淺談橋梁工程大體積混凝土裂縫的成因及防治對策

王躍明

【摘 要】橋梁工程中大體積混凝土裂縫是工程技術(shù)人員普通關(guān)心的問題，其產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，而溫度裂縫又是混凝土裂縫中較常見的現(xiàn)象。如不引起重視，情況嚴重時會影響到結(jié)構(gòu)物的使用壽命及安全。本文分析了大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，并從設(shè)計與施工的角度闡述了一些技術(shù)控制措施。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程；大體積混凝土；裂縫；成因；對策

橋梁工程中大體積混凝土的使用非常普通，但最大的缺點是容易產(chǎn)生裂縫，從而影響混凝土的力學(xué)性能及耐久性，嚴重者可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，大大縮短建筑物的使用壽命。因此加強對大體積混凝土裂縫的控制，是保證橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量及安全使用的關(guān)鍵，必須予以高度重視。本文結(jié)合大體積混凝土的特點，探討了控制大體積混凝土裂縫的施工技術(shù)和措施。

1 橋梁工程大體積混凝土的特點

1）橋梁工程大體積混凝土大都出現(xiàn)在底板、墩（臺）身處；

2）大體積混凝土的厚度一般在1～3m范圍內(nèi)，多為板壁式結(jié)構(gòu)；

3）施工氣候條件總體良好，全年氣溫一般在0～35℃之間，0℃以下與35℃以上的天數(shù)很少；

4）現(xiàn)場混凝土運輸近年來多采用泵送方式。

2 混凝土常見裂縫的類型及成因

橋梁結(jié)構(gòu)的底板、墩墻等，通常都是容易產(chǎn)生混凝土裂縫的部位。混凝土裂縫的形式多種多樣，按照其成因大致可分為三種類型：溫度裂縫、結(jié)構(gòu)變形約束裂縫、混凝土固化過程中的干縮裂縫。需要說明的是，上述三種裂縫類型并不能截然劃分，尤其是變形約束裂縫和溫度裂縫有時是相互關(guān)聯(lián)的，實踐中還發(fā)現(xiàn)沿干縮裂縫形成的變形約束裂縫。

2.1 溫度裂縫

混凝土在固化過程中因水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的水化熱，致使混凝土內(nèi)部溫度迅速升高。筆者曾在有關(guān)工程施工期組織過混凝土測溫，混凝土澆筑后2～3d溫度達到最大值，構(gòu)件中心溫度一般可達55℃。而混凝土表面較易散熱，內(nèi)外溫差致使內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致從混凝土表面開始裂縫。隨著水化熱減少，混凝土內(nèi)部溫度降低，由壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，只要拉應(yīng)力稍大于混凝土的允許拉應(yīng)力，由于應(yīng)力集中，在已經(jīng)產(chǎn)生外部裂縫的部位就可能裂縫繼續(xù)向內(nèi)部發(fā)展。對于墩墻等板式結(jié)構(gòu)，一般形成貫穿縫。溫度裂縫的主要特點是發(fā)生在施工早期，通常在拆模時或拆模后不久便可以發(fā)現(xiàn)，需要特別說明的是，有時已經(jīng)發(fā)生的溫度裂縫可能很小，沒有及時被人們發(fā)現(xiàn)，后因混凝土收縮變形受約束致使裂縫擴大。

2.2 結(jié)構(gòu)變形約束裂縫

混凝土的固化是一個較為緩慢的過程，普通混凝土除固化初期因水化熱不斷升高是熱脹過程以外，在其后的降溫過程和較長時間的固化過程都是縮小變形過程。此外，外界溫度的變化也會導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的熱脹冷縮變形。橋梁建筑物的墩墻通常與其底板分次施工，且一般間隔時間相對較長。墩墻混凝土收縮變形時上部自由、下部受變形已基本穩(wěn)定的底板約束產(chǎn)生拉應(yīng)力。當拉應(yīng)力大于混凝土允許拉應(yīng)力時，便可能出現(xiàn)裂縫。

2.3 干縮裂縫

混凝土的固化過程也是混凝土中水的揮發(fā)過程，如果失水太快，便可能發(fā)生干縮裂縫。此外，如果混凝土水灰比太大，通常也會發(fā)生干縮裂縫。干縮裂縫發(fā)生于結(jié)構(gòu)的表面，其特點是裂縫無規(guī)則，一般縫寬很小，縫深較淺；但因水灰比偏大產(chǎn)生的干縮裂縫，則可能縫寬較大且較深。無模板的面層裂縫從澆筑完成剛剛初凝時便可能發(fā)生，有模板的臨空面裂縫通常從拆模后開始發(fā)生。工程實踐中還經(jīng)常發(fā)現(xiàn)澆筑較長時間的混凝土仍可能發(fā)生表面龜裂。筆者認為，后期混凝土表面龜裂的主要原因。

3 防止裂縫的技術(shù)措施

3.1 設(shè)計措施

1）重視地基的處理，大體積混凝土一般都是厚體實重的整澆式結(jié)構(gòu)，地基對基礎(chǔ)的影響十分明顯。在設(shè)計主要應(yīng)防止地基產(chǎn)生不均勻下沉，以及改善對基礎(chǔ)的約束影響。當?shù)鼗鶠檐浲翆訒r，為防止地基產(chǎn)生不均勻下沉，通常采用砂墊層或其他加固辦法。砂墊層不僅可以提高地基的承載能力，而且在施工時還可以設(shè)置盲溝排水，這對減少地下水或地表水的影響都有明顯作用。砂墊層在施工前應(yīng)通過試驗，使其做到具有最佳含水量和最大密實度再進行回填。砂墊層還可以減少對混凝土基礎(chǔ)的約束影響，因此在不均勻的軟土地基中，如符合條件時，應(yīng)優(yōu)先考慮采用比較經(jīng)濟的砂墊層加固方案。

2）合理分裂分塊，不僅可以減輕約束作用，縮小約束范圍；同時也可利用澆筑塊的層面進行散熱，降低混凝土內(nèi)部的溫度。合理的分縫分塊，應(yīng)能使結(jié)構(gòu)起到調(diào)節(jié)溫度變化的作用，確?；炷劣凶杂缮炜s的余地，以達到釋放溫度應(yīng)力的目的，接縫的處理必須滿足防止?jié)B漏水的要求。

3）合理分布鋼筋，鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)是兩者之間的粘結(jié)力。由于鋼的彈性模量約為混凝土彈性模量的7-15倍，所以當混凝土內(nèi)應(yīng)力達到抗拉強度而開始裂縫時，此時鋼筋的應(yīng)力很小，想通過利用鋼筋防止混凝土裂縫的出現(xiàn)，就達不到目的，但合理布置分布鋼筋，可以起到減輕混凝土的收縮程度，限制裂縫的開展。

4）混凝土設(shè)計標號不宜太高，在大體積混凝土的結(jié)構(gòu)物中，力學(xué)強度和安全貯備，通常都很高，但過高的強度貯備，會使水泥用量增多，水化熱變大。導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度過高，造成內(nèi)外溫差過大，從面引起結(jié)構(gòu)物的開裂。

3.2 模板與鋼筋

3.2.1 模板

大體積混凝土施工時，模板承受羊混凝土的側(cè)壓力及振搗混凝土的振動力，因此保證模板及其支撐體系的可靠性，防止模板產(chǎn)生過大的變形是完全必要的。近年來由于采用泵送混凝土，澆筑時間短而且快，加大了對模板的側(cè)壓力，如模板與支撐系統(tǒng)剛度不夠時，更加大了混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性，因此大體積混凝土的模板要根據(jù)受力情況，從模板、橫楞、立柱、拉桿以及支撐系統(tǒng)的所有構(gòu)件，都要進行分析計算，并取足夠的安全系數(shù)。

3.2.2 鋼筋

在混凝土中鋼筋銹蝕膨脹，體積將變大，這也是大體積混凝土裂縫原因之一，引起鋼筋銹蝕原因主要有：①使用已銹蝕嚴重的鋼筋，在使用鋼筋前一定要做好鋼筋除銹工作，銹蝕嚴重的鋼筋不得在工程中使用。②由于混凝土的密實性能不好，抗?jié)B性差，因此混凝土內(nèi)部的鋼筋，也容易受到環(huán)境或地下水的侵蝕而生銹膨脹，從而導(dǎo)致混凝土的開裂。③混凝土中有一些化學(xué)物質(zhì)如氯鈣和氯化鈉也是鋼筋生銹原因之一，所以在混凝土工程中控制氯鹽的摻量，保證其含量低于規(guī)范要求。

3.3 混凝土原材料

3.3.1 水泥

水泥對大體積混凝土裂縫的影響前面已講過，這里不在重述，水泥的品種和用量，對大體積混凝土發(fā)生裂縫的影響。關(guān)于水泥的體積安定性問題。如果在水泥已經(jīng)硬化后，產(chǎn)生不均勻的體積變化，會使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生膨脹裂縫，影響工程質(zhì)量，甚至引起嚴重的事故。所以體積安定性不良的水泥應(yīng)作廢品處理，絕對不能用于大體積混凝土工程中。

3.3.2 骨料

1）有害雜質(zhì)，拌制混凝土的骨料要求清潔而不含雜質(zhì)，以保證混凝土的質(zhì)量。

2）骨料品種和粒徑要求，砂子按其平均粒徑和細度模量分為粗砂、中砂、細砂。在大體積混凝土通常使用粗砂，也可以使用中砂。石子按其形狀分為碎石和卵石。當配合比相同時，碎石混凝土強度較高，抗裂性也較好。當混凝土的抗壓強度相等坍落度也相等時，卵石混凝土的水泥用量較少。對于抗裂性有特殊要求的工程，當無碎石時，也可將卵石人工軋碎。當所用石子的最大粒徑較大時，混凝土的密實性較好，并可以節(jié)約水泥；但為了便于搗實，石子的最大粒徑不得超過結(jié)構(gòu)截面最小尺寸的1/4，也不得大于鋼筋最小間距的確3/4。當混凝土用泵輸送時，石子的最大粒徑還應(yīng)符合要求，以免發(fā)生堵塞。

3）含泥量要求，在大體積混凝土工程中，過多的含泥量，不僅增加混凝土的收縮，又降低強度，而且對抗裂性特別有害。為此在施工時應(yīng)采取嚴格措施加控制。

4）拌制混凝土宜采用飲用水。

5）對于大體積混凝土可以拋一定量塊石（設(shè)計規(guī)定范圍內(nèi)），減少混凝土用量，從而降低混凝土內(nèi)溫度水化熱。塊石一般要求其干凈、清潔；其強度不低于澆筑混凝土強度；拋石要有一定距離。

3.4 混凝土配合比

混凝土配合比是指混凝土中各種組成材料的數(shù)量比例。設(shè)計混凝土的任務(wù)，是要根據(jù)原材料的施工條件，確定出能滿足工程所要求的混凝土配合比，合理設(shè)計混凝土的配合比，盡量減少混凝土坍落度，減少水泥用量。

1）水泥品種與用量，大體積混凝土的水泥，應(yīng)選用低熱或中熱水泥，并優(yōu)先使用32.5級或 42.5級礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥。在施工條件許可的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能降低用水量。盡可能少用水泥就能減少水泥總的發(fā)熱量，從而可降低混凝土內(nèi)部的最高溫度，這是設(shè)計大體積混凝土配合比中應(yīng)考慮的首要問題。

2）摻加粉煤灰，以減少水泥用量，粉煤灰摻量是一般為水泥用量的15%左右，摻量過大，影響混凝土的耐久性。

3）石子級配的優(yōu)劣，對節(jié)約水泥和保證混凝土具有良好的和易性有很大關(guān)系。在實際工程中，如果單一材料滿足不了上述級配要求時，可以采用不同粒徑進行摻配試驗，通過多次篩選，最后確定合理的摻配比例。

4）和易性要求，和易性是指混凝土拌合物能保持混凝土成分的均勻，不致發(fā)生離析現(xiàn)象，且易于施工操作的性能。大體積混凝土的特點是量大面廣，要求混凝土連續(xù)作業(yè)，并有溫度控制的嚴格規(guī)定，為此混凝土多數(shù)采用集中攪拌站供料。由于受運輸、澆筑、振動和氣候等條件的影響較大，所以對混凝土的和易性提出了一些新的要求。①不同停置時間及氣候條件，對混凝土拌合物內(nèi)水分的損失與坍落度影響；②不同停置時間及氣候條件，對混凝土拌合物的熱量（或冷量）損失的影響。

5）外加劑的應(yīng)用，在混凝土或砂漿中摻入少量的外加劑，可以改善其性能，節(jié)約水泥用量，降低工程造價，縮短施工工期，是一種使用方便、效果顯著的新材料。為了保證工程質(zhì)量，摻用外加劑時一般應(yīng)注意以下幾個問題：必須事先適配，摻量準確，攪拌均勻，注意摻加順序。

3.5 混凝土澆筑方法

大體積混凝土澆筑方案應(yīng)根據(jù)整體連續(xù)澆筑的要求，要避免混凝土攪拌后很長時間使用，并結(jié)合結(jié)構(gòu)物的大小、鋼筋疏密、混凝土供應(yīng)條件（垂直與水平運輸能力）等具體情況，選擇如下3種方式。

3.5.1 全面分層

在整個結(jié)構(gòu)物內(nèi)，采取全面分層澆筑混凝土，做到第一層全面澆筑完成后，開始澆筑第二層時，已施工的第一層混凝土還未初凝，如此逐層進行，直至澆筑完成。這種方案適用于結(jié)構(gòu)物的平面尺寸不太大的工程，施工時宜從短邊開始，沿長邊推進；亦可分為兩段，從中間向兩端或從兩端向中間同時進行。

3.5.2 分段分層

適用于厚度不太大而面積或長度較大的工程。施工時混凝土先從底層開始澆筑，進行至一定距離后后澆筑第二層，如此依次向前澆筑其它各層。

3.5.3 斜面分層

適用于結(jié)構(gòu)的長度超過厚度的三倍。振搗工作應(yīng)從澆筑層的下端開始，逐漸上移，此時向前的澆筑攤鋪坡度應(yīng)小于1：3，以保證分層混凝土之間的施工質(zhì)量。

3.5.4 混凝土澆筑時應(yīng)注意以下幾個問題

1）分層厚度

每層混凝土的厚度應(yīng)不超過振動棒長的1.25倍，在振搗上一層時，應(yīng)插入下一層混凝土內(nèi)約5cm，以消除兩層之間的接縫；同時在振搗上層混凝土時，要在下層混凝土初凝之前進行?；炷练謱雍穸瘸鶕?jù)振動器的棒長和振動力的大小之外，尚需考慮混凝土供應(yīng)量的大小、澆筑速度及配筋情況，在大體積混凝土工程中，一般可定為400～600mm，數(shù)量較少的混凝土工程中可取250～350mm。

2）防止混凝土發(fā)生離析

混凝土自高處自由傾落高度超過2m，應(yīng)沿串筒、溜槽、溜管等下落，以保證混凝土不致發(fā)生離析現(xiàn)象。漏斗和串筒的布置應(yīng)根據(jù)澆筑面積、澆筑速度和攤平混凝土的能力而定，但其間距不得大于3m，布置方式為交錯式或行列式。

3）泵送混凝土的振搗方法

由于泵送混凝土的坍落度較大，與上述三種澆筑方式所規(guī)定的坡度不符。因此在實際施工中，可將原來分層振搗的方式，改為在斜坡的頭、尾部進行振搗，使上下兩層有鋼筋的混凝土得以密實。另外，在側(cè)模的邊緣，還可輔以竹桿插振，防止這部分混凝土出現(xiàn)漏振現(xiàn)象。

4）表面處理

大體積泵送混凝土，表面水泥漿比較厚，在混凝土澆筑后要認真處理。一般可在初凝前1～2h，先用長括尺按標高刮平；在初凝前再用鐵滾筒碾壓數(shù)遍，并用木蟹打磨壓實，以閉合收縮裂縫。12～14h后才可覆蓋濕草袋等物養(yǎng)護。

5）施工縫處理

在施工縫處繼續(xù)澆筑混凝土時，其底層混凝土的抗壓強度不應(yīng)小于1.2MPa；在底層混凝土的表面上，應(yīng)清除水泥薄膜和松動石子或軟弱混凝土層，并加以充分濕潤和沖洗干凈（但不得積水）；在澆筑前，施工縫處宜先鋪10～15mm厚與混凝土成分相同的水泥砂漿，并應(yīng)細致?lián)v實，便新舊混凝土緊密結(jié)合。

3.6 控制混凝土內(nèi)外溫差

一般按規(guī)范來說大體積混凝土內(nèi)外溫差超過25℃，混凝土就極易產(chǎn)生溫度裂縫，就施工而言，由于受不同環(huán)境、季節(jié)影響混凝土內(nèi)外溫差較難控制，加強混凝土養(yǎng)生，增加混凝土養(yǎng)護時間能有效的防止混凝土裂縫，而且在冬夏季大體積混凝土施工養(yǎng)生尤為關(guān)鍵：

3.6.1 冬季大體積混凝土施工內(nèi)外溫差控制

冬季大體積混凝土施工由于氣溫較低，而混凝土內(nèi)部溫度最高時一般能達到70℃，所以應(yīng)該做好混凝土保溫工作，同時增加溫度檢測頻率，一旦發(fā)現(xiàn)溫差超過規(guī)范要求，要立刻采取保溫（表面蒸氣養(yǎng)生，增加覆蓋層）等措施，以保證混凝土內(nèi)外溫差。

3.6.2 夏季大體積混凝土施工內(nèi)外溫差控制

夏季氣溫高，大體積混凝土施工時首先保證混凝土入模溫度不大于30℃，混凝土澆筑分層厚度在要30cm左右，要盡量采用有利于混凝土熱量散發(fā)的措施（在不影響混凝土施工質(zhì)量的情況下）。

夏季大體積混凝土保證內(nèi)部溫差主要采取以下措施：①保溫法：有條件的情況采用蓄水養(yǎng)生法，混凝土澆筑完成后在其表面積水20～30cm左右，一旦混凝土內(nèi)部溫度升高其表面積水溫度也隨之升高，這樣其內(nèi)外溫差就得到有效的控制。也就控制溫度應(yīng)力，減少混凝土裂縫的概率；②內(nèi)部降溫法：通過大體積混凝土內(nèi)部預(yù)埋水管，進行降溫，有利于大體積混凝土內(nèi)部溫度揮發(fā)，從而使內(nèi)外溫差達到規(guī)范要求。

3.7 溫度控制要求

溫度控制是大體積混凝土施工中的一個重要環(huán)節(jié)，是防止大體積混凝土裂縫的核心。

3.7.1 編好施工方案，提出切實可行的具體措施

在制定方案時，應(yīng)廣泛聽取有經(jīng)驗的工人和技術(shù)人員的意見。并排列出保證質(zhì)量的因果分析圖和對策表，使施工方案的有關(guān)措施落到實處，如發(fā)生問題，也便于糾正。以往，一般只強調(diào)溫差方面的要求，即通常所說的“溫差控制”，而很少核算溫度應(yīng)力，或者認為溫差與溫差應(yīng)力成比例關(guān)系，因此就不能有效地防止溫度裂縫的發(fā)生。必須指出，只有溫差控制，由于結(jié)構(gòu)所處的具體條件不同（包括結(jié)構(gòu)尺寸、配筋、基礎(chǔ)約束情況等），它們的溫度應(yīng)力是不一樣的。這就充分說明，采取同樣的溫差控制方法，為什么有的工程不裂，有的工程開裂。

3.7.2 加強溫度監(jiān)測工作

不僅要在混凝土成形后，對混凝土的內(nèi)部溫度進行監(jiān)測；而且應(yīng)在一開始，就對原材料、混凝土的拌合、入模和澆筑溫度進行系數(shù)測試，才能對存在的問題，及時進行改進。對有關(guān)測試人員應(yīng)進行技術(shù)培訓(xùn)和崗位責任制的教育，以及正確填寫測溫記錄等一些不可忽視的基礎(chǔ)問題。

4 結(jié)束語

橋梁工程在施工過程中經(jīng)常會發(fā)生多種多樣的混凝土裂縫，工程界的專家進行了大量研究，提出了控制裂縫形成及發(fā)展的諸多對策。通過工程實踐經(jīng)歷分析，筆者認為：提高混凝土的自身質(zhì)量是防止裂縫的核心；縮小混凝土的內(nèi)外溫差是控制溫度裂縫的關(guān)鍵；控制結(jié)構(gòu)變形約束裂縫的主要關(guān)鍵是減小約束應(yīng)力；澆筑后的養(yǎng)護管理是控制干縮裂縫的關(guān)鍵；提高人工操作質(zhì)量是控制裂縫的重要保證。

因此，在項目施工管理工作中，需要從設(shè)計、施工工藝、材料選擇及養(yǎng)護過程中精細化考慮，充分重視多種因素的影響，合理采取對策，就能較好地預(yù)防與減少裂縫的形成。

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[責任編輯：王偉平]