承臺大體積混凝土施工裂縫的控制與研究

劉宏國

（太原鐵路建設有限公司，山西 太原 030000）

1 引言

近年來，由于交通運輸事業的迅速發展，大型橋梁如雨后春筍般不斷涌現。大體積混凝土、高強度混凝土以及耐久性混凝土被越來越廣泛地應用于實際工程中。連續梁橋或連續剛構橋中的0#塊、斜拉橋中的塔墩承臺、懸索橋中的錨錠承臺等混凝土塊體的尺寸和用量一般都超過了水工結構規范的要求，屬于大體積混凝土，例如蘇通大橋每個主墩的承臺混凝土用量達4萬多方，東海大橋主橋[1]采用單索面結合箱梁斜拉橋，承臺中心軸線為49.8×27.4 m，高6 m，體積達到8 200 m3，南京二橋南汊橋圓柱形承臺混凝土方量為5 130 m3，對于此類混凝土結構或構件而言，水化熱是施工中的一個突出問題，其引起的溫度應力往往超過外荷載引起的應力導致結構產生溫度裂縫，對結構的承載力和耐久性等都會產生很大影響。因此對大體積混凝土溫度裂縫及其控制技術的研究有著重大的工程意義和經濟效益，是大型橋梁建設中必須面對并認真解決的新課題。

2 施工階段裂縫產生的原因

研究表明大體積混凝土施工階段產生的裂縫，基本上是由于水分蒸發和漿體（水泥石）收縮造成的，主要體現在混凝土施工階段水泥水化反應產生的溫度收縮和混凝土自身的收縮兩方面原因。

2.1 水泥水化熱產生的溫度效應

國內外實踐證明，水泥在水化過程中會產生大量的熱量，而且在澆筑初期（1~3 d）內放出的熱量是總熱量的1/2，會引起混凝土澆筑塊內部溫度和溫度應力的劇烈變化。由于混凝土表面和內部的散熱條件不同，將形成中心溫度高、表面溫度低的溫度場分布情況，使混凝土內部膨脹變形產生壓應力，表面產生拉應力，當這個拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土表面就會產生裂縫。但由于初期混凝土的彈性模量較小，升溫產生的膨脹變形受基礎約束也較小，因此變形變化引起的應力較小，一般可忽略不計。

待混凝土澆筑一定時間后，水泥的水化熱已基本釋放，混凝土從最高溫度逐漸降溫，進入了降溫階段。此時，混凝土的彈性模量和強度也已發展起來。降溫引起混凝土體積收縮變形，但卻受到地基和結構邊界條件的約束，從而產生相當大的拉應力。當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會產生溫度裂縫，對混凝土結構產生不同程度的危害。實際情況表明，當溫度變幅在15℃左右時，對于受到完全約束的混凝土，后期產生的拉應力足以將其拉斷。

2.2 混凝土的收縮效應

除了溫度產生的過大拉應力導致混凝土開裂以外，由于混凝土本身的收縮應變也會影響結構的開裂性能。混凝土的收縮主要包括自收縮與干縮兩部分。自收縮是指混凝土凝結后，水化物的絕對體積小于水化前未水化水泥和水的體積；干縮是由于水分的蒸發而產生，混凝土拌和用水中80%要蒸發。混凝土的收縮變形，同樣也受到地基和結構邊界條件的約束，產生拉應力。混凝土的收縮主要受其自身材料選用的影響，因此，在研究混凝土溫度應力及裂縫控制措施的同時，也應該研究材料對于干縮應變的影響。

經上述介紹可知，裂縫是大體積混凝土施工階段中的關鍵問題，而溫度應力引起的裂縫是問題的核心。因此，解決大體積混凝土的裂縫問題應該從控制混凝土的溫度場分布入手，采取措施降低混凝土中的溫度梯度以及絕熱溫升，同時也要研究不同材料和配合比情況下的自收縮性能，經綜合比較后，得出相應的安全可靠的控制措施。

3 裂縫的控制措施

混凝土開裂牽涉的因素較多，要完全杜絕裂縫的出現，既有可能，又很不容易，需要精心設計，精心施工。對于混凝土結構的裂縫問題，應以預防為主，主要可以從以下幾個方面著手進行控制。

3.1 材料方面的措施

3.1.1 選擇水泥品種及用量

在保證強度和耐久性的同時盡量選用低水化熱品種水泥，水泥用量與大體積混凝土的最高升溫有直接關系，降低水泥用量是最有效的溫控措施。但對水泥用量的選擇應從混凝土的放熱量和強度性能兩個方面進行綜合考慮后確定。內部混凝土主要考慮抗裂性能好、兼顧低熱和高強兩方面的要求，一般采用低熱礦渣水泥。外部混凝土，除抗裂性能外，還要求抗凍融性、耐磨性、抗蝕性、強度較高及干縮較小，因此一般采用較高標號的中熱硅酸鹽水泥。

3.1.2 摻用混合材料

適當摻用混合材料可降低混凝土的絕熱溫升、提高混凝土抗裂能力。混合材料包括礦渣、粉煤灰、燒粘土等，目前多采用粉煤灰。研究表明，粉煤灰可以使混凝土水化熱在一定程度上延緩釋放，降低混凝土的絕熱溫升，對大體積混凝土的溫控有利。同時，粉煤灰對混凝土的強度有所提高，可以增加混凝土的后期強度。另外，粉煤灰表面呈球狀的粉狀物，在混凝土澆筑施工中有潤滑作用，具有較好的和易性，可以改善大體積混凝土的泵送施工性能。

3.1.3 摻用外加劑

外加劑有減水劑、引氣劑、緩凝劑、早強劑等多種類型。減水劑是最常用、最重要的外加劑，它具有減水和增塑作用，在保持混凝土坍落度及強度不變的條件下，可減少用水量，節約水泥，降低絕熱溫升。引氣劑的作用是在混凝土中產生大量微小氣泡以提高混凝土的抗凍融能力。緩凝劑能有效延緩水化熱的釋放時間，降低水化熱放熱峰值，使混凝土水化熱釋放比較平緩，常用于夏季施工，早強劑則用于冬季施工。

3.1.4 優化混凝土配合比

嚴格控制砂石骨料的含泥量，在保證混凝土強度及流動條件下，盡量節省水泥，降低混凝土絕熱溫升。選用較大粒徑的碎石和低的砂率，合理的級配使混凝土密實，能夠改善混凝土的體積穩定性，提高混凝土的抗裂性能。

3.2 選擇合適的結構形式和合理的分縫分塊

工程結構裂縫控制專家王鐵夢教授在大量建設實踐和現場實驗研究的基礎上，從力學的角度對混凝土裂縫產生的原因進行了研究，提出了“抗”與“放”的混凝土設計準則。其中“放”的內容主要體現在結構形式的選擇上，即采取微動、滑動及設縫措施。

在結構設計中有意識的在構造物某處設置薄弱部分，誘使裂縫發生在該處。在施工中根據混凝土澆筑過程中溫度裂縫控制的要求、混凝土澆筑能力和方便結構鋼筋的綁扎等因素綜合確定水平施工縫的設置方式，采取分塊、分段等施工方法，控制收縮與溫差導致的裂縫。

3.3 嚴格控制混凝土澆筑溫度、減小內外溫差，避免表面溫度驟降

施工中采用的主要措施如下：

（1）降低混凝土澆筑溫度，通過冷卻拌和水、加冰拌和、預冷骨料等辦法降低混凝土出機口溫度，采用加大混凝土澆筑強度、倉面保冷等方法減少澆筑過程中的溫度回升。

（2）水管冷卻。在混凝土內埋設水管，通低溫水以降低混凝土溫度。

（3）表面保溫。在混凝土表面覆蓋保溫材料，以減小內外溫差，降低結構內的溫度梯度。

（4）重視施工過程中的溫度監測，發現異常，盡早處理，以絕后患。

4 結束語

通過對裂縫產生的原因、機理的分析，有針對性地采取一定的控制措施，可以使大體積混凝土的裂縫減少到合理的范圍。但大體積混凝土裂縫的控制和預防，牽涉到結構的設計、原材料的選擇、施工的工藝、養護過程以及其他一些不確定的因素，任何因素出現問題，都可能導致裂縫的產生。在這些因素中，溫度應力是關鍵。因此，作為工程技術人員，應了解混凝土內部的溫度變化規律，合理選擇水泥品種，嚴格控制水泥用量，合理摻加混合材料和外加劑，優化混凝土配合比，嚴格施工，實時監測，加強養護。

針對已經出現的裂縫，也應該認真進行研究，區別對待，并采取合理的方法進行處理，防止裂縫的進一步發展以及對結構耐久性的影響，保證建筑物和構件的安全。