淺析高速鐵路橋梁大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及控制措施

紀(jì)坤

摘要：隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)的迅猛發(fā)展，鐵路橋梁大體積混凝土施工中普遍會(huì)遇到裂縫控制問(wèn)題，研究裂縫的形成原因及控制措施顯得越來(lái)越重要。本文通過(guò)對(duì)滬昆客專坪蒿地特大橋連續(xù)梁在施工過(guò)程中采取的一些防止裂縫產(chǎn)生的控制措施，結(jié)合多年的橋梁施工經(jīng)驗(yàn)，闡述了大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，并提出了相應(yīng)的控制措施。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；裂縫；控制措施

中圖分類號(hào)：U445，71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3024（2016）06-05-02

1.大體積混凝土的定義及相關(guān)概念

我國(guó)對(duì)大體積混凝土作了如下定義（《GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范》）：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。大體積混凝土因?yàn)闃蛄后w積大，聚集的大量水化熱會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)外散熱不均勻，在受到內(nèi)外約束的情況下，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力并很可能導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，最終為工程埋下嚴(yán)重質(zhì)量隱患。因此，大體積混凝土施工中應(yīng)嚴(yán)格控制裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，以確保工程質(zhì)量。

2.工程概況

新建滬昆客運(yùn)專線是一條時(shí)速250km/h雙線CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道鐵路，坪蒿地特大橋里程范圍：DK946+316，45～DK947+006，85，全長(zhǎng)690，4m，混凝土中心里程為DK946+674，孔跨樣式為lx24+20X32m。本橋梁體設(shè)計(jì)為40+64+40m的預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁，設(shè)計(jì)采用三向預(yù)應(yīng)力體系，掛籃施工每一段都是一次澆注成型，澆注后覆蓋養(yǎng)生達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度和齡期后施加預(yù)應(yīng)力并壓漿，掛籃方可前移并施工下一段連續(xù)梁。

3.大體積混凝土裂縫類型及裂縫產(chǎn)生原因分析

大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫主要包括收縮裂縫、安定性裂縫、溫差裂縫等。

3，1收縮裂縫

混凝土在空氣中硬結(jié)時(shí)體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮，混凝土在不受外力的情況下的這種自發(fā)變形，受到外部約束時(shí)（支承條件、鋼筋等），將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得混凝土開(kāi)裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮等三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結(jié)硬過(guò)程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形?；炷猎谥饾u散熱和硬化過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致其體積的收縮，對(duì)于大體積混凝土，這種收縮更加明顯。如果混凝土的收縮受到外界的約束，就會(huì)在混凝土體內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的收縮應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過(guò)當(dāng)時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，影響混凝土收縮的主要因素主要是混凝土中的用水量、水泥用量及水泥品種?；炷林械挠盟亢退嘤昧吭礁?，混凝土收縮就越大，水泥品種對(duì)干縮量及收縮量也有很大的影響，一般中低熱水泥和粉煤灰水泥的收縮量較小。

自身收縮是混凝土收縮的一個(gè)主要來(lái)源。自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起的，但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降形成彎月面，產(chǎn)生所謂的白干燥作用，導(dǎo)致混凝土體的相對(duì)濕度降低及體積減小而最終自身收縮，塑性收縮也是大體積混凝土收縮一個(gè)主要來(lái)源。在水泥活性大、混凝土溫度較高或者水灰比較低的條件下，混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充，這時(shí)混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點(diǎn)拉力，混凝土的表面就會(huì)出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫，出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加快，于是裂縫迅速擴(kuò)展，所以在這種情況下混凝土澆筑后需要及早覆蓋養(yǎng)生。

3.2溫差裂縫

混凝土內(nèi)部和外部的溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生裂縫，溫差裂縫產(chǎn)生的主要原因是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過(guò)大。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。溫差的產(chǎn)生主要有三種情況：第一種是在混凝土澆筑初期，這一階段產(chǎn)生大量的水化熱，形成內(nèi)外溫差并導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，這種裂縫一般產(chǎn)生在混凝土澆筑后的第3天（升溫階段）。另一種是在拆模前后，這時(shí)混凝土表面溫度下降很快，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。第三種情況是當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度高達(dá)峰值后，熱量逐漸散發(fā)而達(dá)到使用溫度或最低溫度，它們與最高溫度的差值即內(nèi)部溫差。這三種溫差都會(huì)產(chǎn)生裂縫，但最嚴(yán)重的是水化熱引起的內(nèi)外溫差。

3.3安定性裂縫

安定性裂縫表現(xiàn)為龜裂，主要是由于水泥安定性不合格而引起

4.大體積混凝土裂縫的控制措施

4.1設(shè)計(jì)措施

（1）精心設(shè)計(jì)混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)盡可能降低混凝土的單位用水量。采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出“高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值”的抗裂混凝土，

（2）增配構(gòu)造筋，提高抗裂性能。應(yīng)采用小直徑、小間距的配筋方式，全截面的配筋率應(yīng)在0.3～0.5%之間。

（3）避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中。在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施。

（4）在易裂的邊緣部位設(shè)置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，

（5）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮施工時(shí)的氣候特征，合理設(shè)置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30m。保留時(shí)間一般不小于60天，如不能預(yù)測(cè)施工時(shí)的具體條件，也可臨時(shí)根據(jù)具體情況作設(shè)計(jì)變更。

4.2原材料控制措施

（1）盡量選用低熱或中熱水泥，降低水泥用量，減少水化熱，水化熱與水泥用量成正比。在條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥，因?yàn)檫@種水泥在水化膨脹期（1～5d）可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，而在水化后期預(yù)壓應(yīng)力可部分抵消溫度徐變應(yīng)力，減少混凝土內(nèi)的拉應(yīng)力，提高混凝土的抗裂能力。

（2）適當(dāng)摻加粉煤灰。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，抑制堿骨料反應(yīng)，減少新拌混凝土的泌水等。

（3）選擇級(jí)配良好的骨料。骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對(duì)體積的80%以上，因此在選擇骨料時(shí)，應(yīng)選擇膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無(wú)弱包裹層、級(jí)配良好的骨料，盡量采用中砂，嚴(yán)格控制粗細(xì)骨料的含泥量，控制水灰比在0.6以下。還可以在混凝土中摻緩凝劑，減緩澆筑速度，以利于散熱。

（4）適當(dāng)選用高效減水劑和引氣劑，這對(duì)減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作性能，提高混凝土的耐久性等性能起著極為重要的作用。

4.3施工方法控制措施

大體積混凝土施工時(shí)內(nèi)部應(yīng)適當(dāng)預(yù)留一些孔道，在內(nèi)部通循環(huán)冷水或冷氣冷卻，降溫速度不應(yīng)超過(guò)0.5℃～1，0℃/h。對(duì)橋梁基礎(chǔ)混凝土可采用分塊分層澆筑（每層間隔時(shí)間5d～7d），分塊厚度為1，0m～1，5m，以利于水化熱散發(fā)和減少約束作用。此外，還應(yīng)加強(qiáng)混凝土的澆灌振搗，提高密實(shí)度。盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應(yīng)下降15℃以上。盡量采用兩次振搗技術(shù)，改善混凝土強(qiáng)度，提高抗裂性。還可根據(jù)具體工程特點(diǎn)，采用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)。

4.4溫度控制措施

混凝土溫度和溫度變化對(duì)混凝土裂縫是極其敏感的。當(dāng)混凝土從零應(yīng)力溫度降低到混凝土開(kāi)裂溫度時(shí)，混凝土拉應(yīng)力超過(guò)了此時(shí)的混凝土極限拉應(yīng)力。因此，通過(guò)應(yīng)降低混凝土內(nèi)水化熱溫度和混凝土初始溫度，減少和避免裂縫風(fēng)險(xiǎn)。人工控制混凝土溫度的措施對(duì)早期因熱原因引起的裂縫作用不明顯。比如表面保溫材料保護(hù)可以減少內(nèi)外溫差，但不可避免地招致混凝土體內(nèi)溫度很高，從受約束而導(dǎo)致貫穿裂縫的角度看，是一個(gè)潛在惡化裂縫的條件，因?yàn)榛炷羶?nèi)部熱量遲早是要散發(fā)掉的，另外還需注意的問(wèn)題是防止過(guò)速冷卻和超冷，過(guò)速冷卻不僅會(huì)使混凝土溫度梯度過(guò)大，而且早期的過(guò)速超冷會(huì)影響體系的水化程度和早期強(qiáng)度，更易產(chǎn)生早期熱裂縫，超冷會(huì)使混凝土溫差過(guò)大，引起溫差裂縫澆筑時(shí)間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時(shí)要求在沙、石堆場(chǎng)搭設(shè)簡(jiǎn)易遮陽(yáng)裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時(shí)向骨料噴冷水?；炷帘盟蜁r(shí)，可在水平及垂直泵管上加蓋草袋并噴冷水。所以，大體積混凝土施工重點(diǎn)主要是將溫度應(yīng)力產(chǎn)生的不利影響減少到最小，防止和降低裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，

4.5施工過(guò)程中控制措施

4.5.1控制混凝土入模溫度

入模溫度的高低，與出機(jī)溫度密切相關(guān)，另外還與運(yùn)輸工具、運(yùn)距、轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)、施工氣候等有關(guān)。在溫度較高的情況下進(jìn)行施工，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)堆在露天的砂石用布覆蓋，以減少陽(yáng)光對(duì)其的輻射，同時(shí)對(duì)澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過(guò)程中向混凝土中添加冰水。

如果是在冬季進(jìn)行施工，因?yàn)橐乐乖缙诨炷帘粌鰡?wèn)題，所以要求混凝土澆筑時(shí)應(yīng)該具有較高的澆筑溫度。在澆筑混凝土以前還應(yīng)該對(duì)基礎(chǔ)及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預(yù)熱，對(duì)原材料應(yīng)視氣溫高低進(jìn)行加熱。

4.5.2嚴(yán)格控制混凝土的澆筑速度

一次澆注的混凝土不可過(guò)高、過(guò)厚，以保證混凝土溫度均勻上升。保證振搗密實(shí)，嚴(yán)格控制振搗時(shí)間，移動(dòng)距離和插入深度，嚴(yán)防漏振及過(guò)振。

4.5.3溫度控制、監(jiān)測(cè)與養(yǎng)生

（1）溫度控制、監(jiān)測(cè)

為降低大體積混凝土的水化熱，在混凝土的內(nèi)部通入冷卻循環(huán)水，采用循環(huán)法保溫養(yǎng)護(hù)，以便加快混凝土內(nèi)部的熱量散發(fā)。為能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量出砼內(nèi)部溫度，在砼中預(yù)埋測(cè)溫管，用水銀溫度計(jì)測(cè)溫。上下層溫差控制在15-20℃之內(nèi)。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的溫度，可及時(shí)繪制出混凝土內(nèi)部溫度變化曲線，對(duì)照混凝土理論計(jì)算值，分析存在的問(wèn)題。有的放矢地采取相應(yīng)的技術(shù)措施。坪蒿地特大橋采用了“內(nèi)降外?！钡臏乜卮胧?，“內(nèi)降”主要是采用循環(huán)冷卻水進(jìn)行降溫，經(jīng)實(shí)測(cè)：入管前水溫10℃，出管后最高水溫49℃，冷卻水帶走了大部分熱量，經(jīng)計(jì)算使內(nèi)部溫度整體降低15℃?！巴獗！笔峭ㄟ^(guò)采取措施，控制梁體外表面溫度，使梁體內(nèi)外溫差不大于25℃，在施工中，通過(guò)外面保溫，使混凝土表面降溫速度減慢，以減小混凝土的內(nèi)外溫差，從而防止混凝土因溫差過(guò)大引起變形而產(chǎn)生的溫度裂縫。

（2）混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土施工中一項(xiàng)十分關(guān)鍵的工作。主要是保持適宜的溫度和濕度，以便控制混凝土的內(nèi)外溫差，促進(jìn)砼強(qiáng)度的正常發(fā)展及防止裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。從混凝土澆筑完成到終凝這段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土而言十分重要，混凝土澆筑完畢后，在其頂面及時(shí)加以覆蓋，要求覆蓋嚴(yán)密，并經(jīng)常檢查覆蓋保濕效果。其主要作用有二：一是蓄水保溫，防止表面水分蒸發(fā)和抵抗受太陽(yáng)輻射與刮風(fēng)時(shí)溫度驟變，二是保持內(nèi)外溫差的穩(wěn)定，

4.5.4健全施工組織管理

在制訂技術(shù)措施和質(zhì)量控制措施的同時(shí)，還需落實(shí)組織指揮系統(tǒng)，逐級(jí)進(jìn)行技術(shù)交底，做到層層落實(shí)，確保順利實(shí)施。通過(guò)坪蒿地特大橋施工實(shí)踐證明，在優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，改善施工工藝，提高施工質(zhì)量，做好溫度監(jiān)測(cè)工作及加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等方面采取有效技術(shù)措施，堅(jiān)持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織管理，完全可以控制大體積混凝土溫度裂縫和施工裂縫的發(fā)生，

5.控制措施的結(jié)果

經(jīng)過(guò)檢測(cè)，坪蒿地特大橋施工完7天后，梁體混凝土達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上，混凝土的表面只有少量1～10cm長(zhǎng)、縫寬小于0，1mm的微細(xì)裂縫，呈不規(guī)則分布，沒(méi)有形成通縫，符合規(guī)范要求。在混凝土施工完56天后，上述裂縫沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展，也沒(méi)有新的裂縫產(chǎn)生，

6.結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于混凝土裂縫，應(yīng)以預(yù)防為主，為此需要精心設(shè)計(jì)、施工，掌握住它的基本知識(shí)，并根據(jù)實(shí)際采取有較措施，會(huì)使施工質(zhì)量得到很好的保證，以上各項(xiàng)技術(shù)措施并不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互制約的，施工過(guò)程中必須結(jié)合實(shí)際、全面考慮、合理采用，才能起到良好的效果。通過(guò)坪蒿地特大橋梁體大體積混凝土防裂縫控制措施，可以看出大體積混凝土裂縫雖然不可能避免，但是通過(guò)合理手段是可以控制的，說(shuō)明滬昆客專坪蒿地特大橋連續(xù)梁大體積混凝土的裂縫控制措施是可行的，可以為類似的大體積混凝土施工提供借鑒。