橋梁大體積混凝土溫度裂縫成因及控制措施

陳奕升

廣東長大公路工程有限公司第四分公司（511431）

0 前言

隨著我國交通事業的迅速發展，大跨度橋梁大量出現，在橋梁中大體積混凝土承臺、錨碇、塔等亦隨之大量出現。目前所生產的水泥放熱速度較過去大為提高，這使得大體積混凝土的溫度裂縫問題日益突出，已成為普遍性的問題。大體積混凝土在固化過程中釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和約束作用，由此而產生的溫差和溫度應力是導致混凝土出現裂縫的主要因素,從而影響結構的整體性、防水性和耐久性，成為結構的隱患。一般認為體積很大的現場澆筑的混凝土，其尺寸大到必須采取措施以對付水泥水化發出的熱量及伴隨發生的體積變化，盡量減少溫度裂縫。主要分析橋梁大體積混凝土裂縫產生的成因,提出了相關的處治技術措施。

1 裂縫產生的原因分析

大體積混凝土產生裂縫，一方面是混凝土由于內外溫差而產生應力和應變，另一方面是結構物的外部約束和混凝土各質點間的約束，而產生的應力和應變。一旦溫度應力超過混凝土的抗拉應力時，即會出現裂縫。溫度裂縫產生的主要有以下幾個影響因素:

1.1 水泥水化熱

水泥的水化熱是最主要影響因素。在大體積混凝土中,水泥在水化過程中要散發一定的熱量，由于斷面較厚，水泥散發的熱量聚集在結構內部不易散失，因而會導致混凝土內部溫度持續的上升。水泥水化熱引起的溫度變化與混凝土的配合比有關，如水泥和粉煤灰的用量，單位體積水泥水化放熱量,并隨混凝土的齡期按指數關系增長，一般在1.5～3天達到最高溫度。由于混凝土導熱性能差，澆筑初期強度和剛度都較小，對水化熱引起的急劇溫升而產生的變形約束不大，相應的溫度應力也較小。隨著齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內部降溫收縮的約束也愈來愈大,以至產生了很大的拉應力。當混凝土抗拉強度不足以抵抗這種拉應力時，便開始出現溫度裂縫。

1.2 外界氣溫

在大體積混凝土施工中，由于受溫差控制的影響，表面溫度和由水化熱引起的中心溫度是相對統一的。外界氣溫愈高，混凝土澆筑溫度也高，相應地就會增加結構的中心溫度。當外界氣溫下降時，特別是氣溫突然下降時，會大大增大混凝土的內外溫差和溫度梯度，因變形差更大，從而產生更大的溫度應力，這對大體積混凝土的施工極為不利。因此，在氣溫變化幅度較大時，通常都采用養護措施以保證溫差在控制范圍內,以達到控制溫度裂縫的目的。

1.3 混凝土收縮

混凝土中含有大量空隙、粗孔隙及毛細孔隙,孔隙中存在水分，而水分的活動將影響到混凝土的一系列性質?；炷恋氖湛s變形主要有以下幾種形式:

1）自由收縮。混凝土硬化過程中由于化學作用引起的收縮,是化學結合水與水泥的化合結果，它與外界濕度變化無關。

2）塑性收縮?；炷翝仓?0 h，水泥水化反應激烈，逐漸形成分子鏈，出現在泌水和水分急劇蒸發現象，引起失水收縮，此時骨料和膠結料之間產生不均勻的收縮變形。

3）碳化收縮。指大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。

4）干縮。水泥石在干燥和水濕的環境中要產生干縮和濕脹作用，最大的收縮發生在第一次干燥之后。

1.4 約束條件

結構在變形變化中，必然會受到一定的“約束”或“抑制”，阻礙其變形。弄清楚變形與約束的關系，就能采取必要的措施達到阻止產生裂縫的目的。約束種類可概括為兩類，外約束和內約束。外約束是指結構手的邊界條件，一般指支座或其它外界因素對結構物變形的約束。內約束是指大斷面的結構，由于內部非均勻的溫度及收縮分布，名質點變形不均勻而產生的相互約束。具有大斷面的結構，其變形還可能受到其他物體的宏觀約束，同樣會產生應力。

1.5 徐變性質

結構物在任意內應力作用下，除瞬時彈性變形外,其變形值隨時間的增加的現象稱為徐變變形，結構物的最終變形由彈性變形和徐變變形兩部分組成，徐變變形也會導致結構物的開裂。結構隨某一固定約束變形時，由于徐變性質，其約束應力將隨時間下降，稱之為“應力松弛”。徐變引起的應力松弛有其不利的一面，如隨時間變化的變形荷載可以引起異號應力，在壓應力區引起的拉應力特別是當降溫速度大于升溫速度時，更容易引起開裂。

2 裂縫的主要控制措施

2.1 合理分縫分塊

在大體積混凝土施工過程中，為了有效降低大體積混凝土的內外溫差，常采用分塊澆筑。分塊澆筑又可分為分層澆筑法和分段澆筑法兩種。分層澆筑法目前有全面分層法、分段分層法、斜面分層法3種澆注方案。在時間允許的條件下，可將大體積混凝土結構采用分層多次澆注，施工層之間按施工縫處理，即薄層澆筑技術，它可以使混凝土內部的水化熱得以充分地散發，應該注意的是分層澆筑的間歇時間。目前水工大體積混凝土中遵循的原則是薄層短間歇，對施工縫的處理要求十分嚴格。而在橋梁大體積混凝土施工中，由于體積相對較小，多采用一次性整體澆筑和全面分層多次澆筑。

2.2 降低澆筑溫度

要降低混凝土的最高溫度和溫差，比較直接的措施是降低澆筑溫度，但其實施必須擁有一定的條件才能實現，在特大型工程中可能才用得到。降低澆筑溫度的具體措施包括:①降低原材料溫度，如做好水泥散熱、骨料澆水冷卻和預冷等；②采用冷卻拌和水與加冰拌和；③澆筑前預冷混凝土；④減少運輸途中的熱量倒灌，包括減小運輸距離，采用特制的保溫罐車,用保溫材料包裹混凝土泵送管道等。在橋梁大體積混凝土的施工中比較實用的措施是做好水泥散熱工作、對骨料澆水冷卻、采用冷卻拌和水和減小運輸距離等。

2.3 合理安排施工進度

施工進度對大體積混凝土的溫度的變化影響非常明顯。特別應該注意的是分次、分層澆筑的間歇時間。在分次當中，若間歇時間過長，則會延長施工工期，另一方面也會使老混凝土對新澆筑的混凝土產生較大的約束，從而在上下層混凝土結合面產生難以發現的垂直裂縫。若間歇時間過短，則正處于下層混凝土升溫階段，表面溫度較高，這時覆蓋上層混凝土,會明顯不利于下層混凝土的散熱，也容易導致上層混凝土升溫，可能超過混凝土要求的最高溫升，從而加大混凝土產生裂縫的可能性。因此，上層混凝土覆蓋的適宜時間應是在下層混凝土溫度己降到一定值時,即上層混凝土溫升倒入后，下層混凝土溫度回升值不大于原混凝土最高溫升。在每次澆筑中，又分幾層，其層間的間隔時間應盡量縮短，必須在上層混凝土初凝之前，開始澆筑下層混凝土。層間最長的時間間隔不大于混凝土的初凝時間。當層間間隔時間超過混凝上的初凝時間。

2.4 冷卻水管

目前,在大體積混凝土的現場溫控措施中，較為常用的就是采用冷卻水管，因為其具有直接、經濟、易施工等特點，在橋梁中得到廣泛應用。在冷卻水管的使用中,影響冷卻效果的因素包括:管材、管徑、管長、埋設方式、間距、冷卻水溫度、通水速率等。管長根據現場情況而定，但長度應≤400 m；在埋設方式上，分為矩形排列、梅花形排列和縱橫交錯；冷卻水溫度當然是越低越好，但也要考慮冷卻水與混凝土的溫差，以防在冷卻水管周圍引起裂縫；通水速率保證管內產生紊流即可。

2.5 養護措施

大體積混凝土常用的養護方法是保溫隔熱法。其中在嚴寒地區可采用托克托古爾法。采用的表面保溫材料包括：保溫被、泡沫塑料板、聚苯乙烯泡沫塑料板、草袋、砂層保溫及噴涂保溫層等。養護的主要目的是保持適宜的溫度和濕度條件，混凝土的保溫措施常常也起到保濕的效果。保溫的目的有兩個:①減少混凝土表面的熱擴散，減小混凝土表面的溫度梯度，防止產生表面裂縫；②延長散熱時間，充分發揮混凝土強度的潛力和材料松弛特性，使由溫差導致混凝土產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度，防止產生貫穿裂縫。保濕養護的作用是:①澆筑不久尚處于凝固硬化階段的混凝土,水化的速度較快，適宜的潮濕條件可防止混凝土表面的脫水而產生干縮裂縫；②混凝土在保溫及潮濕條件下可使水泥的水化作用順利進行，提高混凝土的抗拉強度。

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