橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與防治

葛浚

摘要：本文結(jié)合工路橋梁工程的實(shí)踐，從設(shè)計(jì)、施工的角度，分析了造成橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土裂縫的原因，并提出控制措施。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土 裂縫 外加劑 混凝土強(qiáng)度 控制

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)常見的病害，也是橋梁施工中一直困擾技術(shù)人員的一個(gè)難題。裂縫根據(jù)其成因可以分為多個(gè)類型，大多數(shù)裂縫只要在施工和養(yǎng)護(hù)時(shí)加以控制，是可以避免的。

1 施工材料質(zhì)量引起的裂縫

1.1 水泥。水泥安定性達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，水泥中存在大量的游離氧化鈣：水泥強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，過期或受潮：水泥含堿量超標(biāo)，而且骨料含有堿活性，易發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

1.2 砂、石骨料。砂石的級(jí)配、粒徑和空隙率與設(shè)計(jì)要求不符；使用超出規(guī)定的特細(xì)砂，后果更嚴(yán)重。砂石中含有較多云母，水泥和骨料的粘結(jié)力下降，繼而使得混凝土強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。砂石的含泥量高，使得水與水泥的用量增加，相應(yīng)的造成混凝土強(qiáng)度及抗凍、抗?jié)B性能降低。砂石中含有大量的有機(jī)質(zhì)及輕物質(zhì)，導(dǎo)致水泥硬化緩慢，混凝土強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。

1.3 拌和水及外加劑。拌和水與外加劑中氯化物等雜質(zhì)含量較高時(shí)，對(duì)鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，可能對(duì)堿骨料反應(yīng)有影響。

2 水泥水化熱的影響

2.1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常具有以下特點(diǎn)。混凝土屬抗拉強(qiáng)度較小的脆性材料。大體積混凝土的斷面尺寸大，而水泥在水化作用中會(huì)散發(fā)大量的水化熱，使得混凝土內(nèi)部與表層形成溫差，而降溫時(shí)表層會(huì)受到內(nèi)部較大的拉應(yīng)力。按照常規(guī)施工方法，大體積混凝土一般不配鋼筋，如有必要也僅在表面配置少量鋼筋，因此必須是混凝土自身承擔(dān)拉應(yīng)力。

2.2 水泥水化過程中放出大量的熱。澆筑后7d左右放熱，放熱量通常為500J/Kg。如果以水泥用量350Kg/m3～550Kg/m3來(lái)計(jì)算，則每立方米混凝土的熱量為17500KJ～27500KJ，這會(huì)增加混凝土內(nèi)部的溫度。尤其對(duì)于大體積混凝土來(lái)講，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重?；炷羶?nèi)部升溫過高，極易與表層形成較大的溫差，造成混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力與外部的拉應(yīng)力相互作用，結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度一旦小于其拉應(yīng)力，就會(huì)造成混凝土表層開裂。這是大體積混凝土產(chǎn)生裂縫病害的主要原因。

3 混凝土的收縮引起的裂縫

收縮裂縫是混凝土工程中的常見病害?；炷馏w積變形主要是塑性收縮和縮水收縮（干縮）引起的。除此之外，還有自生收縮與炭化收縮兩種現(xiàn)象。在施工階段，或在混凝土澆筑后四、五小時(shí)左右，混凝土試件會(huì)出現(xiàn)伴有劇烈水化作用的塑性收縮的現(xiàn)象。在這一過程中分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，水分過快散失，導(dǎo)致混凝土失水收縮，骨料下沉，而此時(shí)混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。骨料下沉階段如果受到鋼筋的約束，通常會(huì)沿鋼筋方向開裂。在構(gòu)件豎向變截面處，由于混凝土硬化前沉實(shí)的均勻性達(dá)不到總體要求，表面的順腹板方向會(huì)出現(xiàn)裂縫?；炷量s水收縮（干縮）硬結(jié)后，表層因水分散失會(huì)逐漸變干，構(gòu)件體積縮小，我們通常稱之為干縮現(xiàn)象。表層混凝土水分散失速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過內(nèi)部水分散失速率，使得表層出現(xiàn)較嚴(yán)重的收縮，而內(nèi)部收縮量小，內(nèi)部收縮對(duì)表層收縮變形產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，約束了表層混凝土的收縮變形，當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度小于表層混凝土承受拉力時(shí)會(huì)導(dǎo)致表層開裂?；炷劣不罂赡艹霈F(xiàn)縮水收縮現(xiàn)象。比如，配筋率大于3%的超過大的混凝土，其收縮變形在很大程度上會(huì)受到鋼筋的約束，致使表層龜裂。

4 外界氣溫、濕度變化的裂縫

4.1 溫度變化產(chǎn)生影響。溫差裂縫產(chǎn)生的主要原因是水泥水化熱引起的砼內(nèi)部和砼表面的溫差過大，特別是大體積砼更易發(fā)生此類裂縫?；炷翝仓?，水泥在水化作用中釋放大量的水化熱，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部快速升溫，按照經(jīng)驗(yàn)判斷，100kg水泥的溫升速率能達(dá)到10℃，加之混凝土的入模溫度，混凝土內(nèi)部溫度在兩三天內(nèi)能夠達(dá)到50～80℃。而線膨脹系數(shù)能達(dá)到10×10-6/℃，也就是說，溫度每升降10℃，混凝土?xí)霈F(xiàn)0.01％的線膨脹或收縮。由此可見，如果在無(wú)風(fēng)的大氣環(huán)境中，表層混凝土和外界的溫差超過25℃時(shí)，就可能導(dǎo)致表層開裂。

4.2 濕度變化影響。水泥水化時(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降形成彎月面，產(chǎn)生自干燥作用，導(dǎo)致砼體的相對(duì)濕度降低及體積減小，因自身收縮而產(chǎn)生裂縫；混凝土初凝前由于水分散失，內(nèi)部水分向表面遷移，使得混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性收縮，收縮量約為1％，表面會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的塑性收縮裂縫；砼工程在硬化后，內(nèi)部的游離水會(huì)由表及里逐漸蒸發(fā)失水，當(dāng)施工時(shí)溫度高，相對(duì)濕度低時(shí)，混凝土水分快速且大量散失，甚至超過其內(nèi)部水分向表層遷移的速率，使得表層嚴(yán)重失水，受下面混凝土結(jié)構(gòu)的約束，導(dǎo)致砼由表及里逐漸產(chǎn)生干燥收縮，收縮變形量導(dǎo)致的收縮應(yīng)力大于砼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，砼就會(huì)出現(xiàn)由表及里的干燥收縮裂縫。

5 施工工藝質(zhì)量引起的裂縫

5.1 混凝土振搗密實(shí)度不達(dá)標(biāo)，均勻性差，成型后極易出現(xiàn)孔洞、蜂窩、麻面等結(jié)構(gòu)缺陷，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或引發(fā)其它荷載裂縫?；炷亮鲃?dòng)性差，過快的澆筑使得混合料硬化后沉實(shí)過大，混凝土澆筑成型數(shù)小時(shí)后極易在塑性收縮的作用下開裂。

5.2 混凝土拌和時(shí)間過長(zhǎng)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸，混合料中水分大量蒸發(fā)，降低了混凝土塌落度，在這種條件下極易產(chǎn)生不規(guī)則裂縫。在初期養(yǎng)護(hù)階段灑水量少，使得表面缺水干燥，造成表面開裂。

5.3 在泵送施工中，可在混合料中適量加水或水泥，以確保混凝土保持良好的流動(dòng)性，或水灰比控制不當(dāng)，造成混凝土在凝結(jié)硬化階段過度收縮，致使混凝土開裂。

5.4 未按要求處理分層分段澆筑的接頭部位，新舊混凝土與施工縫之間極易出現(xiàn)裂縫。分段澆筑時(shí)，先澆混凝土接觸面的鑿毛和清洗不徹底，降低了新舊混凝土之間的粘結(jié)力，或者未按要求對(duì)后澆混凝土嚴(yán)格養(yǎng)護(hù)，使得構(gòu)件開裂。

6 大體積混凝土裂縫控制措施

6.1 摻加外加料和外加劑。將粉煤灰摻入混凝土中以提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度和抗?jié)B性能，改善混凝土的密實(shí)性，減少水泥用量，控制結(jié)構(gòu)收縮。在大體積混凝土澆筑階段，水泥會(huì)發(fā)生水化作用釋放大量的水化熱，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部迅速升溫，施工中要對(duì)此嚴(yán)加防控，避免結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫差過大造成結(jié)構(gòu)開裂，利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。在混凝土中摻加緩凝劑，減緩澆筑速度，以利于散熱。在設(shè)計(jì)允許的情況下，可摻入少于混凝土體積25%的毛石，以吸收熱量。

6.2 大體積混凝土的骨料控制。選用良好級(jí)配的骨料，并嚴(yán)格控制砂、石子含泥量，降低水灰比（0.6以下）加強(qiáng)振搗，以提高砼的密實(shí)性和抗拉強(qiáng)度。

6.3 優(yōu)化大體積混凝土配合比。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣候情況和材料現(xiàn)狀，每天早中晚、雨后都要對(duì)砂石材料抽樣檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整配合比?？稍黾舆m量的粉煤灰，在滿足施工和易性的條件下調(diào)整水灰比。同時(shí)，控制混凝土攪拌時(shí)間，規(guī)定攪拌時(shí)間2min，不能過短，也不能過長(zhǎng)。攪拌時(shí)間短，混合料拌合不均勻；時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)破壞材料的結(jié)構(gòu)。如砂石材料被磨損，混凝土配合比被改變等。

6.4 大體積混凝土的施工。鋼筋混凝土箱涵在施工過程中，易產(chǎn)生裂縫。其影響因素有：溫度應(yīng)力，原材料質(zhì)量，地基不均勻沉降，模板支撐不穩(wěn)，結(jié)構(gòu)配筋，混凝土振搗及養(yǎng)護(hù)達(dá)不到要求等。盡量避開炎熱天氣澆筑大體積混凝土；必須在熱天澆筑時(shí)，可采用冰水或深井涼水拌制砼，或設(shè)置簡(jiǎn)易遮陽(yáng)裝置，并對(duì)骨料進(jìn)行噴水預(yù)冷卻，以降低混凝土攪拌和澆筑的溫度。分層澆筑砼，每層厚度不大于30cm，以加快熱量散發(fā)，并使溫度分布均勻，同時(shí)也便于振搗密實(shí)。大體積砼內(nèi)適當(dāng)預(yù)留一些孔道，采取通風(fēng)或冷氣降溫。由于水泥在水化過程中產(chǎn)生很大的熱量，澆筑后一定要噴水散熱，以免混凝土由于溫度過高，體積膨脹過大，在冷卻后體積收縮過大。澆筑混凝土后，表面及時(shí)用草簾或草袋、鋸末、砂等覆蓋，設(shè)置專用的自動(dòng)噴水系統(tǒng)，灑水養(yǎng)生。夏季適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

7 結(jié)束語(yǔ)

裂縫是大體積混凝土施工中的質(zhì)量通病。若要提高工程質(zhì)量，防止結(jié)構(gòu)開裂，必須在施工過程中嚴(yán)加管控，嚴(yán)格依照建筑行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)施工組織設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、選材、澆筑環(huán)節(jié)等進(jìn)行監(jiān)督管理，確保各項(xiàng)技術(shù)措施達(dá)標(biāo)，以期在保質(zhì)保量完成施工任務(wù)的同時(shí)能夠保證結(jié)構(gòu)安全耐用。澆筑后的養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)需要重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)溫濕度的變化，灑水適量，防止干縮裂縫或收縮裂縫產(chǎn)生。

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