淺析橋梁工程中大體積混凝土裂縫的成因及預(yù)防

摘 要：本文首先了分析了水泥水化熱、混凝土收縮以及外界氣溫濕度等因素對(duì)橋梁工程中大體積混凝土裂縫出現(xiàn)的影響，然后從混凝土水泥的種類及用量、外料及外加劑的添加以及混凝土施工方面論述了預(yù)防混凝土裂縫的措施。

關(guān)鍵詞：橋梁工程 大體積混凝土 裂縫 原因 措施 預(yù)防

中圖分類號(hào)：U445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（c）-0034-02

隨著橋梁技術(shù)發(fā)展速度的加快，大體積混凝土應(yīng)用于橋梁的程度也逐漸增高。我國(guó)對(duì)大體積混凝土的定義是：用于混凝土結(jié)構(gòu)中實(shí)體最小尺寸超過1 m位置的混凝土；而美國(guó)則定義為：全部有可能出現(xiàn)溫度影響的現(xiàn)澆混凝土。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外比較重視研究大體積混凝土中由于機(jī)械荷載產(chǎn)生的裂縫問題，卻很少研究溫度荷載對(duì)大體積混凝土裂縫的影響。這個(gè)問題值得我們重視，以防對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響。此外，關(guān)于大體積混凝土裂縫與內(nèi)溫度應(yīng)力的控制問題的研究，也較多地出現(xiàn)在高層建筑工程與水利工程中，很少出現(xiàn)在橋梁工程中，這更應(yīng)該引起我們的重視。該文主要針對(duì)橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因及預(yù)防問題進(jìn)行了詳細(xì)地研究和探討，旨在探索出控制混凝土出現(xiàn)裂縫的有效措施。

1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土具有質(zhì)地較脆、抗拉強(qiáng)度較弱（僅相當(dāng)于抗壓強(qiáng)度的1/10）以及斷面尺寸較大的特點(diǎn)。因?yàn)樗喑霈F(xiàn)水化熱現(xiàn)象，大體積混凝土內(nèi)部的溫度會(huì)驟然升高，在大體積混凝土逐漸降溫的過程中會(huì)受到一定的條件限制和約束，容易出現(xiàn)巨大的拉應(yīng)力。又因在一般情況下，大體積混凝土中沒有設(shè)置鋼筋或有較少的鋼筋。因此，混凝土需要承載產(chǎn)生的全部的拉應(yīng)力。

1.1 水泥水化熱的影響

水泥在發(fā)生水化現(xiàn)象的同時(shí)，會(huì)散發(fā)出大量的熱量，一般在混凝土澆筑后的7d左右水化現(xiàn)象特別明顯。如果有450～490 kg/m3的水泥，那么每立方米的混凝土散發(fā)出的熱量大約為19500～29500 kJ，這就致使混凝土中的內(nèi)部溫度變得比較高。特別是大體積混凝土產(chǎn)生的熱量，會(huì)比一般的熱量還要高。由于混凝土中心的溫度比較高，再加上混凝土內(nèi)部和表面散熱的情況具有很大的差異，這樣就會(huì)致使混凝土內(nèi)部和外部出現(xiàn)溫度差額，就會(huì)產(chǎn)生兩種應(yīng)力：混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力、混凝土表面的拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土無法承受拉應(yīng)力的作用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)表面裂縫的現(xiàn)象。

l.2 混凝土的收縮

混凝土收縮是一種混凝土體積減小的現(xiàn)象，即混凝土置于空氣中逐漸開始出現(xiàn)硬結(jié)，體積也相對(duì)變小了。在沒有其他外力的作用下，混凝土自發(fā)地出現(xiàn)了變形，如果此時(shí)受到了外部的力量，例如鋼筋因素、支承條件等的影響，混凝土中就容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，進(jìn)而出現(xiàn)混凝土開裂的現(xiàn)象。主要有干燥收縮、溫度收縮以及塑性收縮等三種收縮，會(huì)致使混凝土出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。在混凝土出現(xiàn)硬化初期，出現(xiàn)收縮的原因是在水化凝固過程中，水泥的體積出現(xiàn)了一些變化，而硬化后期是由于混凝土中的水分出現(xiàn)了散失，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)了干縮變形現(xiàn)象。

1.3 外界氣溫濕度變化的影響

在施工過程中，大體積混凝土機(jī)構(gòu)容易受到外界氣溫變化的影響，這也是造成大體積混凝土裂縫的一個(gè)重要因素。大體積混凝土溫度變化一般要經(jīng)歷三個(gè)時(shí)期：升溫期、冷卻期和穩(wěn)定期。

水泥水化熱的溫度、結(jié)構(gòu)的散熱溫度以及澆注溫度等各種溫度的綜合就是混凝土的內(nèi)部溫度?；炷恋臐仓囟扰c外界氣溫存在正相關(guān)關(guān)系，即外界溫度越高，澆筑溫度也就越高。當(dāng)外界溫度下降時(shí)，大體積混凝土的內(nèi)部和外部的溫度差額就會(huì)變大。若外界溫度的下降速度特別快，混凝土中就會(huì)受到溫度應(yīng)力的作用，這時(shí)出現(xiàn)裂縫的可能性非常大。造成混凝土出現(xiàn)裂縫的原因除了受到外界溫度的影響，還受到外界濕度的影響?；炷寥绻幵谕饨鐫穸容^低的條件下，干縮的速度便會(huì)加快，從而導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象。

2 大體積混凝土裂縫的預(yù)防

2.1 大體積混凝土中水泥的種類及用量

理論研究證實(shí)，水泥水化過程散發(fā)出的大量熱量是致使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象的重要原因。因此，在橋梁工程建設(shè)中，大體積混凝土中應(yīng)選用低熱或中熱的水泥種類。另外，水泥內(nèi)礦物質(zhì)成分的差異和水泥散發(fā)熱量的大小和速度具有十分密切的關(guān)系。水泥礦物質(zhì)中鋁酸三鈣散發(fā)的熱量是最大的，并且散熱速度也是最快的。其余的鐵鋁酸四鈣、硅酸三鈣等水泥礦物質(zhì)成分的散熱速度則相對(duì)較低。水泥的發(fā)熱速度和水泥的粗細(xì)程度具有一定的關(guān)系，水泥越細(xì)，散熱速度最快，但散熱總量是不變的。因此，火山灰水泥、礦渣硅酸鹽水泥比較適合用于大體系混凝土的施工中，并且還可以根據(jù)混凝土后期的施工情況適當(dāng)降低水泥的用量。在橋梁工程中，大體積混凝土一般需要較長(zhǎng)的施工時(shí)間，并且很難一直對(duì)增加混凝土的設(shè)計(jì)荷載，所以適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土的施工時(shí)間是可以的。根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家也認(rèn)為利用混凝土后期施工的情況可以大概通過降低大約39～72 kg/m3的水泥來實(shí)現(xiàn)降低混凝土內(nèi)部溫度的目的。

2.2 摻和外加料和外加劑

將粉煤灰作為摻合料有助于降低大體積混凝土中的溫度，避免裂縫現(xiàn)象的出現(xiàn)。在選擇外加劑方面，主要有兩種：（1）UFA膨脹劑。在混凝土中加入適量的UFA膨脹劑會(huì)起到保證混凝土密實(shí)度的作用，還可以在混凝土內(nèi)部生成一定的壓力，防止受到混凝土中產(chǎn)生的外應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。（2）減水緩凝劑，它在改善混凝土和易性方面具有重要作用，并可以起到降低水灰比的作用，最終實(shí)現(xiàn)降低水熱化的目的。

2.3 大體積混凝土的骨料控制

2.3.1 大體積混凝土中應(yīng)選擇粒徑大、級(jí)配高及強(qiáng)度高的骨料。這樣就大大減小了表面積與空隙率，節(jié)省了水泥的使用量，同時(shí)也減輕了干縮的情況，降低了水化熱，降低了出現(xiàn)混凝土裂縫的幾率。

2.3.2 在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，為節(jié)約水泥及減少混凝土的散熱量，在混凝土中可適量加入一些石塊，應(yīng)選擇抗壓強(qiáng)度超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.5倍，且無夾層及裂縫的石塊。兩石塊間的距離應(yīng)超過10era，石塊與模板的間距應(yīng)超過15 cm，應(yīng)在最頂層的石塊上覆蓋不少于10era的混凝土。

2.4 優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)計(jì)

雖然在大體積混凝土中沒有鋼筋或有少量的鋼筋，但是為了減少混凝土承擔(dān)的拉應(yīng)力，降低混凝土裂縫出現(xiàn)的幾率，我們可在易出現(xiàn)裂縫的位置如轉(zhuǎn)角處與孔洞附近設(shè)計(jì)一些斜筋，以減少出現(xiàn)混凝土裂縫的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)過程中通過使用中低強(qiáng)度的水泥有效利用混凝土的后期強(qiáng)度，也可以有效防止混凝土裂縫的產(chǎn)生。此外，在橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過減少對(duì)結(jié)構(gòu)的約束力、將混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度控制在最小范圍內(nèi)等措施也是有效控制混凝土裂縫出線的措施。

2.5 大體積混凝土的施工

混凝土的生產(chǎn)、運(yùn)輸、溫度以及表層保護(hù)是混凝土施工過程中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的重點(diǎn)所在。在控制熱應(yīng)力方面，重點(diǎn)是控制混凝土內(nèi)部與外部的溫度差額△T

△T=Tp+Tr-Tf

公式中：Tp表示起初澆筑溫度；Tf表示自然或人工冷去后澆筑塊的恒定溫度；Tr表示水泥水化溫升。

在外界溫度較高的情況下對(duì)混凝土進(jìn)行施工，要注意做好降低混凝土澆筑時(shí)溫度的工作。在降低混凝土的入模溫度時(shí)，可以采用用布遮蓋施工現(xiàn)場(chǎng)露天砂石，避免陽光照射升，還可以在澆筑混凝土之間用冷水對(duì)砂石進(jìn)行降溫，或者在混凝土進(jìn)行攪拌時(shí)加入一些冷水進(jìn)行降溫。為了加快混凝土內(nèi)部熱量發(fā)散的速度，可以采用向混凝土中注入冷卻循環(huán)水的方法進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。

在對(duì)混凝土保溫養(yǎng)護(hù)方面，可以在其表層蓋上一層保溫性好的織物，不但可以起到降低混凝土內(nèi)外溫度差額的效果，避免出現(xiàn)表面裂縫，還可以預(yù)防混凝土溫度急劇變化產(chǎn)生溫度裂縫的現(xiàn)象。為了能夠?qū)炷帘韺拥臏囟鹊淖兓岛蛢?nèi)部升溫的情況進(jìn)行及時(shí)地了解，可以事先將的定量的測(cè)溫點(diǎn)放置在混凝土的內(nèi)部，這樣就可以在明確地了解混凝土中溫度變化的具體數(shù)值，若混凝土內(nèi)外部的溫度差額高于正常的溫度值范圍，就可以在最短的時(shí)間控制混凝土內(nèi)外部的溫差問題。

混凝土在冬季施工時(shí)，混凝土容易出現(xiàn)被凍的問題，使混凝土在澆筑時(shí)具有較高的溫度可以有效解決這個(gè)問題。但是因?yàn)槎緶囟容^低，混凝土的穩(wěn)定溫度一般都會(huì)超過合理的溫度差額，這樣的情況很容易致使混凝土出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。因此，在冬季對(duì)混凝土進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)將混凝土的溫度保持在5～10 ℃范圍內(nèi)，這是比較適宜的溫度。在對(duì)混凝土進(jìn)行澆筑之前，應(yīng)該用蒸汽將新混凝土即將要碰觸的冷壁進(jìn)行加熱，在對(duì)原材料進(jìn)行加熱的問題上，應(yīng)該根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)氣溫的高低來決定。在對(duì)石料進(jìn)行加熱時(shí)，應(yīng)該將溫度控制在75 ℃，既不能使加熱的程度過高，也不能使加熱的程度過低，對(duì)混凝土的施工效果都會(huì)產(chǎn)生一些影響。在混凝土的運(yùn)輸及澆筑過程中，也應(yīng)注意做好減少熱量的損失工作。

2.6 大體積混凝土的裂縫的處理

在控制混凝土出現(xiàn)裂縫的工作中，應(yīng)該積極做好混凝土設(shè)計(jì)與施工方面的預(yù)防工作。但是混凝土施工過程中，施工現(xiàn)場(chǎng)情況比較復(fù)雜，多少會(huì)受到自然因素、人為因素以及環(huán)境因素等的影響，在橋梁工程施工中混凝土出現(xiàn)裂縫是很難避免的。大體積混凝土的裂縫主要有表面裂縫、貫穿裂縫以及深層裂縫三種。一般不對(duì)表面裂縫進(jìn)行處理，因?yàn)槠鋵?duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、持久性和安全性造成的影響比較小。在處理深層裂縫和貫穿裂縫方面，通過采用風(fēng)鎬和風(fēng)鉆進(jìn)行鑿除，也可以借助人力來實(shí)現(xiàn)，在鑿槽斷面的位置澆筑混凝土，可以很好地處理裂縫。在處理深層裂縫時(shí)，在裂縫處澆筑兩次混凝土，第二次需在裂縫上鋪上1～2層的防裂鋼筋。

在處理嚴(yán)重程度較高的裂縫時(shí)，需要根據(jù)裂縫的寬度選擇灌漿，如圖1所示，通過一系列的灌注措施，將混凝土通過壓板將其灌注到裂縫中。當(dāng)裂縫寬度小于0.5 mm時(shí)使用化學(xué)灌漿；裂縫寬度大于0.5 mm時(shí)使用水泥灌漿。

3 結(jié)語

大體積混凝土施工中的裂縫控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，不僅需要先進(jìn)的科技作為支撐，還要在橋梁建造的過程中綜合考慮影響混凝土裂縫的各種因素，要及時(shí)進(jìn)行監(jiān)督控制和完善，保證經(jīng)濟(jì)合理的前提下，確保橋梁建設(shè)的質(zhì)量安全。同時(shí)，還要綜合設(shè)計(jì)、施工、材料等各個(gè)方面的原因來對(duì)可能出現(xiàn)的混凝土裂縫進(jìn)行控制。

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