混凝土平面尺寸过大时，可以适当设置后浇缝，以减小外应力和温度应力；同时也有利于散热，降低混凝土的内部温度。

3.2降低混凝土温度差

3..2.1选择较适宜的气温浇筑大体积混凝土，尽量避开炎热天气浇筑混凝土。夏季可采用低温水或冰水搅拌混凝土，可对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷，或对骨料进行覆盖或设置遮阳装置避免日光直晒，运输工具如具备条件也应搭设避阳设施，以降低混凝土拌合物的入模温度。

3.2.2掺加相应的缓凝型减水剂，如木质素磺酸钙等。

3.2.3在混凝土入模时，采取措施改善和加强模内的通风，加速模内热量的散发。

3.3 加强施工中的温度控制

3.3.1在混凝土浇筑之后，做好混凝土的保温保湿养护，缓缓降温，充分发挥徐变特性，减低温度应力，夏季应注意避免曝晒，注意保湿，冬期应采取措施保温覆盖，以免发生急剧的温度梯度发生。

3.3.2采取长时间的养护，规定合理的拆模时间，延缓降温时间和速度，充分发挥混凝土的“应力松弛效应”。

3.3.3加强测温和温度监测与管理，实行信息化控制，随时控制混凝土内的温度变化，内外温差控制在25℃以内，基面温差和基底面温差均控制在20℃以内，及时调整保温及养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不至过大，以有效控制有害裂缝的出现。

3.3.4合理安排施工程序，控制混凝土在浇筑过程中均匀上升，避免混凝土拌合物堆积过大高差。在结构完成后及时回填土，避免其侧面长期暴露。

3.4 改善约束条件，削减温度应力

3.4.1采取分层或分块浇筑大体积混凝土，合理设置水平或垂直施工缝，或在适当的位置设置施工后浇带，以放松约束程度，减少每次浇筑长度的蓄热量，防止水化热的积聚，减少温度应力。

3.4.2对大体积混凝土基础与岩石地基，或基础与厚大的混凝土垫层之间设置滑动层，如采用平面浇沥青胶铺砂、或刷热沥青或铺卷材。在垂直面、键槽部位设置缓冲层，如铺设30 ~50mm厚沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料，以消除嵌固作用，释放约束应力。

3.5提高混凝土的极限拉伸强度

3.5.1选择良好级配的粗骨料，严格控制其含泥量，加强混凝土的振捣，提高混凝土密实度和抗拉强度，减小收缩变形，保证施工质量。

3.5.2采取二次投料法，二次振捣法，浇筑后及时排除表面积水，加强早期养护，提高混凝土早期或相应龄期的抗拉强度和弹性模量。

3.5.3在大体积混凝土基础内设置必要的温度配筋，在截面突变和转折处，底、顶板与墙转折处，孔洞转角及周边，增加斜向构造配筋，以改善应力集中，防止裂缝的出现。