橋梁高性能混凝土裂縫的產生和控制

劉春曉++高山棚

【摘要】隨著經濟的發展，大體積混凝土在現代建筑工程中的應用越來越廣泛，與此同時，大體積混凝土溫度裂縫控制研究也成為大體積混凝土施工過程中的熱點和難點，對此我們將橋梁的高性能混凝土裂縫產生的原因進行了分析，闡述了預防裂縫的措施和應該采用哪些新的施工工藝，使橋梁高性能混凝土盡量不出現裂縫。

【關鍵詞】混凝土裂縫；裂縫控制；預防措施

高性能混凝土是新型高技術的混凝土，依托現代先進的技術，提高了混凝土性能，尤其是具有良好的耐久性。同時高性能混凝土體積穩定，不易干縮，具有較強的抗壓強度。高性能混凝土在實際施工使用中，會出現裂縫，嚴重影響到了高性能混凝土的質量和耐久性，因此，在使用高性能混凝土施工時，要注意做好防范措施，有效的控制和規避裂縫，提高高性能混凝土的耐久性。

1. 高性能混凝土裂縫種類

高性能混凝土常見的裂縫類型有溫度裂縫、工程結構裂縫和收縮裂縫。溫度裂縫主要有兩種表現形式，內部裂縫和表面裂縫。溫度裂縫主要原因和熱膨脹、混凝土的溫度、以及降溫速度有關，防止高性能混凝土裂縫的措施是降低溫升、使用熱膨脹系數低的加入劑、提高混凝土的抗拉強度。高性混凝土的結構裂縫根據裂縫的寬度不同可分為“宏觀裂縫”和“微觀裂縫”。裂縫寬度的界線為0.05mm，在工程中常見的結構裂縫有粘著裂縫、水泥石裂縫、集料裂縫[1]。性能混凝土的收縮裂縫與建筑工程中混凝土相鄰部分材料的牽引力有關，鄰材料會不同程度約束混凝土，混凝土在收縮時受鄰材料的影響，就會產生一定的拉力，當拉力超過混凝土自己的抗拉強度時，混凝土就會出現裂縫。此外，混凝土內集料也會是混凝土產生裂縫。

2. 橋梁高性能造成的混凝土裂縫

2.1混凝土產生裂縫的原因比較復雜 ，從廣義胡克定理出發求解大體積混凝土水化溫度應力，并將大體積混凝土在硬化過程中的收縮變形和由于地基剛度有限性引起的應變換算為當量溫差，在考慮了徐變影響后求得大體積混凝土綜合溫度應力的同時， 混凝土將是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均質脆性材料，混凝土澆筑時應測試混凝土拌和物適合模溫度和環境溫度，待完成全部混凝土的澆筑后，在前48h內每2h測定一次混凝土結構溫度，以后每6h測定一次，當混凝土結構中心溫度與表面溫度差產生混凝土結構表層與環境溫度差相同時小于20℃時可停止測溫，由于裂縫的存在和發展通常會使內部的鋼筋等材料產生腐蝕，降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗滲能力，影響建筑物的外觀、使用壽命，嚴重的將威脅到人民的生命、財產。

2.2高性能混凝土配制過程中摻入摻合料及各種外加劑的特點，通過水化熱試驗，系統地研究了單摻和復摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑后水泥水化放熱特征，詳細分析了單摻和復摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑對水泥水化溫升、水化放熱曲線和水化放熱速率的影響，裂縫是混凝土常見的病害之一，混凝土產生的裂縫原因比較復雜，高性能的混凝土產生裂縫就會在一定程度上影響結構的使用壽命，依靠混凝土的強度來控制拆模時間，這樣很容易造成混凝土的溫差從而造成建筑的裂縫，在建筑中，地基的承載率設計有偏差也會造成地基在載重方面的作用下承載力下降，使梁柱地基沉陷，裂縫發生在梁體的中部，兩端沉陷就會出現裂縫，這種裂縫會造成橋梁的巨大損失，使橋梁坍塌，而高性能混凝土是一種新型高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，高性能混凝土具有較高的體積穩定性，即混凝土在硬化早期應具有較低的水化熱，硬化后期具有較小的收縮變形，根據國際上目前發表的文章和研究成果，可以認為HPC是在大幅度提高常規混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術，選用優質原材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數量的活性細摻料和高效外加劑的一種新型高技術混凝土。

2.3混凝土澆筑后，受周圍環境的影響，容易發生變形，尤其是溫度對混凝土的影響很大，混凝土受氣溫影響，變形過程中就容易出現裂縫。高性能混凝土出現裂縫的原因有以下幾種：

（1）澆筑時溫度的影響。溫度對混凝土的影響是最為重要的，在建筑工程中，如果澆筑溫度較高的構件時，溫度過高會加速水泥水化，從而放熱，就會加快混凝土的溫升[2]。如果環境的溫度過低，混凝土就會受氣溫的影響，急速的降溫，從而就會產生溫降收縮，這樣極易導致混凝土收縮變形，導致混凝土出現裂縫。

（2）外加劑的影響。混凝土在使用時，為了彌補某種條件的缺陷，會加入一定劑量的外加劑，比如減水劑。減水劑可以有效的減少混凝土的用水量，從而提高混凝土的強度，同時還能達到節約水泥的目的。外加劑的使用，會使混凝土有一定程度的變形，同時化學反應也會影響到混凝土的性質，從而使混凝土產生裂縫。

（3）礦物摻合料的影響。礦物摻合料的加入很大程度上改善了混凝土的性質，尤其是提高了混凝土的耐久性，加強了其抗滲性。在混凝土的礦物摻合料中，經常用到的是粉煤灰，粉煤灰加入混凝土中，會發生填充效應，改善混凝土的的工作性能。高性能混凝土一般采用的是低水比，因此常常加入外加劑或者礦物摻合料，這樣能夠有效的防止混凝土開裂，有時為了彌補混凝土的收縮，會加入一定劑量的膨脹劑，這樣就會擴大混凝土的體積，如果加入過多的外加劑，混凝土就會缺水過多，從而導致混凝土裂縫變寬，同時增到裂縫。粉煤灰摻合料可以有效的控制高性能混凝土裂縫的產生，但這需要控制粉煤灰的摻入量，只有當摻合料的摻入量控制在20%――40%時，才能起到積極的作用，如果摻入量控制不到位，就會適得其反[3]。當混凝土中加入過量的粉煤灰時，就會擴大裂縫的面積，由于過量的粉煤灰會吸收掉混凝土中的水分，這樣就會加大裂縫的寬度，同時裂縫面積也會變大。礦物摻合料可以有效的抑制高性能混凝土的開裂，但是必須把握好摻入量。

（4）骨料的影響。骨料的膨脹系數可以對高性能混凝土產生影響。低熱膨脹系數的骨料可以減小混凝土變形，從而降低收縮的約束力，降低混凝土開裂的敏感度。同時，碎骨料是混凝土變得粗糙，增大混凝土的粘著力，這樣就提高了混凝土的抗拉強度，也就降低了混凝土的開裂程度。大顆粒骨料可以減少水泥使用量，同時降低水泥的水化熱，有效的控制混凝土的溫升，降低混凝土的變形約束力，但是較大顆粒的骨料會降低混凝土的抗拉強度，在使用時需要注意。

（5）水泥自身的影響。水泥品種不同就會有不同的性質，從而抗裂性質也就不同，不同規格的水泥，變形特質也不同，水泥的質量的好壞會直接導致水泥的開裂敏感度。

3. 橋梁高性能混凝土裂縫的控制

（1）高強混凝土必須是高性能混凝土，而高性能混凝土不一定非要強度高，如水工結構物，對強度要求并不高（C30左右），但對耐久性要求卻很高，對此，我們將進行控制，首先我們要對原材料和施工的工藝進行控制，要選用水化熱比較低的水凝，盡量滿足混凝土的強度，其次，盡量減少單方混凝土的水泥用量，減少水的用量，盡量控制混凝土自身的收縮性，施工中盡量避免粗骨料下沉造成混凝土內部結構的改變，從而避免橋梁中部出現裂縫，同時在進行施工時還要掌握氣候變化，特別在氣溫高，濕度低或風大的情況下需要采取覆蓋措施減少水分蒸發，考慮徐變影響后求得大體積混凝土綜合溫度應力。最后，運用Matlab編寫了溫度場和應力求解程序。 在上述理論指導下，針對現代高性能混凝土配制過程中摻入摻合料及各種外加劑的特點，通過水化熱試驗，系統地研究了單摻和復摻粉煤灰和放熱特征，詳細單摻和復摻粉煤灰、膨脹劑和減水劑對水泥水化溫升、水化放熱曲線和水化放熱速率的影響，通過多方面的考慮盡可能的減少橋梁出現裂縫。

（2）在建筑中一旦出現裂縫應當需要處理裂縫數量較多時，先要在裂縫位置上貼醫用白膠布，再用窄毛刷沾漿沿裂縫來回涂刷封縫，使裂縫封閉，大約10分鐘后，揭去膠布條，露出小縫，粘貼注漿嘴用鍵包嚴，固化后周邊可能有裂口，必須反復用漿補上，以避免注漿漏漿，其產生原因既有必然性也有偶然性，必然性是指其本身的一些特性，偶然性是指人為因素造成的一些特性，要針對不同的原因采取不同的措施，對癥下藥，在施工過程中，從原材料的選用到施工工藝技術的改進，層層把關就會避免混凝土結構產生裂縫，保證高性能混凝土結構的安全，一般來說，要求混凝土的收縮變形、徐變變形小，彈性模量高，溫度膨脹系數盡量與鋼筋一致，施工時，首先用鋼絲刷子將混凝土表面打毛，清除表面附著物，用水沖洗干凈后充分干燥，然后用樹脂充填混凝土表面的氣孔，再用修補材料涂覆表面，因此，混凝土工藝要根據工程所處的環境條件，使用耐久要達到100年以上來配制，用這種混凝土減少橋梁的裂縫。

4. 橋梁高性能混凝土裂縫的預防措施

（1）在施工中將礦物摻合料代替部分水泥用量摻入混凝土中可降低工程成本，粗細骨料的用量是影響混凝土質量的重要因素粗細骨料占混凝土體積的80%左右，所以要控制砂石用量，粗集料宜用表面粗糙，質地堅硬、級配良好、空隙率小、無堿性反應，有害物質及黏土含量不得超過規定要求，細骨料宜用顆粒較粗，空隙率小、含泥量較低的中砂，雖然高性能混凝土在成本上比普通混凝土要高一些，但由于減小了截面尺寸，減輕了結構自重，降低了鋼筋用量，這對自重占荷載主要部分的混凝土結構具有特別重要的意義，在混凝土的配制強度應較在一般配制強度的基礎上再提高10%～20%，使設計的橋梁在設計強度的要求、抗凍融循環的要求、抗通電量的指標、順利的灌注、混凝土的內實都能達到外美、不出裂紋，通過降低水膠比、強化水泥石與集料的界面、改善水泥水化產物、降低孔隙比、提高密實度來實現高耐久、高強度、高性能。

（2）測試混凝土中心溫度的方法，在混凝土構件中埋設測溫探討，將測溫探頭放置在預先埋設測溫探頭，將測溫探頭放置在預先選定的位置（如混凝土集中的部位中心、混凝土表面位置）用綁絲捆綁在構件鋼筋上，用塑料袋包好連接頭以防水影響使用，們對結構的耐久性等要求也不斷提高，這些都使得高性能混凝土的研制和應用成為必然的要求，在配合比設計過程中兩次試驗調整是很重要的兩個階段，要解決好兩次試驗調整，必需掌握三大技術關鍵，水灰比法則是指混凝土強度與水泥強度成正比，與水灰比成反比，要大幅度提高混凝土的耐久性，就必須減少或消除這些穩定性低的組分，特別是游離石灰，高性能道橋路面混凝土的耐久性高性能道面混凝土的主要特征是具有足夠的耐久性，能夠抵抗氣候和環境的長期破壞作用，保證在道面的設計使用期限內，混凝士能夠正常工作。

5. 結束語

隨著時代的不斷進步，橋梁建筑的不斷施工，越來越多的混凝土裂縫出現，人們不斷地追求者高質量的東西，從而用高性能的混凝土來代替混凝土本身的價值， 因此為了能配制出優良的高性能混凝土，必需熱練掌握這三大技術關鍵，而高性能的混凝土也將成為建筑橋梁的最好工具和前景，在工程安全使用期、經濟合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益，因此被各國學者所接受，被認為是今后混凝土技術的發展方向。

參考文獻

[1]鋼筋混凝土結構設計規范.中國建筑工業出版社，1999.2.

[2]鞠麗艷. 混凝土裂縫抑制措施的研究進展.混凝土，2002. 5.