大体积混凝土概述
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《建筑工程施工实用技术手册》第646页（7610字）
大体积混凝土，一般是指结构的体积较大，又就地浇筑、成型、养护的混凝土。大体积混凝土结构，指水利工程的混凝土大坝、高层建筑的深基础底板、反应堆体、其他重力底座结构物等，这些结构物都是依靠其结构形状、质量和强度来承受荷载的。因此，为了保证混凝土结构物能够满足设计条件和稳定性要求，混凝土必须具备耐久性好、抗渗性强，有足够的强度，满足单位质量要求，施工质量波动大等条件。大体积混凝土所选用的材料、配合比和施工方法等，应与大体积构筑物的规模相适应，并且应是最经济的。
由于大体积混凝土具有结构厚、体形大、所需强度不高、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点，则形成一种特殊的混凝土，这就是体积较大又就地浇筑、成型、养护的混凝土——大体积混凝土。
(一)大体积混凝土的定义与特点
1．大体积混凝土的定义
由于大体积混凝土结构的截面尺寸较大，所以由外荷载引起裂缝的可能性很小。但水泥在水化反应过程中释放的水化热产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用，将会产生较大的温度应力和收缩应力，这是大体积混凝土结构出现裂缝的主要因素。这些裂缝往往给工程带来不同程度的危害，甚至会造成经济上的巨大损失，如何进一步认识温度应力、防止温度变形裂缝的开展，是大体积混凝土结构施工中的一个重大研究课题。
关于大体积混凝土的定义，目前国内外尚无一个统一的规定。美国混凝土学会(ACI)规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大的限度减少开裂。”日本建筑学会标准(JASS5)中规定：“结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土，称之为大体积混凝土。”
关于大体积混凝土的内外温差控制指标，国内至今还没有一个明确、统一的标准。根据日本的施工经验，一般控制在25℃以内。工程实践证明：混凝土的温升和温差与表面系数有关，单面散热的结构断面最小厚度在75cm以上，双面散热的结构断面最小厚度在100cm以上，水化热引起的混凝土内外最大温差预计超过25℃，应按大体积混凝土施工。
由于大体积混凝土工程的条件比较复杂，施工情况各异，再加上混凝土原材料的材性差别较大，因此，控制温度变形裂缝不是单纯的结构理论问题，而是涉及结构计算、构造设计、材料组成、物理力学性能及施工工艺等多学科的综合性问题。目前，新的观点指出：所谓大体积混凝土，是指其结构尺寸已经大到必须采取相应技术措施、妥善处理内外温度差值、合理解决温度应力、并按裂缝开展控制的混凝土。
2．大体积混凝土的特点
大体积混凝土的最主要特点是以大区段为单位进行浇筑施工，每个施工区段的体积比较厚大，由此带来的问题是，水泥水化热引起结构物内部温度升高，冷却时如果不采取一定技术措施控制，则容易出现裂缝。为了防止裂缝的发生，必须采取切实可行的技术措施。如使用水化热较小的水泥，掺加适量的粉煤灰，使用单位水泥用量少的配合比，控制一次浇筑高度和浇筑速度，以及人工冷却控制温度等。
在大体积混凝土设计和施工过程中，首先应掌握混凝土的基本物理力学性能，了解大体积混凝土温度变化所引起的应力状态对结构的影响，认识混凝土材料的一系列特点，掌握温度应力的变化规律。为此，在结构设计上，为改善大体积混凝土的内外约束条件以及结构薄弱环节的补强，提出行之有效的措施；在施工技术上，从原材料选择、配合比设计、施工方法、施工季节的选定和测温、养护等方面，采取一系列的综合性措施，有效地控制大体积混凝土的裂缝；在施工组织上，编制切实可行的施工方案，制定合理周密的技术措施，采取全过程的温度监测。只有这样，才能防止产生温度裂缝，确保大体积混凝土工程的质量。
(二)大体积混凝土的温度变形
混凝土随着温度的变化而发生膨胀或收缩变形，这种变形称为温度变形。对于大体积混凝土，产生裂缝的主要原因是由温度变形而引起的，因此，如何减少和控制大体积混凝土的温度变形是一个重要问题。
混凝土的热膨胀系数为(7～12)×10－6／℃，由于具有热胀冷缩的性质，容易造成混凝土的温度变形，这对大体积混凝土尤其不利。因为混凝土是热的不良导体，散热的速度非常慢，在混凝土浇筑后，由于水泥的水化反应产生大量的水化热，其内部的温度远高于外部的温度，有时甚至相差50～70℃，造成内部膨胀外部收缩，使外表产生很大拉应力而导致开裂。
从混凝土使用集料的品种来看，石英岩的热膨胀系数最大，其次为砂岩、花岗岩、石灰岩。但是，集料的热膨胀系数却低于水泥浆体，在混凝土中集料含量较多时，混凝土的热膨胀系数则较小。
在约束条件下，混凝土浇筑块产生的温差△T引起的温度变形，是温差与热膨胀系数的乘积。当乘积超过混凝土的极限拉伸值时，混凝土则出现裂缝。
对于大体积混凝土的温度控制，主要应考虑三个特征值：混凝土浇筑时温度、混凝土最高温度和混凝土最终稳定温度(或外界气温)。这三个特征值，有的是可以人为控制的，有的取决于气候条件。必须指出，在采取措施防止大体积混凝土裂缝上，应当考虑提高混凝土极限拉伸能力、降低内外温差、降低水泥用量、改善约束条件、掺加混合料和外加剂等。
(三)结构物裂缝的基本概念
水泥混凝土是多种脆性材料组成的非匀质材料，它具有较高的抗压强度、良好的耐久性以及抗拉强度低、抗变形能力差、易开裂等显着特征。大体积混凝土自浇筑开始，就要经受外界环境和其本身各种因素的作用，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。在一般情况下，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，结构物因失去承载能力而破坏。
混凝土的破坏过程是非常复杂的，研究混凝土裂缝的理论很多，如唯象理论、统计理论、构造理论、分子理论和断裂理论等，但这些理论都不能全面、准确、圆满地解释混凝土破裂时的复杂现象。使混凝土产生破坏的应力主要有温度应力、干缩应力、外荷载应力、基础变形应力、膨胀力产生的应力和自生体积变形应力等。
近代混凝土的研究证明，在不同的受力状态下，混凝土的破裂过程，实际上是和“微观裂缝”的发展相关联的。
1．混凝土裂缝的种类
混凝土工程结构的裂缝问题是具有一定普遍性的技术问题。虽然结构物的设计是建立在极限承载力的基础上，但有些工程的使用标准都是由裂缝控制的。因此，按混凝土的裂缝宽度不同，将混凝土裂缝可分为“微观裂缝”和“宏观裂缝”两种。
(1)微观裂缝
20世纪60年代以来，通过混凝土的现代试验研究设备(如各种实体显微镜、X光照相设备等)的观察，可以证实在尚未承受荷载的混凝土结构中存在着肉眼看不见的微观裂缝，其宽度为0．05mm以下。微观裂缝主要有粘着裂缝、水泥石裂缝和集料裂缝三种，如图11－14所示。
图11－14 微观裂缝示意图
1－粘着裂缝；2－水泥石裂缝；3－集料裂缝
1)粘着裂缝，即沿着集料周围出现的集料与水泥石粘结面上的裂缝。
2)水泥石裂缝，即分布于集料之间的水泥浆中水泥石裂缝。
3)集料裂缝，即存在于集料本身的裂缝。
以上三种微观裂缝，以粘着裂缝和水泥石裂缝较多，而集料裂缝较少。
微观裂缝在混凝土中的分布是不规则的，沿截面是不贯穿的。因此，有微观裂缝的混凝土可以承受拉力，但结构物的某些受拉较大的薄弱环节，微观裂缝在拉力作用下，很容易串联贯穿全截面，最终导致较早的断裂。
(2)宏观裂缝
混凝土中宽度不小于0．05mm的裂缝是肉眼可见裂缝，亦称为宏观裂缝。宏观裂缝是微观裂缝不断扩展的结果。
在混凝土工程结构中，由于微观裂缝对防水、防腐、承重等都不会引起危害，所以具有微观裂缝结构则可假定为无裂缝结构。在结构设计中所谓不允许出现裂缝，也是指宽度不大于0．05mm的初始裂缝。由此可见，有裂缝的混凝土是绝对的，无裂缝的混凝土是相对的。
产生宏观裂缝一般有外荷载、次应力和变形变化三种起因，前两者引起裂缝的可能性较小，后者是导致混凝土产生宏观裂缝的主要原因。宏观裂缝又可分为表面裂缝、深层雷锋和贯穿裂缝三种，如图11－15所示。
图11－15 宏观裂缝示意图
(a)表面裂缝；(b)深层裂缝；(c)贯穿裂缝
1)表面裂缝。大体积混凝土在浇筑的初期，由于水泥水化热大量产生，从而使混凝土的温度急剧上升。但由于混凝土表面散热条件较好，热量可以向大气体散发，其温度上升实际比较少；而混凝土内部由于散热条件较差，热量不易内外散发，所以其温度上升较多。混凝土内部温度高、表面温度低，则形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，而表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。
混凝土表面裂缝虽不属于结构性裂缝，但在混凝土收缩时，由于表面裂缝处的断面已被削弱，易产生应力集中现象，能促使裂缝进一步开展。国内外对混凝土表面裂缝的宽度都有相应的规定，如我国的混凝土结构设计规范(GB 10—89)，对钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽度就有明确的规定：室内正常环境下的一般构件为0．3mm；露天或室内高温环境下为0．2mm。
2)深层裂缝。基础约束范围内的混凝土，处在大面积拉应力状态，在这种区域若产生了表面裂缝，则极有可能发展成为深层裂缝，甚至发展成贯穿性裂缝。深层裂缝部分切断了结构断面，具有较大的危害性，施工中是不允许出现的。如果没法避免基础约束区的表面裂缝，若能对混凝土内外温差控制适当，则基本上可避免出现深层裂缝。
3)贯穿裂缝。在大体积混凝土浇筑初期，混凝土处于升温阶段及塑性状态，弹性模量很小，变形变化所引起的应力也很小，所以温度应力一般可忽略不计。混凝土浇筑一定时间后，水泥水化热基本已释放，混凝土从最高温度开始逐渐降温，降温的结果引起混凝土收缩，再加上混凝土中多余水分蒸发等引起的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束，不能自由变形，导致产生拉应力，当该拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，混凝土整个截面就会产生贯穿性裂缝。
贯穿裂缝是危害最大的一种裂缝，它切断了结构的全断面，破坏了结构的整体性、稳定性、耐久性、防水性等，影响结构的正常使用。所以，应当采取一切措施，坚决控制贯穿裂缝的产生。
2．混凝土裂缝产生的原因
大体积混凝土施工阶段产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变，另一方面是结构的外约束和混凝土各质点的约束阻止了这种应变，一旦温度应力超过混凝土能承受的极限抗拉强度，就会产生不同程度的裂缝。总结大体积混凝土产生裂缝的工程实例，产生裂缝的主要原因有以下几个方面：
(1)水泥水化热的影响
水泥在水化反应过程中产生大量的热量，这是大体积混凝土内部温升的主要热量来源，试验证明每克普通硅酸盐水泥放出的热量可达500J。由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在结构内部不易散发，所以会引起混凝土结构内部急骤升温。水泥水化热引起的绝热温升，与混凝土结构的厚度、单位体积的水泥用量和水泥品种等有关。混凝土结构的厚度愈大，水泥用量愈多，水泥早期强度愈高，混凝土结构的内部温升愈快。大体积混凝土测温试验研究表明，水泥水化热在1～3d内放出的热量最多，大约占总热量的50%左右；混凝土浇筑后的3～5d内，混凝土内部的温度最高。
混凝土的导热性能较差，浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很低，对水泥水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力自然也比较小，不会产生温度裂缝。随着混凝土龄期的增长，其弹性模量和强度相应不断提高，对混凝土降温收缩变形的约束也愈来愈强，即产生很大的温度应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗此温度应力时，便容易产生温度裂缝。
(2)内外约束条件的影响
各种混凝土结构在变形变化中，必然受到一定的约束，从而阻碍其自由变形，阻碍变形的因素称为约束条件，约束又分为内约束和外约束。结构产生变形变化时，不同结构之间产生的约束称为外约束，结构内部各质点之间产生的约束称为内约束。外约束又分为自由体、全约束和弹性约束三种。建筑工程中的大体积混凝土，相对水利工程来说(如混凝土大坝)，体积并不算很大，它承受的温差和收缩主要是均匀温差和均匀收缩，故外约束应力占主要地位。
大体积混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时受到下部地基的限制，因而产生外部的约束应力。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀变形受到约束面的约束而产生压应力，此时混凝土的弹性模量很小，徐变和应力松弛均较大，混凝土与基层连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。
在全约束的条件下，混凝土结构的变形应是温差和混凝土线膨胀系数的乘积，即ε=△T·α。当ε超过混凝土的极限拉伸值εp时，混凝土结构便出现裂缝。由于结构不可能受到全约束，况且混凝土还有徐变变形，所以温差在25～30℃情况下，也可能不产生裂缝。由此可见，降低混凝土的内外温差和改善其约束条件，是防止大体积混凝土产生裂缝的重要措施。
(3)外界气温变化的影响
大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土开裂有着重大影响。混凝土的内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；如果外界气温下降，会增加混凝土的温度梯度，特别是气温骤然下降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温差，因而会造成过大的温度应力，易使大体积混凝土出现裂缝。
大体积混凝土由于厚度大，不易散热，其内部温度有的工程竟高达90℃以上，而且持续时间较长。温度应力是由温差引起的变形所造成的，温差愈大，温度应力也愈大。因此，研究和采取合理的温度控制措施，控制混凝土表面温度与外界气温的温差，是防止混凝土裂缝产生的另一个重要措施。
(4)混凝土收缩变形的影响
混凝土收缩变形的影响，主要包括塑性变形和体积变形两个方面。
1)混凝土塑性变形。在混凝土硬化之前，混凝土处于塑性状态，如果上部混凝土的均匀沉降受到限制，如遇到钢筋或大的混凝土集料，或者平面面积较大的混凝土，其水平方向的减缩比垂直方向更难时，就容易形成一些不规则的混凝土塑性收缩性裂缝。这种裂缝通常是互相平行的，间距一般为0．2～1．0m，并且有一定的深度，它不仅可以发生在大体积混凝土中，而且可以发生在平面尺寸较大、厚度较薄的结构构件中。
2)混凝土的体积变形。混凝土在水泥水化过程中要产生一定的体积变形，但多数是收缩变形，少数为膨胀变形。掺入混凝土中的拌合水，约有20%的水分是水泥水化所必需的，其余80%将要逐渐蒸发，最初失去的自由水几乎不引起混凝土的收缩变形，但随着混凝土的不断干燥而使吸附水逸出，就会出现干缩变形。
混凝土干缩变形的机理比较复杂，其主要原因是混凝土内部孔隙水蒸发引起的毛细管应力所致，这种干缩变形在很大程度上是可逆的，即混凝土产生干燥收缩后，如再处于水饱和状态，混凝土还可以膨胀恢复到原来的体积。
除上述干燥收缩外，混凝土还会产生碳化收缩变形即空气中的二氧化碳(CO2)与混凝土中的氢氧化钙[Ca(OH)2]反应生成碳酸钙和水，这些结合水会因蒸发而使混凝土产生收缩变形。