淺析橋梁工程中大體積混凝土裂縫的成因及預防

摘 要：本文首先了分析了水泥水化熱、混凝土收縮以及外界氣溫濕度等因素對橋梁工程中大體積混凝土裂縫出現的影響，然后從混凝土水泥的種類及用量、外料及外加劑的添加以及混凝土施工方面論述了預防混凝土裂縫的措施。

關鍵詞：橋梁工程 大體積混凝土 裂縫 原因 措施 預防

中圖分類號：U445文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0034-02

隨著橋梁技術發展速度的加快，大體積混凝土應用于橋梁的程度也逐漸增高。我國對大體積混凝土的定義是：用于混凝土結構中實體最小尺寸超過1 m位置的混凝土；而美國則定義為：全部有可能出現溫度影響的現澆混凝土。當前，國內外比較重視研究大體積混凝土中由于機械荷載產生的裂縫問題，卻很少研究溫度荷載對大體積混凝土裂縫的影響。這個問題值得我們重視，以防對混凝土結構造成嚴重的影響。此外，關于大體積混凝土裂縫與內溫度應力的控制問題的研究，也較多地出現在高層建筑工程與水利工程中，很少出現在橋梁工程中，這更應該引起我們的重視。該文主要針對橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因及預防問題進行了詳細地研究和探討，旨在探索出控制混凝土出現裂縫的有效措施。

1 大體積混凝土裂縫產生的原因

大體積混凝土結構中的混凝土具有質地較脆、抗拉強度較弱（僅相當于抗壓強度的1/10）以及斷面尺寸較大的特點。因為水泥出現水化熱現象，大體積混凝土內部的溫度會驟然升高，在大體積混凝土逐漸降溫的過程中會受到一定的條件限制和約束，容易出現巨大的拉應力。又因在一般情況下，大體積混凝土中沒有設置鋼筋或有較少的鋼筋。因此，混凝土需要承載產生的全部的拉應力。

1.1 水泥水化熱的影響

水泥在發生水化現象的同時，會散發出大量的熱量，一般在混凝土澆筑后的7d左右水化現象特別明顯。如果有450～490 kg/m3的水泥，那么每立方米的混凝土散發出的熱量大約為19500～29500 kJ，這就致使混凝土中的內部溫度變得比較高。特別是大體積混凝土產生的熱量，會比一般的熱量還要高。由于混凝土中心的溫度比較高，再加上混凝土內部和表面散熱的情況具有很大的差異，這樣就會致使混凝土內部和外部出現溫度差額，就會產生兩種應力：混凝土內部的壓應力、混凝土表面的拉應力，當混凝土無法承受拉應力的作用時，就會出現表面裂縫的現象。

l.2 混凝土的收縮

混凝土收縮是一種混凝土體積減小的現象，即混凝土置于空氣中逐漸開始出現硬結，體積也相對變小了。在沒有其他外力的作用下，混凝土自發地出現了變形，如果此時受到了外部的力量，例如鋼筋因素、支承條件等的影響，混凝土中就容易出現拉應力，進而出現混凝土開裂的現象。主要有干燥收縮、溫度收縮以及塑性收縮等三種收縮，會致使混凝土出現裂縫現象。在混凝土出現硬化初期，出現收縮的原因是在水化凝固過程中，水泥的體積出現了一些變化，而硬化后期是由于混凝土中的水分出現了散失，導致混凝土出現了干縮變形現象。

1.3 外界氣溫濕度變化的影響

在施工過程中，大體積混凝土機構容易受到外界氣溫變化的影響，這也是造成大體積混凝土裂縫的一個重要因素。大體積混凝土溫度變化一般要經歷三個時期：升溫期、冷卻期和穩定期。

水泥水化熱的溫度、結構的散熱溫度以及澆注溫度等各種溫度的綜合就是混凝土的內部溫度。混凝土的澆筑溫度與外界氣溫存在正相關關系，即外界溫度越高，澆筑溫度也就越高。當外界溫度下降時，大體積混凝土的內部和外部的溫度差額就會變大。若外界溫度的下降速度特別快，混凝土中就會受到溫度應力的作用，這時出現裂縫的可能性非常大。造成混凝土出現裂縫的原因除了受到外界溫度的影響，還受到外界濕度的影響。混凝土如果處在外界濕度較低的條件下，干縮的速度便會加快，從而導致混凝土出現裂縫的現象。

2 大體積混凝土裂縫的預防

2.1 大體積混凝土中水泥的種類及用量

理論研究證實，水泥水化過程散發出的大量熱量是致使大體積混凝土出現裂縫現象的重要原因。因此，在橋梁工程建設中，大體積混凝土中應選用低熱或中熱的水泥種類。另外，水泥內礦物質成分的差異和水泥散發熱量的大小和速度具有十分密切的關系。水泥礦物質中鋁酸三鈣散發的熱量是最大的，并且散熱速度也是最快的。其余的鐵鋁酸四鈣、硅酸三鈣等水泥礦物質成分的散熱速度則相對較低。水泥的發熱速度和水泥的粗細程度具有一定的關系，水泥越細，散熱速度最快，但散熱總量是不變的。因此，火山灰水泥、礦渣硅酸鹽水泥比較適合用于大體系混凝土的施工中，并且還可以根據混凝土后期的施工情況適當降低水泥的用量。在橋梁工程中，大體積混凝土一般需要較長的施工時間，并且很難一直對增加混凝土的設計荷載，所以適當延長混凝土的施工時間是可以的。根據國內外專家也認為利用混凝土后期施工的情況可以大概通過降低大約39～72 kg/m3的水泥來實現降低混凝土內部溫度的目的。

2.2 摻和外加料和外加劑

將粉煤灰作為摻合料有助于降低大體積混凝土中的溫度，避免裂縫現象的出現。在選擇外加劑方面，主要有兩種：（1）UFA膨脹劑。在混凝土中加入適量的UFA膨脹劑會起到保證混凝土密實度的作用，還可以在混凝土內部生成一定的壓力，防止受到混凝土中產生的外應力而出現裂縫。（2）減水緩凝劑，它在改善混凝土和易性方面具有重要作用，并可以起到降低水灰比的作用，最終實現降低水熱化的目的。

2.3 大體積混凝土的骨料控制

2.3.1 大體積混凝土中應選擇粒徑大、級配高及強度高的骨料。這樣就大大減小了表面積與空隙率，節省了水泥的使用量，同時也減輕了干縮的情況，降低了水化熱，降低了出現混凝土裂縫的幾率。

2.3.2 在滿足設計要求的前提下，為節約水泥及減少混凝土的散熱量，在混凝土中可適量加入一些石塊，應選擇抗壓強度超過混凝土設計強度的1.5倍，且無夾層及裂縫的石塊。兩石塊間的距離應超過10era，石塊與模板的間距應超過15 cm，應在最頂層的石塊上覆蓋不少于10era的混凝土。

2.4 優化大體積混凝土的設計

雖然在大體積混凝土中沒有鋼筋或有少量的鋼筋，但是為了減少混凝土承擔的拉應力，降低混凝土裂縫出現的幾率，我們可在易出現裂縫的位置如轉角處與孔洞附近設計一些斜筋，以減少出現混凝土裂縫的現象。在設計過程中通過使用中低強度的水泥有效利用混凝土的后期強度，也可以有效防止混凝土裂縫的產生。此外，在橋梁工程結構設計中通過減少對結構的約束力、將混凝土中鋼筋保護層的厚度控制在最小范圍內等措施也是有效控制混凝土裂縫出線的措施。

2.5 大體積混凝土的施工

混凝土的生產、運輸、溫度以及表層保護是混凝土施工過程中的重要環節，同時也是防止大體積混凝土出現裂縫的重點所在。在控制熱應力方面，重點是控制混凝土內部與外部的溫度差額△T

△T=Tp+Tr-Tf

公式中：Tp表示起初澆筑溫度；Tf表示自然或人工冷去后澆筑塊的恒定溫度；Tr表示水泥水化溫升。

在外界溫度較高的情況下對混凝土進行施工，要注意做好降低混凝土澆筑時溫度的工作。在降低混凝土的入模溫度時，可以采用用布遮蓋施工現場露天砂石，避免陽光照射升，還可以在澆筑混凝土之間用冷水對砂石進行降溫，或者在混凝土進行攪拌時加入一些冷水進行降溫。為了加快混凝土內部熱量發散的速度，可以采用向混凝土中注入冷卻循環水的方法進行保溫養護。

在對混凝土保溫養護方面，可以在其表層蓋上一層保溫性好的織物，不但可以起到降低混凝土內外溫度差額的效果，避免出現表面裂縫，還可以預防混凝土溫度急劇變化產生溫度裂縫的現象。為了能夠對混凝土表層的溫度的變化值和內部升溫的情況進行及時地了解，可以事先將的定量的測溫點放置在混凝土的內部，這樣就可以在明確地了解混凝土中溫度變化的具體數值，若混凝土內外部的溫度差額高于正常的溫度值范圍，就可以在最短的時間控制混凝土內外部的溫差問題。

混凝土在冬季施工時，混凝土容易出現被凍的問題，使混凝土在澆筑時具有較高的溫度可以有效解決這個問題。但是因為冬季溫度較低，混凝土的穩定溫度一般都會超過合理的溫度差額，這樣的情況很容易致使混凝土出現裂縫現象。因此，在冬季對混凝土進行施工時，應將混凝土的溫度保持在5～10 ℃范圍內，這是比較適宜的溫度。在對混凝土進行澆筑之前，應該用蒸汽將新混凝土即將要碰觸的冷壁進行加熱，在對原材料進行加熱的問題上，應該根據施工現場氣溫的高低來決定。在對石料進行加熱時，應該將溫度控制在75 ℃，既不能使加熱的程度過高，也不能使加熱的程度過低，對混凝土的施工效果都會產生一些影響。在混凝土的運輸及澆筑過程中，也應注意做好減少熱量的損失工作。

2.6 大體積混凝土的裂縫的處理

在控制混凝土出現裂縫的工作中，應該積極做好混凝土設計與施工方面的預防工作。但是混凝土施工過程中，施工現場情況比較復雜，多少會受到自然因素、人為因素以及環境因素等的影響，在橋梁工程施工中混凝土出現裂縫是很難避免的。大體積混凝土的裂縫主要有表面裂縫、貫穿裂縫以及深層裂縫三種。一般不對表面裂縫進行處理，因為其對結構應力、持久性和安全性造成的影響比較小。在處理深層裂縫和貫穿裂縫方面，通過采用風鎬和風鉆進行鑿除，也可以借助人力來實現，在鑿槽斷面的位置澆筑混凝土，可以很好地處理裂縫。在處理深層裂縫時，在裂縫處澆筑兩次混凝土，第二次需在裂縫上鋪上1～2層的防裂鋼筋。

在處理嚴重程度較高的裂縫時，需要根據裂縫的寬度選擇灌漿，如圖1所示，通過一系列的灌注措施，將混凝土通過壓板將其灌注到裂縫中。當裂縫寬度小于0.5 mm時使用化學灌漿；裂縫寬度大于0.5 mm時使用水泥灌漿。

3 結語

大體積混凝土施工中的裂縫控制是一個系統工程，不僅需要先進的科技作為支撐，還要在橋梁建造的過程中綜合考慮影響混凝土裂縫的各種因素，要及時進行監督控制和完善，保證經濟合理的前提下，確保橋梁建設的質量安全。同時，還要綜合設計、施工、材料等各個方面的原因來對可能出現的混凝土裂縫進行控制。

參考文獻

[1]張少鋒.大體積混凝土溫度裂紋的控制[J].土工基礎，2002（2）.

[2]董同剛，張利俊，韓立林，等.U型膨脹劑在控制建筑裂縫中的應用[J].工業建筑，1993（5）.