大体积混凝土足尺模型试件早期裂缝原因分析

时间：2024-09-30

徐可，杨静，赵娟，纪宪坤

（1. 武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430083；2. 武汉源锦建材科技有限责任公司，湖北武汉 430083）

0 前言

近年来，随着混凝土工程规模及体量的不断扩大，混凝土裂缝问题也越来越突出。大体积混凝土结构由于其结构尺寸大，导致一次施工方量大、混凝土水化温升高等，其出现开裂的几率要比其他类型的混凝土结构更高[1]。同时，由于影响混凝土结构开裂的因素涵盖设计、施工、材料等多个方面[2]，且裂缝出现后，大多只能收集裂缝的长度及走向等信息，对于裂缝的深度及内部扩展情况，若不经过钻芯取样通常很难收集[3]，也因此很难准确地判定某一种裂缝出现的具体原因，给工程技术人员控制混凝土裂缝带来了极大的困惑[4]。

本文基于某质子肿瘤医院实体混凝土浇筑前期的足尺模型试件的具体开裂情况，结合裂缝出现的时间、裂缝分布情况以及钻芯取样的裂缝内部扩展情况，分析了该足尺模型试件出现裂缝的具体原因，并给出了针对该类大体积混凝土结构裂缝控制的措施建议，以期为同类混凝土工程提供指导及参考意义。

1 模型信息

1.1 模型尺寸

本项目占地面积约为 46214m2，总建筑面积约 33687m2，其中主楼建筑面积约 33687m2，系框架—剪力墙体系，地下一层，地上三层，建筑高度为 23.2m。是一所质子放射治疗恶性肿瘤的医院，其中质子装置区建成后将放置包括回旋加速器，3 个旋转治疗舱，1 个固定束治疗舱，1 个科学试验室。

该项目足尺模型试验是在主体工程施工之前，参考项目质子区防辐射混凝土侧墙最大厚度及配筋情况（见图 1），确定模型尺寸为 4.4m×4.4m×4.4m，通过该模拟试验，对混凝土配合比进行验证并优化，为混凝土供应和施工方案编制提供依据。

图1 模型试块钢筋布置图

1.2 混凝土配合比

（1）水泥为 P·O42.5，细度为 325m2/kg，28d 胶砂抗压强度 49.8MPa。

（2）粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，细度为 17.8%，需水量比 98%，烧失量 2.1%。

（3）粗骨料为 5～16mm 与 16～31.5mm 按照质量比 2:8 配制的二级配碎石。

（4）细骨料为二级配中砂，细度模式为 3.3，表观密度为 2590kg/m3，堆积密度为 1650kg/m3，含泥量 0.5%。

（5）减水剂选用固含为 17.9%、减水率为 21.5% 的高性能聚羧酸减水剂。

实际工程为大体积混凝土，因此混凝土配合比设计采用大掺量矿物掺合料的设计思路，以 60d 龄期混凝土强度作为验收强度，混凝土配合比见表 1，实测混凝土坍落度 (180±20)mm，和易性良好。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.3 混凝土性能检测

1.3.1 限制膨胀率

浇筑时留置了两组限制膨胀率的试块，一组放在现场同条件养护，一组放在 20℃ 室温水养，测试 28d 内的混凝土限制膨胀率，结果如表 2。

表2 混凝土限制膨胀率测试结果 %

两种养护条件下的膨胀率可知，该项目混凝土均能产生持续地补偿收缩作用。

1.3.2 混凝土力学性能

混凝土的力学性能具体检测结果如表 3 所示。

表3 混凝土 28d 龄期力学性能检测结果 MPa

在标准及同条件情况下，28d 龄期混凝土的立方体抗压强度均满足设计 C35 强度等级要求。

2 模型试件浇筑及养护

2.1 浇筑

采用分层浇筑的方法，每层厚度约 500mm，要求保证第一层混凝土初凝前进行第二层混凝土浇筑，同时控制混凝土入模温度≤30℃，但实际各车混凝土的浇筑时间如表 4。

表4 混凝土浇筑记录表

从表 4 可知：混凝土入模温度除第一车停留时间过长造成出机温度大于 30℃ 以外，其他均满足控制要求。但每车混凝土浇筑完成后的间隔时间超过了 10min，甚至个别超过了 25min。对于夏季施工的大体积混凝土浇筑，过长的间隔极易形成施工冷缝，同时上层混凝土浇筑时极易对下层混凝土产生扰动，造成混凝土开裂。

2.2 振捣

原规定每隔 300mm 为一个振捣点进行连续振捣，并要求插入到下层尚未初凝的混凝土中约 50～ 100mm，每一振点的振捣延续时间 30s，插点间距为 300～400mm。在浇筑最下部 1～3 层时，由于距离上表面较远，且夜间施工下部混凝土振捣很难贯穿，在距离模板最近的混凝土保护层部位，由于其间距要小于振捣棒的直径，保护层部位无法直接振捣。

2.3 收光

模板内混凝土浇筑平后，要用长刮尺将混凝土刮平，用塑料木抹打磨（将混凝土中石子压下去），用铁板第一次收光，等混凝土初凝时（人踩上去有 10mm 左右脚印为宜），用塑料木抹打磨吊浆，再次用长刮尺将混凝土刮平，木抹打磨，铁板收光，视混凝土强度情况，第三次铁板收光。

2.4 养护

混凝土浇筑面二次抹压完成后，混凝土养护主要是保温保湿养护，保温养护能减少混凝土表面的热扩散，减少混凝土表面的温差，防止产生表面裂缝。保温养护还能控制混凝土内外温差，防止因温差过高产生贯穿裂缝。保湿养护能防止混凝土表面脱水而产生表面干缩裂缝，再者能使水泥水化顺利进行，提高混凝土的极限拉伸强度。

带模养护 7d 后拆除侧模，其后覆盖 5mm 厚毛毡土工布，如遇高温可采用温水养护。毛毡土工布幅边之间搭接宽度不少于 10cm，防止有覆盖不到位。

3 裂缝统计与分析

3.1 裂缝统计

浇筑完成后的第 8 天拆模完成，拆模后未出现贯穿性收缩裂缝，但构件下半部分（距离底面 1.7m 以内）出现较多水平向的短裂纹，在试件 4 面距离地面 1.7m 范围内均出现了一定数量的水平短裂纹，采用裂缝测宽仪进行裂缝具体信息测量，测得各面混凝土裂缝信息如表 5。

表5 混凝土裂纹信息表

由表 5 可知：该模型试件早期产生的水平向的裂缝均不属于连通性裂缝，裂缝的长度及深度相对于整个模型试件的长度及厚度均较小，且都是在拆模前出现的，说明这类裂缝并非是由于材料的收缩产生的，且没有出现贯穿性的温度裂缝，可以判定与浇筑施工的关系较大。

各混凝土面的裂缝分布图如图 2 所示。大部分的裂缝以横向为主，且不连续，裂缝均是位于螺杆下方或螺杆与螺杆相连接，说明裂缝的产生与螺杆有着一定的联系，螺杆一方面可能造成对模板和混凝土的扰动，一方面对混凝土的沉降造成阻隔作用，特别是这种端头型的螺杆。

图2 螺杆橡胶垫下侧月牙形裂缝

3.2 裂缝分类

根据裂缝出现的位置及特点，本实体构件出现的局部裂缝主要分为 3 类，具体如下：

（1）位于对拉螺杆橡胶垫下侧月牙形裂纹，如图 3 所示。

图3 螺杆橡胶垫下侧月牙形裂缝

位于对拉螺杆橡胶垫下方 5～10cm，裂缝长度 10～18cm 不等，裂缝宽度 0.2～1mm 之间，深度 10～ 30mm 之间，此种裂缝数量最多，占总数的一半左右。

（2）对拉螺杆橡胶垫处延伸型及连接型裂纹，如图 4 所示。

图4 螺杆橡胶垫处裂缝

位于对拉螺杆橡胶垫处，一种是从橡胶垫处横向延伸发展长度在 5～10cm 之间，裂缝宽度为如图 2 北侧面中编号 6，8，9，10 类型，裂缝长度为 3～17cm 之间，宽度为 0.3～0.8mm 之间，深度为 15～30mm 之间；另一种是从一个橡胶垫处延伸至另一个橡胶垫处的连接型裂纹，如图 2 西侧面编号为 3，4，6，7 的裂纹，裂缝长度为 15～30cm 之间，宽度为 0.2～0.45mm 之间，深度为 14～30mm 之间。

（3）墙角边缘斜向 30° 裂缝，如图 5 所示。

图5 墙角处裂缝

图5 为试块西北角，北面西面两条裂缝是连通的，距离地面高度在 88～95mm。此种裂缝只出现在西北角和东北角大概 90cm 处，数量最少，宽度 0.5～2mm 之间，较宽，深度 20～35mm 不等，典型形式如图 2 东侧面编号 9 的裂缝。

3.3 裂缝原因分析

为探究各类裂缝的具体开裂原因，试件浇筑龄期 28d 后选取 3 类典型裂缝处进行了钻芯取样，以更直观地了解内部裂缝的发展情况。

第 1 类裂缝钻芯选择为南侧混凝土表面编号 2 为裂缝，具体位置如图 2 分布图，钻芯前及钻芯后裂缝情况如图 6 所示。

图6 裂缝钻芯前后图片

该部分混凝土受到上部螺杆橡胶垫阻隔，造成下部骨料少、浆料多，如破开后混凝土内部图 6 所示，由于该部分混凝土位于保护层位置，不易振捣，在横向钢筋及螺杆橡胶垫的阻隔随着上部浇筑不断增加，下部骨料沉降过大产生的骨料沉降裂缝。

第 2 类裂缝钻芯选择为西侧混凝土表面编号为 7 的裂纹，具体位置如图 2 分布图，钻芯前及钻芯后裂缝情况如图 7 所示。

图7 钻芯后裂缝图

从钻芯后的结果可知：该类裂缝主要发生在保护层厚度位置，裂缝深度只到最外侧钢筋处，且裂缝均是绕着骨料的浆体层开裂，说明裂缝主要是在早期混凝土终凝前基本易出现了，主要原因在于该部分混凝土由于振捣较困难，钢筋与混凝土或粗大骨料与浆体界面处形成的骨料沉降不均，以及施工浇筑上下层时，间隔时间过长，上层混凝土的振捣对下层已接近终凝的混凝土产生了一定的扰动，这种扰动包括对钢筋和对混凝土本身，从而引起的连接螺杆以及沿最外层水平钢筋的裂缝。

第 3 类裂缝钻芯选择为东侧混凝土表面编号为 9 的裂纹，具体位置如图 2 分布图，钻芯前及钻芯后裂缝情况如图 8 所示。

图8 钻芯后内裂缝及芯样裂缝图

该类裂缝情况与第二类裂缝产生原因较为类似，主要原因为该部分裂缝位于试件下部，夜间施工，振捣困难，且存在振捣盲区，在钢筋与混凝土界面位置存在无法振捣或不充分的情况，在受到钢筋阻隔及上层浇筑、振捣对钢筋、拉杆及模板扰动的情况下，由于骨料不均匀沉降及而产生的裂缝。