橋梁工程大體積混凝土施工裂縫控制探析

肖萬(wàn)坤

摘 要：在對(duì)橋梁工程進(jìn)行建設(shè)的時(shí)候，合理的運(yùn)用大體積混凝土，可以使主體結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，但是在膠凝材料水化熱過(guò)程中，會(huì)使溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致混凝土收縮，從而出現(xiàn)裂縫，最終會(huì)對(duì)水工碼頭整體施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。本文以某碼頭工程為例，對(duì)其裂縫產(chǎn)生原因、控制和處理手段等問(wèn)題進(jìn)行了闡述，為今后橋梁大體積混凝土的施工提供參考。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;橋梁;控制措施;施工裂縫

中圖分類號(hào)：U445.57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 工程概述

荔榕高速獨(dú)家村1號(hào)橋，橋長(zhǎng)274.04 m、寬28.5 m，由于貴州多山，該橋梁在兩山之間，最高矩形橋墩墩高45.9 m，其承臺(tái)、方柱墩均為大體積混凝土，承臺(tái)所使用的混凝土尺寸為14.316 m*7.5（3） m*2.5 m，強(qiáng)度為C30，單體體積為248.7 m3;矩形橋墩尺寸為42.972m*2.6m*2.2m，強(qiáng)度為C40，斷面最小處尺寸為2 m，均為大體積混凝土。在對(duì)首件方塊進(jìn)行預(yù)制時(shí)在對(duì)首件承臺(tái)進(jìn)行澆筑時(shí)，將混凝土的模板拆除后，發(fā)現(xiàn)其表面出現(xiàn)裂縫，且裂縫為不規(guī)則的。為了使工程質(zhì)量得到保障，為了使該問(wèn)題得到解決，項(xiàng)目部進(jìn)行了論證分析，并對(duì)解決方案進(jìn)行篩選，從而使大體積混凝土裂縫問(wèn)題得到解決。

2 大體積混凝土的定義

通過(guò)相關(guān)規(guī)范可知，大體積混凝土主要判斷方式為：（1）混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)最小尺寸大于1 m;（2）混凝土中膠凝材料在水化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生收縮和溫度變化，從而產(chǎn)生裂縫，其也為大體積混凝土。目前，大體積混凝土結(jié)構(gòu)在水利大壩、高層建筑以及大型橋梁中應(yīng)用較為廣泛，在對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和施工時(shí)，由于多種原因的存在，會(huì)使其產(chǎn)生裂縫，從而使其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能受到影響，最終會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量或安全問(wèn)題的發(fā)生。因此，為了使大體積混凝土質(zhì)量得以提高，項(xiàng)目部應(yīng)對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和干預(yù)。

3 大體積混凝土裂縫的特點(diǎn)及成因

通過(guò)對(duì)工程實(shí)際情況進(jìn)行分析可知，上表面層以及預(yù)埋筋周邊為承臺(tái)混凝土裂縫的聚集區(qū)，這些裂縫是在硬化初期產(chǎn)生的。以大體積混凝土特點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)裂縫進(jìn)行分析可知：（1）上表面層的裂縫比較淺，且不規(guī)劃，通常會(huì)在拆模后不久產(chǎn)生此種裂縫，通過(guò)對(duì)裂縫產(chǎn)生時(shí)間以及施工環(huán)境進(jìn)行分析可知，該種裂縫主要是因?yàn)楹笃陴B(yǎng)護(hù)不符合規(guī)范，導(dǎo)致混凝土表面脫水，從而造成塑性裂縫，與此同時(shí)，骨料下沉、混凝土離析、養(yǎng)護(hù)工藝不符合要求以及拆模過(guò)早等因素也會(huì)造成塑性裂縫。（2）預(yù)埋筋周邊的裂縫呈現(xiàn)出發(fā)育狀態(tài)，分布規(guī)律，且裂縫深處存在鋼筋，由此可知，該裂縫為應(yīng)力集中裂縫，主要是溫度收縮應(yīng)力不均導(dǎo)致。

除了以上兩種裂縫，還存在干燥收縮、溫度收縮以及溫差裂縫。主要內(nèi)容為：

（1）干燥收縮裂縫。該種收縮主要出現(xiàn)在混凝土硬化后，混凝土或水泥石干燥時(shí)，其中的水會(huì)蒸發(fā)成蒸汽，在此過(guò)程中，水泥石中毛細(xì)孔以及大孔洞中的水都會(huì)隨之蒸發(fā)，最先蒸發(fā)的水為大孔洞中的水，此過(guò)程不會(huì)造成混凝土的收縮，其次為毛細(xì)孔中的水發(fā)生蒸發(fā)，雖然此過(guò)程蒸發(fā)水的量越來(lái)越少，但是收縮量卻會(huì)不斷增加，從而造成收縮裂縫。

（2）溫度收縮裂縫。結(jié)構(gòu)散熱降溫、水化熱的絕熱溫升以及澆筑溫度都是組成混凝土內(nèi)部溫度的因素，與此同時(shí)，外界氣溫也會(huì)對(duì)混凝土澆筑溫度產(chǎn)生影響。當(dāng)外部氣溫較高時(shí)，混凝土的澆筑溫度也會(huì)提高。因此當(dāng)外界氣溫下降較快時(shí)，會(huì)使混凝土內(nèi)部和外層的溫度梯度增加，從而造成溫度收縮裂縫。

以上兩種收縮裂縫規(guī)律性較強(qiáng)，通常在混凝土硬化中期產(chǎn)生，多發(fā)生在承臺(tái)寬度（或長(zhǎng)度）方向的1/2、1/4、1/8等位置。

（3）溫差裂縫。該種裂縫出現(xiàn)的原因?yàn)椋核嗨艧?，?dǎo)致混凝土表面和內(nèi)部溫差增加。通常水泥水化熱為165 J/g～250 J/g，當(dāng)水泥用量增加時(shí)，其絕熱溫升會(huì)隨之加大，可達(dá)50℃～80℃，根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)10℃時(shí)，其冷縮值約為0.01%，溫差越大，該值也會(huì)增加，當(dāng)其超過(guò)極限拉伸時(shí)，結(jié)構(gòu)便會(huì)出現(xiàn)裂縫。該種裂縫較為不規(guī)律，通常在混凝土硬化早期發(fā)生。

4 對(duì)大體積混凝土裂縫進(jìn)行控制

項(xiàng)目部在對(duì)承臺(tái)進(jìn)行澆筑時(shí)，裂縫通常發(fā)生在初期階段，在對(duì)大體積混凝土進(jìn)行施工前，施工人員應(yīng)先以目標(biāo)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，對(duì)其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，在此過(guò)程中，應(yīng)先對(duì)承臺(tái)現(xiàn)澆混凝土構(gòu)建最高溫度以及絕熱溫升進(jìn)行估算，并對(duì)混凝土的外約束應(yīng)力和自約束應(yīng)力加以計(jì)算，最后以混凝土各齡期的抗裂安全系數(shù)和抗拉強(qiáng)度為基礎(chǔ)，對(duì)混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷。經(jīng)過(guò)研究可知，該橋梁承臺(tái)現(xiàn)澆混凝土具有較小的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但是對(duì)矩形橋墩混凝土進(jìn)行分析時(shí)，可發(fā)現(xiàn)其抗裂安全系數(shù)較小，因此容易產(chǎn)生干燥和溫度收縮裂縫，為了避免深層裂縫或結(jié)構(gòu)貫穿裂縫的產(chǎn)生，施工人員應(yīng)采取相應(yīng)的措施對(duì)其進(jìn)行控制。當(dāng)前管養(yǎng)措施、降溫措施以及構(gòu)造措施等是混凝土裂縫控制的主要措施，主要內(nèi)容為：

（1）構(gòu)造措施。在對(duì)大體積混凝土實(shí)施施工之前，施工人員可以對(duì)構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其抗裂安全系數(shù)進(jìn)一步提高，從而達(dá)到降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的目的，由于預(yù)制方塊尺寸較小，可采取一次性方式進(jìn)行澆筑。在對(duì)矩形橋墩進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行合理的分層和分段施工，由于矩形橋墩尺寸為45.9 m*2.6 m*2.2 m，因此可采用分層多次的方式實(shí)施澆筑。

（2）降溫措施。①對(duì)入模溫度進(jìn)行控制：風(fēng)冷、噴霧等倉(cāng)面降溫，提高澆筑效率、對(duì)入倉(cāng)時(shí)間進(jìn)行控制，使用冰水或制冷水等低溫水進(jìn)行拌和，采用預(yù)冷、灑水以及遮陽(yáng)等方式對(duì)骨料溫度進(jìn)行控制，在溫度較低時(shí)段進(jìn)行施工;②對(duì)混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行控制：為對(duì)混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管的處理方式，達(dá)到通水降溫的目的。

（3）管養(yǎng)措施?；炷两K凝后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的養(yǎng)護(hù);拆除承臺(tái)或矩形橋墩的模板后，應(yīng)設(shè)專人進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證構(gòu)件表面長(zhǎng)時(shí)間保持濕潤(rùn)，使構(gòu)件表面濕度盡量接近于標(biāo)養(yǎng)濕度，通常應(yīng)大于90%;在對(duì)矩形橋墩進(jìn)行管養(yǎng)時(shí)，應(yīng)采用專人養(yǎng)護(hù)和覆蓋土工布的方式，通常為了提高養(yǎng)護(hù)效果，可鋪設(shè)雙層土工布、加涂養(yǎng)護(hù)劑。在對(duì)養(yǎng)護(hù)期溫度進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)做到如下幾點(diǎn)：①混凝土內(nèi)部（表面下50 mm或100 mm到中心的位置）溫差應(yīng)小于20℃;②混凝土表面（表面下50 mm或100 mm）與外界溫度溫差應(yīng)小于25℃;③應(yīng)將混凝土降溫速度控制在2℃/d以內(nèi);④當(dāng)拆除保護(hù)層后，大氣和混凝土表面溫差應(yīng)小于20℃。在對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)從澆筑初期開(kāi)始計(jì)算，若水泥為普通硅酸鹽水泥，則養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)大于14天;若水泥為其他水泥，則養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)大于21天;夏季施工時(shí)，應(yīng)對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行增加。

在對(duì)大體積混凝土裂縫進(jìn)行控制時(shí)，除了上述主要措施外，還應(yīng)對(duì)配合比和材料進(jìn)行優(yōu)化和選擇。例如，可采用外加緩凝劑、礦渣、粉煤灰，降低膠凝材料用量、選擇低水化熱材料以及選擇大規(guī)格骨料等方式對(duì)混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行控制，使混凝土內(nèi)部的約束應(yīng)力得到控制，從而使抗裂安全系數(shù)降低，最終達(dá)到降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的目的。

5 裂縫問(wèn)題和處理方式

在對(duì)首件承臺(tái)進(jìn)行施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)其表面存在不規(guī)則裂縫，產(chǎn)生這種裂縫的原因是因?yàn)榛炷烈盒赞D(zhuǎn)化到塑性的速度較快，導(dǎo)致水分蒸發(fā)速率增加，是環(huán)境溫度升高，從而出現(xiàn)塑性收縮，當(dāng)抗裂應(yīng)力低于溫度應(yīng)力時(shí)（如圖1可知大體積混凝土水化熱過(guò)程中的主要溫度變化），便會(huì)出現(xiàn)塑性收縮裂縫。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)可知，裂縫的寬度為0.15 mm，長(zhǎng)為30 mm～150 mm，深度較淺。

以首件承臺(tái)為例，對(duì)其表面裂縫進(jìn)行處理，主要應(yīng)使用灌注水泥素漿刮平、加強(qiáng)管養(yǎng)的方式對(duì)其進(jìn)行處理。為了對(duì)后續(xù)大體積混凝土裂縫進(jìn)行預(yù)防，應(yīng)采用二次振搗、抹壓的方式進(jìn)行處理，對(duì)表面裂縫進(jìn)行控制。

除了表面裂縫之外，大體積混凝土還包括貫穿裂縫、深層裂縫以及細(xì)微裂縫。貫穿裂縫以及深度裂縫會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響，因此項(xiàng)目部應(yīng)對(duì)修補(bǔ)方案進(jìn)行編制，采取有效的方式對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)，在對(duì)修補(bǔ)材料進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)采用與混凝土顏色一致、不收縮、穩(wěn)定性好以及粘結(jié)強(qiáng)度高的材料，主要可以采用電化學(xué)防護(hù)法、混凝土置換法、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法、灌漿法以及填充法等。通常采用表面貼補(bǔ)法和涂抹法對(duì)表面裂縫進(jìn)行處理，涂抹材料通常為可環(huán)氧樹(shù)脂，與此同時(shí)，還可使用土工膜對(duì)表面裂縫進(jìn)行處理。細(xì)微裂縫通常不會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響，因此可不進(jìn)行處理。

近幾年，在新技術(shù)和新材料的應(yīng)用過(guò)程中，混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)發(fā)展迅速，具有微膨脹、無(wú)收縮、高強(qiáng)、早強(qiáng)以及快硬等特性的丁苯橡膠、聚醋酸乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂漿料等材料應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

6 總結(jié)

在橋梁、水運(yùn)以及交通等大型主體結(jié)構(gòu)工程中對(duì)大體積混凝土應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此為了使工程整體質(zhì)量得以提升，施工單位應(yīng)對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行控制。在對(duì)大體積混凝土裂縫進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)從管養(yǎng)、施工工藝、配合比、原材料等方面對(duì)其進(jìn)行治理和預(yù)防，做到防患于未然，使混凝土質(zhì)量進(jìn)一步提高，從而達(dá)到提高航道和港口壽命的目的。本文以某碼頭工程中的裂縫問(wèn)題為基礎(chǔ)，對(duì)其裂縫防治進(jìn)行分析，為今后大體積混凝土碼頭的施工奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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