橋梁施工大體積混凝土裂縫成因與防治研究

鮑洪雨

北鎮(zhèn)市交通服務(wù)中心 遼寧錦州 121300

1 裂縫產(chǎn)生的原因

橋梁大體積混凝土具有以下突出特征：首先是體積大，其截面積大于普通混凝土的截面積；水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部升溫比較快；混凝土本身屬于脆性材料，其抗拉強(qiáng)度僅為其抗壓強(qiáng)度的1/10左右。當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差較大時會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。另外隨著混凝土的冷卻，還會產(chǎn)生明顯的拉伸應(yīng)力，從而形成收縮裂縫。因此在施工時必須嚴(yán)格控制各項(xiàng)施工技術(shù)指標(biāo)，降低裂縫發(fā)生率。下面是對橋梁大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因的簡要分析和防治措施。

1.1 混凝土的水化熱

水泥在澆筑后會長時間發(fā)生水化反應(yīng)，釋放大量熱量。水化時間通常集中在在澆筑后的7天內(nèi)。通常，每1克水泥可釋放約500焦耳的熱量。如果水泥的重量為每立方米350-550kg，則水泥的水化將產(chǎn)生每立方米水泥17500-27500kJ的熱量。此時，內(nèi)部溫度急劇上升。研究表明，最高溫度可以達(dá)到70℃左右，甚至高于該值。對于大體積混凝土，由于其體積大，難以散熱。特別是混凝土內(nèi)部和外部的冷卻條件不同，當(dāng)外部區(qū)域溫度顯著下降時，其內(nèi)部溫度仍然很高。在這種情況下，形成溫度梯度，拉伸應(yīng)力立即出現(xiàn)在表面上。當(dāng)拉伸應(yīng)力超過最大拉伸強(qiáng)度時，會發(fā)生各種程度的裂紋[1]。

1.2 混凝土的收縮

澆筑混凝土后，它在空氣中凝結(jié)，混凝土的體積相應(yīng)減少。此過程稱為混凝土收縮。在收縮過程中，有必要防止混凝土在外力的作用下自發(fā)變形。當(dāng)受到外力約束時，內(nèi)部會產(chǎn)生拉應(yīng)力，這也是造成裂紋的重要原因。收縮分為三種：塑性收縮，溫度收縮和干收縮。硬化后的初期，水泥中的顆粒數(shù)量在水化過程中發(fā)生變化，而在后期，內(nèi)部水蒸發(fā)，導(dǎo)致干燥收縮和變形。

1.3 外界溫度變化的影響

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程中，外部環(huán)境溫度和濕度的變化對混凝土的質(zhì)量有重大影響?；炷恋膬?nèi)部溫度主要來自澆筑時的初始溫度和水化過程的影響。澆筑過程中的初始溫度通常受外部環(huán)境的影響，并且通常成比例。換句話說，外部溫度越高，澆筑溫度越高，但是如果外部溫度太低，則內(nèi)部將形成更嚴(yán)重的溫度梯度，并且溫度變化的范圍將很大。其次，內(nèi)部存在明顯的熱應(yīng)力，這也會引起裂紋。另外，外部環(huán)境濕度與裂縫有很大關(guān)系。隨著混凝土的收縮，濕度會進(jìn)一步下降。如果空氣相對干燥，則干燥收縮率會更快，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋[2]。

2 橋梁施工大體積混凝土裂縫防治措施

為了防治混凝土裂縫，在綜合分析大體積混凝土裂縫成因的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取科學(xué)有效的措施，如加強(qiáng)原材料控制、加強(qiáng)溫度控制、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計等。具體情況如下：

2.1 加強(qiáng)原材料控制

水泥水化熱是產(chǎn)生溫度應(yīng)力的主要因素之一，加強(qiáng)對原材料的控制顯得尤為重要。首先，施工企業(yè)要關(guān)注原材料的質(zhì)量水平，加強(qiáng)對建筑材料的質(zhì)量驗(yàn)收和事前檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)不合格材料不能用于現(xiàn)場施工，應(yīng)保證水泥、粗細(xì)集料、外加劑、摻合料及水等原材料符合施工技術(shù)指標(biāo)要求，為保證混凝土工作性能奠定重要基礎(chǔ)。其次，施工企業(yè)還應(yīng)優(yōu)先選用低水化熱、凝結(jié)時間長的水泥，如中低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥等；選用連續(xù)級配的粗集料；細(xì)集料宜為中砂。同時，在有必要時應(yīng)摻用降低早期水化熱的摻和料，如粉煤灰、?；郀t礦渣等。外加劑宜選用緩凝型減水劑。

2.2 加強(qiáng)對溫度的控制

在凝結(jié)和硬化的早期階段，混凝土結(jié)構(gòu)對外部溫度敏感，要及時進(jìn)行冷卻和保濕，需要從四個方面入手：一方面是夏季施工時降低澆筑溫度，保證澆筑溫度不宜高于28℃，最重要的是降低混凝土的入模溫度。這樣可以減少大體積混凝土的總體溫升以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部之間的溫差。最直接和有效的方法是降低原材料溫度，安裝遮陽設(shè)備，避免原材料日光暴曬，骨料堆場采用堆高、噴淋等措施。拌合用水采取地下水、冷卻水、冰水等低溫水?dāng)嚢杌炷?。混凝土澆筑工作?yīng)在一天中氣溫較低時進(jìn)行。在冬天，不建議在溫度較低時拌合以減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部之間的溫差，保證混凝土入模溫度不低于10℃。第二方面是使用分層澆筑法，將每層的澆筑厚度控制在30cm-50cm以內(nèi)，并執(zhí)行緊湊的振動以促進(jìn)水化熱的散熱并防止出現(xiàn)裂紋。大體積混凝土澆筑時宜采用二次振搗工藝，第二次振搗提高了混凝土的密實(shí)性和兩層混凝土之間的粘合性，大大提高了混凝土的抗裂性能，澆筑面應(yīng)及時進(jìn)行二次抹壓處理，減少表面收縮裂縫。第三是采取良好的養(yǎng)護(hù)保濕措施，主要在剛澆筑的混凝土固化和硬化階段，由于在此期間水合速率相對較快，因此必須噴水霧等以使環(huán)境濕潤。及時保濕會減慢混凝土中水的蒸發(fā)，并使水泥完全水合。水泥的水合可以封閉混凝土中的微孔，從而有效地改善混凝土的抗?jié)B性，保證保濕養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時間不少于14天。第四是及時監(jiān)測混凝土澆筑溫度、內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度、冷卻水溫度等參數(shù)，同時監(jiān)控內(nèi)表溫差和降溫速率。請注意，澆筑的大體積混凝土表面和內(nèi)部溫度差不宜超過25℃，實(shí)際溫升不超過50℃?？梢酝ㄟ^分層埋設(shè)冷卻水管控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度，根據(jù)升溫期和降溫期的通水時間和要求監(jiān)控通水的停水時間。布置溫度測量點(diǎn)時，要充分反映大體積混凝土的實(shí)際情況，在混凝土結(jié)構(gòu)物底部、表面、內(nèi)部進(jìn)行平面對稱布設(shè)測區(qū)，測區(qū)內(nèi)測點(diǎn)按平面分層布置。將測量點(diǎn)之間的距離設(shè)置為2.5m至5m。溫度監(jiān)測每工作班不應(yīng)少于2次，持續(xù)時間一般不應(yīng)少于20天，并做好詳細(xì)記錄為及時調(diào)整和優(yōu)化溫控措施提供可靠數(shù)據(jù)。

2.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

優(yōu)化混凝土配合比，有效提高混凝土的工作性和密實(shí)性。嚴(yán)格控制水膠比，單位水泥用量、砂率及摻合料用量等技術(shù)指標(biāo)。在保證混凝土強(qiáng)度和工作性能要求的前提下減少膠凝材料中水泥的用量，提高礦物摻合料及骨料的用量。在進(jìn)行設(shè)計時宜進(jìn)行水化熱的驗(yàn)算或測定。此外，為減少裂縫的發(fā)生，施工企業(yè)還應(yīng)提高配合比設(shè)計水平，以滿足實(shí)際施工要求。施工前，根據(jù)實(shí)際承載力要求，進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，確定最佳摻量。

3 結(jié)語

道路橋梁工程施工是一個復(fù)雜的過程，具有許多實(shí)用性，包容性和社會性等屬性。當(dāng)修建混凝土結(jié)構(gòu)物時，經(jīng)常發(fā)生諸如水熱和溫度應(yīng)力之類的問題，此時，應(yīng)使用大體積混凝土施工技術(shù)來解決有關(guān)問題。使用大體積混凝土施工技術(shù)進(jìn)行橋梁施工的主要目的是控制混凝土溫度變形裂縫，提高混凝土結(jié)構(gòu)物抗?jié)B、抗裂、抗侵蝕能力，從而提高結(jié)構(gòu)物的耐久性。