公路橋梁大體積混凝土裂縫成因及預(yù)防措施

張振江

（江蘇燕寧工程咨詢(xún)有限公司 江蘇 210017）

1 大體積混凝土裂縫成因

1.1 溫度裂縫

大體積混凝土澆筑前期，由于水泥水化反應(yīng)會(huì)釋放大量熱量，加之混凝土為一種高熱阻材料，因此在澆筑完成前3d內(nèi)一般只能將總熱量的50%散發(fā)出去，剩余50%則積聚于混凝土內(nèi)部使其溫度急劇上升，而表面因熱量可及時(shí)散發(fā)而溫度相對(duì)較低。在此情況下，混凝土中心因高溫膨脹及自身約束而處于受壓狀態(tài)，表面則因溫度相對(duì)較低而處于受拉狀態(tài)，當(dāng)表面拉應(yīng)力大于該階段混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，并會(huì)于結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。除此之外，由于混凝土拆模可視為表面溫度驟降的過(guò)程，因此當(dāng)模板拆除過(guò)早時(shí)（即混凝土強(qiáng)度較低），混凝土表面易因冷縮受拉而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

1.2 收縮裂縫

作為一種脆性材料，混凝土抗拉強(qiáng)度度僅為抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10，且其拉伸變形能力表現(xiàn)極小，在短期與長(zhǎng)期加載情況下，極限拉伸變形分別為（0.6～1.0）×10-4和（1.2～2.0）×10-4。一般而言，混凝土用水量越多（表現(xiàn)為浮漿越厚），其裂縫產(chǎn)生機(jī)率越大，在實(shí)際施工中，混凝土所含水分中只有20%左右為水泥水化所需，剩余80%則會(huì)通過(guò)蒸發(fā)作用而散失，并且在蒸發(fā)過(guò)程中，最先散失的為自由水（含量約占30%），其所引發(fā)的收縮程度極小，基本可忽略不計(jì)，但是隨著蒸發(fā)作用的持續(xù)，當(dāng)混凝土中吸附水（含量約占20%）逸出時(shí)，便會(huì)引發(fā)較大程度的收縮現(xiàn)象（即干燥收縮），并且呈現(xiàn)出混凝土中心收縮較小、表面收縮較大的趨勢(shì)，在此情況下，表面混凝土因受中心混凝土的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，且當(dāng)該應(yīng)力增大至混凝土自身（抗拉）強(qiáng)度不足以承受時(shí)，便會(huì)于表面出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

2 大體積混凝土裂縫預(yù)防

2.1 材料措施

2.1.1 水泥

優(yōu)選礦渣水泥與粉煤灰水泥等低熱水泥，可以使用普通硅酸鹽水泥與火山灰質(zhì)水泥。對(duì)于水泥水化熱而言，由于其為水泥礦物成分與細(xì)度模數(shù)的函數(shù)，因此要想實(shí)現(xiàn)水化熱的降低，則需選擇礦物組成合理、細(xì)度較小的水泥。試驗(yàn)表明，要想實(shí)現(xiàn)水泥水化熱釋放量與釋放速率的有效控制，則需適當(dāng)提升熟料中的C4AF（鐵鋁酸四鈣）與C2S（硅酸二鈣）含量，相應(yīng)降低C3S（硅酸三鈣）與C3A（鋁酸三鈣）含量，但是基于混凝土早期強(qiáng)度的考慮，C3S含量不宜過(guò)少，對(duì)應(yīng)C2S增加量也不宜過(guò)多，否則會(huì)使水泥強(qiáng)度形成過(guò)慢。在實(shí)際操作中，通常是在提升C4AF含量（幅度不大于20%）的同時(shí)最大限度降低C3A，如此即可降低水泥水化熱，又不影響其強(qiáng)度形成速率。除此之外，水泥細(xì)度對(duì)水化熱釋放速率影響明顯，研究表明，水泥比表面積每增加100cm2/g，其硬化第1d水化熱會(huì)提升17～21J/g，第7d與第28d則均會(huì)提升4～12J/g。故此，對(duì)于大體積混凝土所用水泥而言，在不過(guò)分影響其活性的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)增加細(xì)度模數(shù)。

2.1.2 集料

由于混凝土所用集料級(jí)配越好，在同等強(qiáng)度下其對(duì)膠凝材料需求量就越少，故而可在一定程度上減少水泥與砂的用量，同時(shí)通過(guò)集料含泥量（砂應(yīng)＜2%，石應(yīng)＜1%）的控制，便可有效實(shí)現(xiàn)混凝土的收縮抑制與極限抗拉強(qiáng)度的提升，從而達(dá)到減少裂縫的目的，因此大體積混凝土應(yīng)優(yōu)先選用級(jí)配良好的集料。試驗(yàn)表明：當(dāng)用連續(xù)級(jí)配、粒徑為5～40mm的碎石與細(xì)度模數(shù)為2.3～3.7的中粗砂時(shí)，單位體積混凝土水泥與水用量可分別減少28～35kg和20～25kg，綜合效益表現(xiàn)良好。

2.1.3 粉煤灰

基于粉煤灰的火山灰效應(yīng)的分析，由于其反應(yīng)較為遲緩，發(fā)熱速率較慢，7d時(shí)發(fā)熱量只有純硅酸鹽水泥的17%，并且對(duì)于混凝土而言，單位體積純硅酸鹽水泥用量每增加100kg，其內(nèi)部溫升可達(dá)8～12℃；此外，由于粉煤灰中所含玻璃體球形顆粒較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且比表面積較小，故而對(duì)水吸附能力較弱，在混凝土中適量加入后即改善混合料和易性，減小干燥收縮，又可取代少量水泥，推遲并降低水化熱峰值溫度的出現(xiàn)，對(duì)混凝土抗裂性能及其裂縫抑制具有顯著的效果。

2.2 施工措施

（1）合理選擇水灰比。由于混凝土水灰比越大，振搗過(guò)程游離水（實(shí)為稀漿）泌出越多，致使其易因離析而產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，因此在不影響強(qiáng)度的前提下，大體積混凝土應(yīng)盡量減小水灰比。

（2）控制混凝土入模溫度。對(duì)于大體積混凝土而言，在拌合過(guò)程中可采用加冰或冷卻水的方式降低混合料出倉(cāng)溫度，同時(shí)在運(yùn)輸過(guò)程中做好保溫隔熱措施，并且避開(kāi)高溫施工，以此通過(guò)混凝土入模溫度的降低來(lái)有效減小其澆筑初期的溫度應(yīng)力，從而抑制溫度裂縫的出現(xiàn)。

（3）加強(qiáng)混凝土澆筑。為使混凝土熱量及時(shí)散發(fā)和提升密實(shí)效果，采用分層澆筑、分層振搗的連續(xù)施工方式，其分層厚度宜≤30cm（最大不得大于50cm），同時(shí)合理控制振搗間距，且以混凝土表面不再下沉、無(wú)氣泡冒出以及泛漿均勻?yàn)榭刂茦?biāo)準(zhǔn)，但需注意不得過(guò)振，以防混凝土表面因浮漿過(guò)厚而出現(xiàn)收縮裂縫。此外，在必要情況下，還可實(shí)施二次振搗及抹壓收光，以此減少混凝土表面收縮裂縫。

（4）盡量延遲拆模時(shí)間。由于混凝土拆?？梢暈闇囟润E降的過(guò)程，拆模過(guò)早易因表面冷縮而形成裂縫，因此延遲拆模時(shí)間，可使混凝土因強(qiáng)度提升而減少表面裂縫。

2.3 養(yǎng)護(hù)措施

2.3.1 內(nèi)降（冷卻水循環(huán)）

對(duì)于大體積混凝土而言，為降低其內(nèi)部溫度，減小內(nèi)表溫差，抑制溫度裂縫，可采用內(nèi)部通水冷卻（需在混凝土澆筑前預(yù)埋冷卻管）的方式進(jìn)行溫度控制。在實(shí)際操作過(guò)程中，對(duì)于降溫速率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可按1.0～1.5℃/d進(jìn)行控制，如此可不會(huì)出現(xiàn)明顯裂縫；當(dāng)混凝土標(biāo)號(hào)＞C40時(shí)，可適當(dāng)提升溫降速率至 2.0～3.0℃/d。

2.3.2 外保（保溫保濕）

在降低混凝土內(nèi)部溫度的同時(shí)，加強(qiáng)混凝土外部養(yǎng)護(hù)，以減小熱量散失為目的，可于混凝土表面包裹1～2塑料薄膜后外加一層保溫材料（如保溫被，覆蓋厚度需經(jīng)計(jì)算確定），然后灑水養(yǎng)護(hù)不少于14d。需要強(qiáng)調(diào)的是，大體積混凝土澆筑完成后不宜立即灑水養(yǎng)護(hù)，以防因表面溫度降低而引發(fā)早期裂縫，且在灑水時(shí)可利用冷卻管循環(huán)出來(lái)的熱水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，如此即可為混凝土硬化提供所需水分，又可提升其表面溫度，減小內(nèi)表溫差。

3 結(jié)語(yǔ)（經(jīng)驗(yàn)總結(jié)）

基于公路橋梁大體積混凝土裂縫的預(yù)防，本文筆者經(jīng)自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，建議性提出以下2點(diǎn)措施：

（1）增設(shè)鋼筋網(wǎng)片。在鋼混結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋為拉應(yīng)力的主要承載體，故而為提升結(jié)構(gòu)抗拉性能，抑制裂縫出現(xiàn)，可于構(gòu)件內(nèi)部適當(dāng)增設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)片，以此增強(qiáng)結(jié)構(gòu)極限拉伸強(qiáng)度εPa。具體配筋可參考下式（1）（經(jīng)驗(yàn)公式）：

式中：Rf為混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，MPa；ρ為結(jié)構(gòu)截面配筋率，一般取值0.3～0.5%；d為鋼筋直徑，mm。

分析上式可知，鋼筋直徑越細(xì)、布置間距越小，混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性能提升越明顯。在具體實(shí)施過(guò)程中，施工單位可采用φ8～12@100～200的鋼筋網(wǎng)片來(lái)提升大體積混凝土的防裂性能。

（2）摻加合成纖維?；炷羶?nèi)摻入適量合成纖維后，會(huì)于內(nèi)部形成數(shù)以千萬(wàn)計(jì)呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三維纖維，在此情況下，當(dāng)處于塑性階段的混凝土發(fā)生收縮（干縮或冷縮）變形時(shí)，一旦發(fā)展至與合成纖維碰觸，便會(huì)在其牽制作用下阻止變形進(jìn)一步擴(kuò)大，以此實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的抑制。