橋梁大體積混凝土裂縫產生機理及抗裂措施

方燦鑫 李劍飛 劉佟生

0 引言

隨著我國交通運輸的發展，橋梁建設力度不斷加大，大體積混凝土在橋梁結構中的運用也日益增多。但是，隨之而來的問題也越來越多，尤其是大體積混凝土的裂縫問題。裂縫超過一定的寬度，不僅降低了結構的使用性能，而且在外界各種因素的作用下裂縫會不斷擴大，從而減少了混凝土保護層厚度，引起混凝土面層剝落，加速鋼筋銹蝕，影響橋梁結構的耐久性以及安全性。引起混凝土開裂的因素很多，比如有溫度變化、收縮變形、施工荷載作用、基礎沉降、鋼筋銹蝕、凍脹等。其中溫差引起的溫度裂縫較難控制，危害極大，必須嚴加控制。

1 施工裂縫產生的主要原因

1.1 溫度應力

1.1.1 升溫階段溫度應力

混凝土是由水泥、砂石、摻合物及外加劑組成的一種脆性材料，抗拉強度不到抗壓強度的 1/9。大體積混凝土在施工過程中，由于水泥的水化作用，3 d～5 d會產生大量的水化熱，混凝土又是熱的不良導體，積聚在內部的水化熱不易散發，致使混凝土內部溫度急劇升高，最高可達 70多度，而表面混凝土與外界接觸，散熱快，溫度較低，極易形成較大內外溫差，導致內外熱脹冷縮程度不同，從而在混凝土內產生溫度應力，內部為壓應力，表面為拉應力。當某一時段混凝土表面拉應力超過混凝土抗拉強度時，就會在混凝土表面產生間距大致相等的直線熱裂縫。這種裂縫寬度一般都在裂縫允許限值內，但會影響結構使用的耐久性，而且這種裂縫會隨著內外溫差的增大而變寬，所以必須對此加以控制。

1.1.2 降溫階段溫度應力

隨著水化反應的充分進行，產生的水化熱逐漸減少，混凝土散熱大于新增水化熱，內部混凝土溫度降低，開始收縮，由于受到外界約束的限制，在混凝土內部產生拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時，將形成混凝土內部裂縫。

1.2 收縮應力

1.2.1 干縮引起的應力

為了滿足混凝土施工和易性的要求，所加水量通常是水化所需水量的 5倍，大部分水分都要蒸發，這勢必會引起混凝土體積的收縮。而混凝土內外水分蒸發速率差別較大，表面水分蒸發較快，收縮變形較大，內部濕度變化相對較慢，變形較小，表面的干縮變形受到內部混凝土的約束，再加上外界的約束，混凝土從內而外產生較大的拉應力，從而在表面產生干縮裂縫。這種裂縫一般比溫升階段產生的溫度裂縫要寬，通常在 0.05mm～0.2mm之間，多見于大體積混凝土平面部位。

1.2.2 塑性收縮引起的應力

混凝土凝結硬化之前，會產生泌水現象。混凝土在靜止過程中，密度較大的固體顆粒會往下沉，而密度較小、流動性大的水則上浮，到達混凝土表面的稱作外泌水，由于混凝土尚有流動性，這部分水的蒸發不會在混凝土內部留下孔隙，危害甚小。而留在混凝土內部的內泌水則會在粗骨料下面形成水囊，混凝土硬化成型后，這部分水繼續蒸發，在混凝土內部留下孔隙及界面裂縫，從而產生收縮應力。

2 抗裂措施

解決大體積混凝土裂縫問題主要從以下幾個方面入手:原材料選擇、配合比設計、施工養護措施、約束控制。

2.1 原材料的選擇

1)合理選用水泥。大體積混凝土水泥的選擇要兼顧低水化熱、高強、抗拉強度高以及收縮小等因素。一般不宜使用早強型水泥，也不適宜使用水化熱高的硅酸鹽水泥，而宜采用中熱硅酸鹽水泥和低熱的礦渣水泥。但礦渣水泥為滿足混凝土和易性要求，蓄水量大，以致混凝土收縮大，所以必須摻加外加劑。

2)合理選用骨料。盡可能選用大的骨料，粒徑較大的粗骨料比表面積小，所需水泥量少，能降低水泥用量。合理設計骨料級配，在保證混凝土和易性及流動性的前提下，盡量減少水泥用量。

3)摻入粉煤灰。粉煤灰的放熱量約為水泥的 5%～35%，且放熱速度慢，用適量的粉煤灰替代水泥，能起到降低水化熱和延長溫升時間的作用，同時還可以減少砂子對混凝土的泌水作用，并改善細骨料的級配。

4)摻加減水劑。高效減水劑在保證混凝土的工作性及水泥用量不變的條件下，能減少用水量 15%，混凝土強度提高 20%左右。同時還能降低水化熱釋放速度，降低熱峰，并推遲熱峰的出現。

5)摻加膨脹劑。膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。這種補償混凝土膨脹時，能在內外約束條件下產生一定的內壓應力，從而抵消掉部分冷縮及干縮產生的拉應力，大大降低結構出現開裂的可能性，起到補償作用。

外加劑的選用還得注意相互之間的協同作用效果。

2.2 施工養護措施

2.2.1 施工方法

當結構片面尺寸不大時，可以選擇全面分層的澆筑方法。全面澆筑是在第一層全面澆筑完成但還未初凝時，進行第二層混凝土澆筑。具體施工時宜從短邊開始，沿長邊推進，也可以分成兩段，從中間到兩邊或從兩邊到中間同時澆筑。

當混凝土結構厚度不大但面積或長度較大時，宜采用分段分層法澆筑。分段分層法澆筑是先從底層開始澆筑，進行至一定距離后開始澆筑第二層，依次向前澆筑其他各層。

當結構物的長度超過 3倍厚度時，應采用斜面分層澆筑法。斜面澆筑的振搗工作是從澆筑層的下端開始，逐步上移。

2.2.2 施工工藝

在混凝土攪拌時，采取先拌和水、水泥和砂，再投放石子的二次投料法，這種攪拌工藝可以消除混凝土泌水現象，減少界面微裂縫，讓硬化后的混凝土結構更加致密。混凝土澆灌后，再進行二次振搗，同樣可以減少混凝土因泌水在粗骨料下部產生的孔隙和水分。

2.2.3 保溫保濕措施

大體積混凝土表面水化熱易耗散，水分易揮發，對其表面采取保溫保濕措施，能有效地控制內外溫差，減少水分揮發，從而達到防止表面裂縫、干縮裂縫的產生。

保溫保濕的方法多種多樣，可以在裸露的混凝土表面覆蓋麻袋、土工布等保溫材料，或是塑料薄膜這樣既保溫又保濕的材料，也可以利用回填土進行土模養護。有條件的還可以在結構物周圍用帆布等搭建暖棚，通電，通蒸汽，進行保溫保濕養護，或是建造蓄水池，利用水隔熱保濕的性能達到保溫保濕的效果。

保溫養護開始的時間最好設在混凝土降溫的起點，而保溫層的去除應該逐層分步。

2.2.4 降溫措施

減小內外溫差，除了在表面采取保溫措施外，還可以在混凝土內部采取降溫措施。混凝土內部的溫度取決于混凝土入模溫度和由水泥水化熱引起的溫升。因此可以通過降低混凝土入模溫度及降低水化熱來降低內部溫度。

在較熱的地方可以給砂石搭建遮陽棚。出廠水泥溫度一般較高，一般使用出廠一周以上的水泥。

埋設冷卻水管。通過冷卻水循環帶走混凝土內部分熱量。冷卻水管側面一般采取方形或梅花形布設，正面采取蛇形布設;各層冷卻水管互相獨立，通水時間一般從混凝土覆蓋冷卻水管開始，水管進出口要安裝水量調節閥和溫度量測儀，以便看管人員根據水溫調節通水水量。冷卻水溫度越低，冷卻效果越明顯，但冷卻水與周邊混凝土溫差太大，會使周邊混凝土產生較大的拉應力，使得水管周邊混凝土開裂。

2.3 約束控制

約束是產生溫度應力及收縮應力的一個重要原因，若能改善約束條件，必然能有效地降低溫度應力和收縮應力。比如選用滑動式彈性墊層。約束體對混凝土產生的約束應力為:

其中，kR為約束度，取 0～1，無約束時 kR=0，巖石墊層時kR=1，kR越大，對混凝土的約束越大，混凝土越容易開裂。

采用砂石墊層或橡膠墊層都將有效的減小kR值，從而起到減小約束的作用。

2.4 其他措施

采用小直徑、密間距布置的分布鋼筋，當受力鋼筋不能抵抗約束作用時，要增配溫度鋼筋。必要時加配護面鋼筋，以防止表面裂縫的產生。合理安排混凝土施作時間，高溫季節盡量安排在晚上進行，以減少混凝土溫度回升，寒冬季節則盡量安排在白天進行，以避免混凝土內外溫差過大。

3 結語

雖然大體積混凝土容易產生裂縫，但隨著對大體積混凝土裂縫產生機理的研究越來越深入，以及工程中實際經驗的積累，只要我們在設計、施工工藝、原材料選擇、后期養護及管理方面能夠充分考慮各種因素的影響，那么就可以有效控制裂縫的產生，確保結構的正常使用及安全。

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