淺談橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與控制

劉杰

摘要：本文分析了橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，并提出了防止裂縫的主要的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：橋梁工程 大體積混凝土裂縫 原因 控制

隨著橋梁技術(shù)的突飛猛進，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應用的越來越多。我國普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物中實體最小尺寸不小于1 m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土；美國則規(guī)定為：任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。

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)通常具有以下特點：混凝土是脆性材料，抗拉強度只有抗壓強度的1/10左右。大體積混凝土的斷面尺寸較大，由于水泥的水化熱會使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升；以及在以后的降溫過程中，在一定的約束條件下會產(chǎn)生相當大的拉應力。大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應力要由混凝土本身來承擔。

1.1 水泥水化熱的影響

水泥水化過程中放出大量的熱，且主要集中在澆筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的熱量，如果以水泥用量350Kg/m3～550 Kg/m3來計算，每m3混凝土將放出17500KJ～27500KJ的熱量，從而使混凝土內(nèi)部升高。（可達70℃左右，甚至更高）。尤其對于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴重。因為混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，表面產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

1.2 混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下的這種自發(fā)變形，受到外部約束時（支承條件、鋼筋等），將在混凝土中產(chǎn)生拉應力，使得混凝土開裂。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。

1.3 外界氣溫濕度變化的影響

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快，會造成很大的溫度應力，極其容易引發(fā)混凝土的開裂[1]。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會加速混凝土的干縮，也會導致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

2 大體積混凝土裂縫的控制

2.1 大體積混凝土中水泥的品種及用量

理論研究表明大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。于是，我們對于橋梁中的大體積混凝土應該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內(nèi)礦物成分的不同。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣（C3A），其他成分依次為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）和鐵鋁酸四鈣 （C4AF）。另外，水泥越細發(fā)熱速率越快，但是不影響最終發(fā)熱量。因此我們在大體積混凝土施工中應盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。我們應該充分利用混凝土的后期強度，以減少水泥的用量。因為大體積混凝土施工期限長，不可能28d向混凝土施加設(shè)計荷載，因此將試驗混凝土標準強度的齡期向后推遲至56d 或者90d 是合理的[3]。這是基于這一點，國內(nèi)外很多專家均提出類似的建議。這樣充分利用后期強度則可以每m3？混凝土減少水泥40 Kg～70 Kg左右，混凝土內(nèi)部的溫度相應降低4℃～7℃。

2.2 摻加外加料和外加劑

在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密實度，提高抗?jié)B能力，改善混凝土的工作度，降低最終收縮值，減少水泥用量。要降低大體積混凝土的水泥水化熱引起的內(nèi)部溫升，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫，利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。外加劑可以從以下幾個方面來選擇。UFA 膨脹劑，它可以等量替換水泥。并且是混凝土產(chǎn)生適度的膨脹。一方面保證混凝土的密實度，另一方面使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力，以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應力。減水緩凝劑，并應保證一定的坍落度。這樣可以延緩水化熱的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以達到減少水化熱的目的。

2.3 大體積混凝土的骨料控制

在骨料的選擇上應該選取粒徑大強度高級配好的骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積，從而減少水泥的用量，降低水化熱，減少干縮，減小了混凝土裂縫的開展。

2.4 優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)計

雖然大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，我們還是可以在裂縫易發(fā)生部位如孔洞周圍以及轉(zhuǎn)角處布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔拉應力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。為了避免裂縫的出現(xiàn)，在設(shè)計中利用中低強度底水泥充分利用混凝土的后期強度。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應當盡量取較小值，因為保護層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫。

2.5 大體積混凝土的施工

混凝土施工包括混凝土的生產(chǎn)、運輸、澆筑和溫度及表面保護，是保護大體積混凝土溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而熱應力的控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)外溫差△T：

△T=Tp+Tr-Tf

式中：Tp—起始澆筑溫度；Tr—水泥水化溫升；Tf—天然或人工冷卻后澆筑塊的穩(wěn)定溫度。

在溫度較高的情況下進行施工，我們一定要注意降低混凝土澆筑時的溫度?？梢栽谑┕がF(xiàn)場對堆在露天的砂石用布覆蓋，以減少陽光對其的輻射，同時對澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向混凝土中添加冰水。以上這些措施都可以有效的降低混凝土的入模溫度。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，以便加快混凝土內(nèi)部的熱量散發(fā)。混凝土表面應該覆蓋一些織物進行保溫、保濕養(yǎng)護，這樣不但可以降低混凝土內(nèi)外溫差，防止表面產(chǎn)生裂縫，還可以防止混凝土驟然降溫產(chǎn)生貫穿裂縫，并且還可以使水泥順利水化，防止產(chǎn)生濕度裂縫。為了及時掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度變化值，可以在混凝土內(nèi)埋設(shè)一定量的測溫點，從而可以更好的了解混凝土的溫度變化情況，一旦內(nèi)外溫差超過允許值25℃，好及時采取措施。

如果是在冬季進行施工，因為要防止早期混凝土被凍問題，所以要求混凝土澆筑時應該具有較高的澆筑溫度。但另一方面，正是由于天氣寒冷，混凝土穩(wěn)定溫度一定較低，往往超過允許溫差，不能防止混凝土裂縫要求。所以，混凝土澆筑溫度在冬季施工時一般以5℃～10℃為宜，在澆筑混凝土以前還應該對基礎(chǔ)及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預熱，對原材料應視氣溫高低進行加熱。加熱石料時應避免過熱和過分干燥，最高溫度不應超過75℃。另外還要注意運輸中的保溫、澆筑過程中減少熱量的損失以及保溫養(yǎng)護。

3 結(jié)束語

綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明：只要我們在設(shè)計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是完全可以避免危害結(jié)構(gòu)的裂縫的產(chǎn)生。