橋梁高性能混凝土裂縫的產(chǎn)生和控制

劉春曉++高山棚

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大體積混凝土在現(xiàn)代建筑工程中的應(yīng)用越來越廣泛，與此同時(shí)，大體積混凝土溫度裂縫控制研究也成為大體積混凝土施工過程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)此我們將橋梁的高性能混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，闡述了預(yù)防裂縫的措施和應(yīng)該采用哪些新的施工工藝，使橋梁高性能混凝土盡量不出現(xiàn)裂縫。

【關(guān)鍵詞】混凝土裂縫；裂縫控制；預(yù)防措施

高性能混凝土是新型高技術(shù)的混凝土，依托現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)，提高了混凝土性能，尤其是具有良好的耐久性。同時(shí)高性能混凝土體積穩(wěn)定，不易干縮，具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度。高性能混凝土在實(shí)際施工使用中，會(huì)出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響到了高性能混凝土的質(zhì)量和耐久性，因此，在使用高性能混凝土施工時(shí)，要注意做好防范措施，有效的控制和規(guī)避裂縫，提高高性能混凝土的耐久性。

1. 高性能混凝土裂縫種類

高性能混凝土常見的裂縫類型有溫度裂縫、工程結(jié)構(gòu)裂縫和收縮裂縫。溫度裂縫主要有兩種表現(xiàn)形式，內(nèi)部裂縫和表面裂縫。溫度裂縫主要原因和熱膨脹、混凝土的溫度、以及降溫速度有關(guān)，防止高性能混凝土裂縫的措施是降低溫升、使用熱膨脹系數(shù)低的加入劑、提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。高性混凝土的結(jié)構(gòu)裂縫根據(jù)裂縫的寬度不同可分為“宏觀裂縫”和“微觀裂縫”。裂縫寬度的界線為0.05mm，在工程中常見的結(jié)構(gòu)裂縫有粘著裂縫、水泥石裂縫、集料裂縫[1]。性能混凝土的收縮裂縫與建筑工程中混凝土相鄰部分材料的牽引力有關(guān)，鄰材料會(huì)不同程度約束混凝土，混凝土在收縮時(shí)受鄰材料的影響，就會(huì)產(chǎn)生一定的拉力，當(dāng)拉力超過混凝土自己的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)出現(xiàn)裂縫。此外，混凝土內(nèi)集料也會(huì)是混凝土產(chǎn)生裂縫。

2. 橋梁高性能造成的混凝土裂縫

2.1混凝土產(chǎn)生裂縫的原因比較復(fù)雜 ，從廣義胡克定理出發(fā)求解大體積混凝土水化溫度應(yīng)力，并將大體積混凝土在硬化過程中的收縮變形和由于地基剛度有限性引起的應(yīng)變換算為當(dāng)量溫差，在考慮了徐變影響后求得大體積混凝土綜合溫度應(yīng)力的同時(shí)， 混凝土將是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均質(zhì)脆性材料，混凝土澆筑時(shí)應(yīng)測(cè)試混凝土拌和物適合模溫度和環(huán)境溫度，待完成全部混凝土的澆筑后，在前48h內(nèi)每2h測(cè)定一次混凝土結(jié)構(gòu)溫度，以后每6h測(cè)定一次，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)中心溫度與表面溫度差產(chǎn)生混凝土結(jié)構(gòu)表層與環(huán)境溫度差相同時(shí)小于20℃時(shí)可停止測(cè)溫，由于裂縫的存在和發(fā)展通常會(huì)使內(nèi)部的鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕，降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗?jié)B能力，影響建筑物的外觀、使用壽命，嚴(yán)重的將威脅到人民的生命、財(cái)產(chǎn)。

2.2高性能混凝土配制過程中摻入摻合料及各種外加劑的特點(diǎn)，通過水化熱試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了單摻和復(fù)摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑后水泥水化放熱特征，詳細(xì)分析了單摻和復(fù)摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑對(duì)水泥水化溫升、水化放熱曲線和水化放熱速率的影響，裂縫是混凝土常見的病害之一，混凝土產(chǎn)生的裂縫原因比較復(fù)雜，高性能的混凝土產(chǎn)生裂縫就會(huì)在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，依靠混凝土的強(qiáng)度來控制拆模時(shí)間，這樣很容易造成混凝土的溫差從而造成建筑的裂縫，在建筑中，地基的承載率設(shè)計(jì)有偏差也會(huì)造成地基在載重方面的作用下承載力下降，使梁柱地基沉陷，裂縫發(fā)生在梁體的中部，兩端沉陷就會(huì)出現(xiàn)裂縫，這種裂縫會(huì)造成橋梁的巨大損失，使橋梁坍塌，而高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，高性能混凝土具有較高的體積穩(wěn)定性，即混凝土在硬化早期應(yīng)具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形，根據(jù)國(guó)際上目前發(fā)表的文章和研究成果，可以認(rèn)為HPC是在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，選用優(yōu)質(zhì)原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的活性細(xì)摻料和高效外加劑的一種新型高技術(shù)混凝土。

2.3混凝土澆筑后，受周圍環(huán)境的影響，容易發(fā)生變形，尤其是溫度對(duì)混凝土的影響很大，混凝土受氣溫影響，變形過程中就容易出現(xiàn)裂縫。高性能混凝土出現(xiàn)裂縫的原因有以下幾種：

（1）澆筑時(shí)溫度的影響。溫度對(duì)混凝土的影響是最為重要的，在建筑工程中，如果澆筑溫度較高的構(gòu)件時(shí)，溫度過高會(huì)加速水泥水化，從而放熱，就會(huì)加快混凝土的溫升[2]。如果環(huán)境的溫度過低，混凝土就會(huì)受氣溫的影響，急速的降溫，從而就會(huì)產(chǎn)生溫降收縮，這樣極易導(dǎo)致混凝土收縮變形，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。

（2）外加劑的影響?；炷猎谑褂脮r(shí)，為了彌補(bǔ)某種條件的缺陷，會(huì)加入一定劑量的外加劑，比如減水劑。減水劑可以有效的減少混凝土的用水量，從而提高混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)還能達(dá)到節(jié)約水泥的目的。外加劑的使用，會(huì)使混凝土有一定程度的變形，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)也會(huì)影響到混凝土的性質(zhì)，從而使混凝土產(chǎn)生裂縫。

（3）礦物摻合料的影響。礦物摻合料的加入很大程度上改善了混凝土的性質(zhì)，尤其是提高了混凝土的耐久性，加強(qiáng)了其抗?jié)B性。在混凝土的礦物摻合料中，經(jīng)常用到的是粉煤灰，粉煤灰加入混凝土中，會(huì)發(fā)生填充效應(yīng)，改善混凝土的的工作性能。高性能混凝土一般采用的是低水比，因此常常加入外加劑或者礦物摻合料，這樣能夠有效的防止混凝土開裂，有時(shí)為了彌補(bǔ)混凝土的收縮，會(huì)加入一定劑量的膨脹劑，這樣就會(huì)擴(kuò)大混凝土的體積，如果加入過多的外加劑，混凝土就會(huì)缺水過多，從而導(dǎo)致混凝土裂縫變寬，同時(shí)增到裂縫。粉煤灰摻合料可以有效的控制高性能混凝土裂縫的產(chǎn)生，但這需要控制粉煤灰的摻入量，只有當(dāng)摻合料的摻入量控制在20%――40%時(shí)，才能起到積極的作用，如果摻入量控制不到位，就會(huì)適得其反[3]。當(dāng)混凝土中加入過量的粉煤灰時(shí)，就會(huì)擴(kuò)大裂縫的面積，由于過量的粉煤灰會(huì)吸收掉混凝土中的水分，這樣就會(huì)加大裂縫的寬度，同時(shí)裂縫面積也會(huì)變大。礦物摻合料可以有效的抑制高性能混凝土的開裂，但是必須把握好摻入量。

（4）骨料的影響。骨料的膨脹系數(shù)可以對(duì)高性能混凝土產(chǎn)生影響。低熱膨脹系數(shù)的骨料可以減小混凝土變形，從而降低收縮的約束力，降低混凝土開裂的敏感度。同時(shí)，碎骨料是混凝土變得粗糙，增大混凝土的粘著力，這樣就提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，也就降低了混凝土的開裂程度。大顆粒骨料可以減少水泥使用量，同時(shí)降低水泥的水化熱，有效的控制混凝土的溫升，降低混凝土的變形約束力，但是較大顆粒的骨料會(huì)降低混凝土的抗拉強(qiáng)度，在使用時(shí)需要注意。

（5）水泥自身的影響。水泥品種不同就會(huì)有不同的性質(zhì)，從而抗裂性質(zhì)也就不同，不同規(guī)格的水泥，變形特質(zhì)也不同，水泥的質(zhì)量的好壞會(huì)直接導(dǎo)致水泥的開裂敏感度。

3. 橋梁高性能混凝土裂縫的控制

（1）高強(qiáng)混凝土必須是高性能混凝土，而高性能混凝土不一定非要強(qiáng)度高，如水工結(jié)構(gòu)物，對(duì)強(qiáng)度要求并不高（C30左右），但對(duì)耐久性要求卻很高，對(duì)此，我們將進(jìn)行控制，首先我們要對(duì)原材料和施工的工藝進(jìn)行控制，要選用水化熱比較低的水凝，盡量滿足混凝土的強(qiáng)度，其次，盡量減少單方混凝土的水泥用量，減少水的用量，盡量控制混凝土自身的收縮性，施工中盡量避免粗骨料下沉造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，從而避免橋梁中部出現(xiàn)裂縫，同時(shí)在進(jìn)行施工時(shí)還要掌握氣候變化，特別在氣溫高，濕度低或風(fēng)大的情況下需要采取覆蓋措施減少水分蒸發(fā)，考慮徐變影響后求得大體積混凝土綜合溫度應(yīng)力。最后，運(yùn)用Matlab編寫了溫度場(chǎng)和應(yīng)力求解程序。 在上述理論指導(dǎo)下，針對(duì)現(xiàn)代高性能混凝土配制過程中摻入摻合料及各種外加劑的特點(diǎn)，通過水化熱試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了單摻和復(fù)摻粉煤灰和放熱特征，詳細(xì)單摻和復(fù)摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑對(duì)水泥水化溫升、水化放熱曲線和水化放熱速率的影響，通過多方面的考慮盡可能的減少橋梁出現(xiàn)裂縫。

（2）在建筑中一旦出現(xiàn)裂縫應(yīng)當(dāng)需要處理裂縫數(shù)量較多時(shí)，先要在裂縫位置上貼醫(yī)用白膠布，再用窄毛刷沾漿沿裂縫來回涂刷封縫，使裂縫封閉，大約10分鐘后，揭去膠布條，露出小縫，粘貼注漿嘴用鍵包嚴(yán)，固化后周邊可能有裂口，必須反復(fù)用漿補(bǔ)上，以避免注漿漏漿，其產(chǎn)生原因既有必然性也有偶然性，必然性是指其本身的一些特性，偶然性是指人為因素造成的一些特性，要針對(duì)不同的原因采取不同的措施，對(duì)癥下藥，在施工過程中，從原材料的選用到施工工藝技術(shù)的改進(jìn)，層層把關(guān)就會(huì)避免混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，保證高性能混凝土結(jié)構(gòu)的安全，一般來說，要求混凝土的收縮變形、徐變變形小，彈性模量高，溫度膨脹系數(shù)盡量與鋼筋一致，施工時(shí)，首先用鋼絲刷子將混凝土表面打毛，清除表面附著物，用水沖洗干凈后充分干燥，然后用樹脂充填混凝土表面的氣孔，再用修補(bǔ)材料涂覆表面，因此，混凝土工藝要根據(jù)工程所處的環(huán)境條件，使用耐久要達(dá)到100年以上來配制，用這種混凝土減少橋梁的裂縫。

4. 橋梁高性能混凝土裂縫的預(yù)防措施

（1）在施工中將礦物摻合料代替部分水泥用量摻入混凝土中可降低工程成本，粗細(xì)骨料的用量是影響混凝土質(zhì)量的重要因素粗細(xì)骨料占混凝土體積的80%左右，所以要控制砂石用量，粗集料宜用表面粗糙，質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好、空隙率小、無堿性反應(yīng)，有害物質(zhì)及黏土含量不得超過規(guī)定要求，細(xì)骨料宜用顆粒較粗，空隙率小、含泥量較低的中砂，雖然高性能混凝土在成本上比普通混凝土要高一些，但由于減小了截面尺寸，減輕了結(jié)構(gòu)自重，降低了鋼筋用量，這對(duì)自重占荷載主要部分的混凝土結(jié)構(gòu)具有特別重要的意義，在混凝土的配制強(qiáng)度應(yīng)較在一般配制強(qiáng)度的基礎(chǔ)上再提高10%～20%，使設(shè)計(jì)的橋梁在設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求、抗凍融循環(huán)的要求、抗通電量的指標(biāo)、順利的灌注、混凝土的內(nèi)實(shí)都能達(dá)到外美、不出裂紋，通過降低水膠比、強(qiáng)化水泥石與集料的界面、改善水泥水化產(chǎn)物、降低孔隙比、提高密實(shí)度來實(shí)現(xiàn)高耐久、高強(qiáng)度、高性能。

（2）測(cè)試混凝土中心溫度的方法，在混凝土構(gòu)件中埋設(shè)測(cè)溫探討，將測(cè)溫探頭放置在預(yù)先埋設(shè)測(cè)溫探頭，將測(cè)溫探頭放置在預(yù)先選定的位置（如混凝土集中的部位中心、混凝土表面位置）用綁絲捆綁在構(gòu)件鋼筋上，用塑料袋包好連接頭以防水影響使用，們對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性等要求也不斷提高，這些都使得高性能混凝土的研制和應(yīng)用成為必然的要求，在配合比設(shè)計(jì)過程中兩次試驗(yàn)調(diào)整是很重要的兩個(gè)階段，要解決好兩次試驗(yàn)調(diào)整，必需掌握三大技術(shù)關(guān)鍵，水灰比法則是指混凝土強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度成正比，與水灰比成反比，要大幅度提高混凝土的耐久性，就必須減少或消除這些穩(wěn)定性低的組分，特別是游離石灰，高性能道橋路面混凝土的耐久性高性能道面混凝土的主要特征是具有足夠的耐久性，能夠抵抗氣候和環(huán)境的長(zhǎng)期破壞作用，保證在道面的設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)，混凝士能夠正常工作。

5. 結(jié)束語

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，橋梁建筑的不斷施工，越來越多的混凝土裂縫出現(xiàn)，人們不斷地追求者高質(zhì)量的東西，從而用高性能的混凝土來代替混凝土本身的價(jià)值， 因此為了能配制出優(yōu)良的高性能混凝土，必需熱練掌握這三大技術(shù)關(guān)鍵，而高性能的混凝土也將成為建筑橋梁的最好工具和前景，在工程安全使用期、經(jīng)濟(jì)合理性、環(huán)境條件的適應(yīng)性等方面產(chǎn)生了明顯的效益，因此被各國(guó)學(xué)者所接受，被認(rèn)為是今后混凝土技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.2.

[2]鞠麗艷. 混凝土裂縫抑制措施的研究進(jìn)展.混凝土，2002. 5.