淺析高速鐵路橋梁大體積混凝土裂縫產生的原因及控制措施

紀坤

摘要：隨著我國高速鐵路事業的迅猛發展，鐵路橋梁大體積混凝土施工中普遍會遇到裂縫控制問題，研究裂縫的形成原因及控制措施顯得越來越重要。本文通過對滬昆客專坪蒿地特大橋連續梁在施工過程中采取的一些防止裂縫產生的控制措施，結合多年的橋梁施工經驗，闡述了大體積混凝土裂縫產生的機理，并提出了相應的控制措施。

關鍵詞：大體積混凝土；裂縫；控制措施

中圖分類號：U445，71 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）06-05-02

1.大體積混凝土的定義及相關概念

我國對大體積混凝土作了如下定義（《GB 50496-2009大體積混凝土施工規范》）：混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土。大體積混凝土因為橋梁體積大，聚集的大量水化熱會導致混凝土內外散熱不均勻，在受到內外約束的情況下，混凝土內部會產生較大的溫度應力并很可能導致裂縫產生，最終為工程埋下嚴重質量隱患。因此，大體積混凝土施工中應嚴格控制裂縫產生和發展，以確保工程質量。

2.工程概況

新建滬昆客運專線是一條時速250km/h雙線CRTS I型雙塊式無砟軌道鐵路，坪蒿地特大橋里程范圍：DK946+316，45～DK947+006，85，全長690，4m，混凝土中心里程為DK946+674，孔跨樣式為lx24+20X32m。本橋梁體設計為40+64+40m的預應力變截面連續箱梁，設計采用三向預應力體系，掛籃施工每一段都是一次澆注成型，澆注后覆蓋養生達到設計要求強度和齡期后施加預應力并壓漿，掛籃方可前移并施工下一段連續梁。

3.大體積混凝土裂縫類型及裂縫產生原因分析

大體積混凝土結構裂縫主要包括收縮裂縫、安定性裂縫、溫差裂縫等。

3，1收縮裂縫

混凝土在空氣中硬結時體積減小的現象稱為混凝土收縮，混凝土在不受外力的情況下的這種自發變形，受到外部約束時（支承條件、鋼筋等），將在混凝土中產生拉應力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮等三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結硬過程中產生的體積變化，后期主要是混凝土內部自由水分蒸發而引起的干縮變形。混凝土在逐漸散熱和硬化過程中會導致其體積的收縮，對于大體積混凝土，這種收縮更加明顯。如果混凝土的收縮受到外界的約束，就會在混凝土體內產生相應的收縮應力，當產生的收縮應力超過當時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產生收縮裂縫，影響混凝土收縮的主要因素主要是混凝土中的用水量、水泥用量及水泥品種。混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土收縮就越大，水泥品種對干縮量及收縮量也有很大的影響，一般中低熱水泥和粉煤灰水泥的收縮量較小。

自身收縮是混凝土收縮的一個主要來源。自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起的，但它不是由于水向外蒸發散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降形成彎月面，產生所謂的白干燥作用，導致混凝土體的相對濕度降低及體積減小而最終自身收縮，塑性收縮也是大體積混凝土收縮一個主要來源。在水泥活性大、混凝土溫度較高或者水灰比較低的條件下，混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現分布不規則的裂縫，出現裂縫以后，混凝土體內的水分蒸發進一步加快，于是裂縫迅速擴展，所以在這種情況下混凝土澆筑后需要及早覆蓋養生。

3.2溫差裂縫

混凝土內部和外部的溫差過大會產生裂縫，溫差裂縫產生的主要原因是水泥水化熱引起的混凝土內部和混凝土表面的溫差過大。特別是大體積混凝土更易發生此類裂縫。溫差的產生主要有三種情況：第一種是在混凝土澆筑初期，這一階段產生大量的水化熱，形成內外溫差并導致混凝土開裂，這種裂縫一般產生在混凝土澆筑后的第3天（升溫階段）。另一種是在拆模前后，這時混凝土表面溫度下降很快，從而導致裂縫產生。第三種情況是當混凝土內部溫度高達峰值后，熱量逐漸散發而達到使用溫度或最低溫度，它們與最高溫度的差值即內部溫差。這三種溫差都會產生裂縫，但最嚴重的是水化熱引起的內外溫差。

3.3安定性裂縫

安定性裂縫表現為龜裂，主要是由于水泥安定性不合格而引起

4.大體積混凝土裂縫的控制措施

4.1設計措施

（1）精心設計混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能降低混凝土的單位用水量。采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設計準則，生產出“高強、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值”的抗裂混凝土，

（2）增配構造筋，提高抗裂性能。應采用小直徑、小間距的配筋方式，全截面的配筋率應在0.3～0.5%之間。

（3）避免結構突變產生應力集中。在易產生應力集中的薄弱環節采取加強措施。

（4）在易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限抗拉強度，

（5）在結構設計中應充分考慮施工時的氣候特征，合理設置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30m。保留時間一般不小于60天，如不能預測施工時的具體條件，也可臨時根據具體情況作設計變更。

4.2原材料控制措施

（1）盡量選用低熱或中熱水泥，降低水泥用量，減少水化熱，水化熱與水泥用量成正比。在條件許可的情況下，應優先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥，因為這種水泥在水化膨脹期（1～5d）可產生一定的預壓應力，而在水化后期預壓應力可部分抵消溫度徐變應力，減少混凝土內的拉應力，提高混凝土的抗裂能力。

（2）適當摻加粉煤灰。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗滲性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強度，抑制堿骨料反應，減少新拌混凝土的泌水等。

（3）選擇級配良好的骨料。骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對體積的80%以上，因此在選擇骨料時，應選擇膨脹系數小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料，盡量采用中砂，嚴格控制粗細骨料的含泥量，控制水灰比在0.6以下。還可以在混凝土中摻緩凝劑，減緩澆筑速度，以利于散熱。

（4）適當選用高效減水劑和引氣劑，這對減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作性能，提高混凝土的耐久性等性能起著極為重要的作用。

4.3施工方法控制措施

大體積混凝土施工時內部應適當預留一些孔道，在內部通循環冷水或冷氣冷卻，降溫速度不應超過0.5℃～1，0℃/h。對橋梁基礎混凝土可采用分塊分層澆筑（每層間隔時間5d～7d），分塊厚度為1，0m～1，5m，以利于水化熱散發和減少約束作用。此外，還應加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應下降15℃以上。盡量采用兩次振搗技術，改善混凝土強度，提高抗裂性。還可根據具體工程特點，采用補償收縮混凝土技術。

4.4溫度控制措施

混凝土溫度和溫度變化對混凝土裂縫是極其敏感的。當混凝土從零應力溫度降低到混凝土開裂溫度時，混凝土拉應力超過了此時的混凝土極限拉應力。因此，通過應降低混凝土內水化熱溫度和混凝土初始溫度，減少和避免裂縫風險。人工控制混凝土溫度的措施對早期因熱原因引起的裂縫作用不明顯。比如表面保溫材料保護可以減少內外溫差，但不可避免地招致混凝土體內溫度很高，從受約束而導致貫穿裂縫的角度看，是一個潛在惡化裂縫的條件，因為混凝土內部熱量遲早是要散發掉的，另外還需注意的問題是防止過速冷卻和超冷，過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大，而且早期的過速超冷會影響體系的水化程度和早期強度，更易產生早期熱裂縫，超冷會使混凝土溫差過大，引起溫差裂縫澆筑時間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設簡易遮陽裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時，可在水平及垂直泵管上加蓋草袋并噴冷水。所以，大體積混凝土施工重點主要是將溫度應力產生的不利影響減少到最小，防止和降低裂縫的產生和發展，

4.5施工過程中控制措施

4.5.1控制混凝土入模溫度

入模溫度的高低，與出機溫度密切相關，另外還與運輸工具、運距、轉運次數、施工氣候等有關。在溫度較高的情況下進行施工，可以在施工現場對堆在露天的砂石用布覆蓋，以減少陽光對其的輻射，同時對澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向混凝土中添加冰水。

如果是在冬季進行施工，因為要防止早期混凝土被凍問題，所以要求混凝土澆筑時應該具有較高的澆筑溫度。在澆筑混凝土以前還應該對基礎及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預熱，對原材料應視氣溫高低進行加熱。

4.5.2嚴格控制混凝土的澆筑速度

一次澆注的混凝土不可過高、過厚，以保證混凝土溫度均勻上升。保證振搗密實，嚴格控制振搗時間，移動距離和插入深度，嚴防漏振及過振。

4.5.3溫度控制、監測與養生

（1）溫度控制、監測

為降低大體積混凝土的水化熱，在混凝土的內部通入冷卻循環水，采用循環法保溫養護，以便加快混凝土內部的熱量散發。為能夠較準確地測量出砼內部溫度，在砼中預埋測溫管，用水銀溫度計測溫。上下層溫差控制在15-20℃之內。根據各測點的溫度，可及時繪制出混凝土內部溫度變化曲線，對照混凝土理論計算值，分析存在的問題。有的放矢地采取相應的技術措施。坪蒿地特大橋采用了“內降外保”的溫控措施，“內降”主要是采用循環冷卻水進行降溫，經實測：入管前水溫10℃，出管后最高水溫49℃，冷卻水帶走了大部分熱量，經計算使內部溫度整體降低15℃。“外保”是通過采取措施，控制梁體外表面溫度，使梁體內外溫差不大于25℃，在施工中，通過外面保溫，使混凝土表面降溫速度減慢，以減小混凝土的內外溫差，從而防止混凝土因溫差過大引起變形而產生的溫度裂縫。

（2）混凝土的養護

混凝土養護是大體積混凝土施工中一項十分關鍵的工作。主要是保持適宜的溫度和濕度，以便控制混凝土的內外溫差，促進砼強度的正常發展及防止裂縫的產生和發展。從混凝土澆筑完成到終凝這段時間的養護對混凝土而言十分重要，混凝土澆筑完畢后，在其頂面及時加以覆蓋，要求覆蓋嚴密，并經常檢查覆蓋保濕效果。其主要作用有二：一是蓄水保溫，防止表面水分蒸發和抵抗受太陽輻射與刮風時溫度驟變，二是保持內外溫差的穩定，

4.5.4健全施工組織管理

在制訂技術措施和質量控制措施的同時，還需落實組織指揮系統，逐級進行技術交底，做到層層落實，確保順利實施。通過坪蒿地特大橋施工實踐證明，在優化配合比設計，改善施工工藝，提高施工質量，做好溫度監測工作及加強養護等方面采取有效技術措施，堅持嚴謹的施工組織管理，完全可以控制大體積混凝土溫度裂縫和施工裂縫的發生，

5.控制措施的結果

經過檢測，坪蒿地特大橋施工完7天后，梁體混凝土達到了設計強度的80%以上，混凝土的表面只有少量1～10cm長、縫寬小于0，1mm的微細裂縫，呈不規則分布，沒有形成通縫，符合規范要求。在混凝土施工完56天后，上述裂縫沒有進一步發展，也沒有新的裂縫產生，

6.結束語

對于混凝土裂縫，應以預防為主，為此需要精心設計、施工，掌握住它的基本知識，并根據實際采取有較措施，會使施工質量得到很好的保證，以上各項技術措施并不是孤立的，而是相互聯系、相互制約的，施工過程中必須結合實際、全面考慮、合理采用，才能起到良好的效果。通過坪蒿地特大橋梁體大體積混凝土防裂縫控制措施，可以看出大體積混凝土裂縫雖然不可能避免，但是通過合理手段是可以控制的，說明滬昆客專坪蒿地特大橋連續梁大體積混凝土的裂縫控制措施是可行的，可以為類似的大體積混凝土施工提供借鑒。