淺談大體積混凝土裂縫的控制

侯世杰

山東省青島市中鐵二十局集團第四工程有限公司（266000）

1 工程概況

牛角田特大橋位于廣西省博白縣東平鎮(zhèn)境內(nèi)，全長747.71 m，孔跨布置為2～24m+21～32 m后張法預(yù)應(yīng)力簡支T梁。本橋跨越山谷、南流江支流而設(shè)，線路于DK71+844.2-DK71+905.7處跨越南流江支流，河道主槽寬26 m。谷底到鐵路軌面高有28.87m,其中11#墩最大墩高為29.75m，混凝土體積最大為398.64m3。

2 現(xiàn)狀分析

首先，在玉鐵鐵路混凝土施工過程中，常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運轉(zhuǎn)過程中，溫度變化對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。而我們遇到的主要是凝結(jié)硬化過程中的溫度裂縫，因此在這里僅對混凝土硬化過程中宏觀裂縫的成因和控制措施。

3 裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝土的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。

4 溫度應(yīng)力的分析

根據(jù)多年在施工現(xiàn)場大體積混凝土溫度測量得知，根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個階段:

1）早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30 d。特別是前1～5 d放熱最多，核心溫度將達(dá)到70℃左右。這個階段的兩個特征:①水泥放出大量的水化熱；②混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

2）中期:自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度止，這個時期中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

3）晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類:

1）自生應(yīng)力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。

2）約束應(yīng)力:結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。

這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項比較復(fù)雜的工作的,在大多數(shù)情況下，需要依靠模型試驗或數(shù)值計算。混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松馳，具體計算如下:

混凝土澆筑前裂縫控制施工計算:

1）綜合數(shù)據(jù)確定

①混凝土配合比

混凝土設(shè)計強度等級為C30，配合比水:水泥:粉煤灰:外=153:224:51:31。

②基本數(shù)據(jù)取定與計算

水泥水化熱:Q=377 J/kg；

混凝土比熱:C=0.96 J/kg·K；

混凝土質(zhì)量密度:ρ=2400 kg/m3。

2）混凝土內(nèi)部最高溫度的估算

因為混凝土一般在2～5天水化熱溫度達(dá)到最高，在溫度上升階段,混凝土的彈性模量較低,約束應(yīng)力較小,故不必考慮其溫度上升階段的裂縫問題?；炷羶?nèi)外溫差應(yīng)力只與混凝土中心與表面的溫差值有關(guān)，該溫差值應(yīng)符合規(guī)范溫差要求：混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃。故計算保溫層和實際施工時，按25℃溫差值控制。計算如下:

入模溫度考慮28℃時,最高溫升值為28+40.8=68.8℃，達(dá)到最大溫升值時,混凝土表面的最低允許溫度為:43.8℃。

同理計算，Tmax=55.7℃,最高溫升值為83.5℃，達(dá)到最大溫升值時,混凝土表面的最低允許溫度為:58.7℃。

4 溫度的控制和防止裂縫的措施

控制溫度的措施如下:

1）拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。

2）夏天或者天氣氣溫高時澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,最少控制每層澆筑厚度在20 cm以內(nèi)，利用澆筑層面散熱。

3）規(guī)定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強養(yǎng)護，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫是十分重要，因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑。

5 混凝土的早期養(yǎng)護

施工實踐中證明，混凝土常見的裂縫，大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成，寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫，因此說在施工中混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。

從溫度應(yīng)力觀點出發(fā),保溫應(yīng)達(dá)到下述要求:1）防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫。2）防止混凝土超冷，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。3）防止老混凝土過冷，以減少新老混凝土間的約束。

施工中混凝土的早期養(yǎng)護，主要目的在于保持適宜的溫度、濕度條件，以達(dá)到兩個方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進行，以達(dá)到設(shè)計的強度和抗裂能力。

適宜的溫度、濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的?；炷恋谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч?。

6 結(jié)語

通過對大體積混凝土施工過程的控制和工藝的改進，我項目在保證工期的情況下保證了施工質(zhì)量。2011年2月～2011年5月完成的墩臺身統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：減少返工時間31 h，縮短工期4 d，效果相當(dāng)顯著。

參考資料:

[1] TB10424-2010/J1155-2011,鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)[S].鐵建設(shè)[2010]241號.鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南.