橋梁工程大體積混凝土裂縫成因分析及控制措施

陳策

浙江正方交通建設(shè)有限公司 浙江金華 321000

1 橋梁裂縫成因分析

1.1 內(nèi)部水泥水化熱反應(yīng)

混凝土在凝結(jié)過程中，以水泥為主的組成物與約20%的拌和水會(huì)發(fā)生水化熱反應(yīng)，其中鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和硅酸三鈣（3CaO·SiO3）為組成物中的主要水化放熱化合物，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為大量熱能，形成粘結(jié)砂石材料的可塑性漿體，最后凝結(jié)硬化成為石狀體。在一定的環(huán)境溫度下，斷面厚、表面系數(shù)和導(dǎo)熱效率較低，使得大體積混凝土結(jié)構(gòu)水化放熱速度顯著高于自發(fā)散熱速度，并形成由芯部至表面的溫度梯度，大溫差將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，該應(yīng)力受外部及外層混凝土約束[1]。

1.2 外界溫度變化

環(huán)境溫度隨時(shí)間呈周期性變化，且變溫幅度一般較大。混凝土表層溫度受內(nèi)部傳熱等因素影響，其變化速率相對緩慢。當(dāng)澆筑體表層與環(huán)境溫度溫差較大時(shí)，熱傳導(dǎo)速率增高，將加劇混凝土內(nèi)外溫度梯度，加劇裂縫發(fā)育。混凝土結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)室絕熱、恒溫環(huán)境及現(xiàn)場施工環(huán)境下應(yīng)力隨齡期的發(fā)展曲線如圖1所示。從圖1可以看出，溫差控制對降低混凝土受拉開裂風(fēng)險(xiǎn)影響顯著。

1.3 外部約束作用

在水化熱反應(yīng)末期，混凝土由內(nèi)至外開始逐漸導(dǎo)熱降溫，非水化熱反應(yīng)水分散失，其疊加作用導(dǎo)致混凝土體積逐漸收縮。收縮趨勢受到原澆筑基礎(chǔ)等的外部約束作用（嵌固或摩擦），將會(huì)產(chǎn)生較大的局部拉應(yīng)力。

1.4 混凝土收縮變形

在養(yǎng)護(hù)階段，混凝土若遭受風(fēng)吹日曬，則會(huì)加劇毛細(xì)孔道失水，從而加劇混凝土收縮。同時(shí)，含水量的減少將導(dǎo)致后續(xù)硬化效率降低，而此時(shí)混凝土尚處于強(qiáng)度發(fā)展的初期，抗裂能力不強(qiáng)，從而易產(chǎn)生裂縫。相對低標(biāo)號混凝土而言，高強(qiáng)混凝土水灰比較小，在水化反應(yīng)中需消耗的內(nèi)部水分較多，其收縮特性更為明顯。目前大跨度橋梁工程廣泛使用高強(qiáng)混凝土，因此更加需要關(guān)注收縮變形產(chǎn)生的混凝土裂縫[2]。

2 裂縫控制措施探討

大體積混凝土施工裂縫可從設(shè)計(jì)階段、前期施工階段、后期施工階段分別進(jìn)行控制。

2.1 設(shè)計(jì)階段

①在構(gòu)造方面，通過設(shè)置混凝土保護(hù)層防裂網(wǎng)、在結(jié)構(gòu)中間部位增設(shè)水平鋼筋網(wǎng)以及適度加密構(gòu)造鋼筋等措施，限制大體積混凝土易裂部位的收縮，提高其抗裂能力。②在配合比設(shè)計(jì)方面，首先可從水化反應(yīng)散熱源頭出發(fā)，優(yōu)選膠凝材料及摻合料，降低水化熱總量或其反應(yīng)速率，從而達(dá)到減小混凝土絕熱溫升、增強(qiáng)其抗收縮性能的目的。作為活性材料，粉煤灰有改善細(xì)骨料級配、減小泌水的作用。同時(shí)，其釋放的水化熱量（同等含量下）一般僅為水泥放熱量的5%-35%，并可一定程度上延緩前期水化反應(yīng)速率，從而降低溫升速率和峰值溫度，減小早期自收縮。與粉煤灰相比，礦渣雖能有效緩釋早期水化熱反應(yīng)，但其收縮性較大，在大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)中不宜大摻量使用。其次，選用合適的外加劑，能在一定程度上發(fā)揮改善混凝土工作性能、控制水化反應(yīng)速度或補(bǔ)償后期收縮的功效。膨脹劑水化生成的細(xì)微結(jié)晶產(chǎn)物可以填堵毛細(xì)孔，降低孔隙率，因此，在混凝土中摻入適量的膨脹劑，可使混凝土的強(qiáng)度和膨脹同步發(fā)生，協(xié)調(diào)發(fā)展，達(dá)到適宜的應(yīng)力狀態(tài)，從而提高混凝土抗裂能力。但目前仍存在其作用期與混凝土溫度升降期不協(xié)調(diào)的情況，使得在大體積混凝土中，膨脹效能在早期溫升過程中被大量無效釋放，補(bǔ)償溫降收縮的實(shí)際能力有限。此外，膨脹材料基本不降低混凝土的溫升，仍需從混凝土水化放熱源頭開展研究，優(yōu)化并控制結(jié)構(gòu)的溫度歷程。在混凝土中摻用減水劑可分散水泥，提升混凝土流動(dòng)性。摻加緩凝劑可推遲初凝時(shí)間，降低水化速度且不影響后期強(qiáng)度，但在一定程度上會(huì)引起混凝土泌水和離析。再者，可應(yīng)用鋼纖維和聚丙烯腈纖維等摻用技術(shù)。聚丙烯腈纖維可在混凝土中分散成單絲狀，從而形成內(nèi)部約束，減少離析，并降低混凝土失水收縮率，有效提高混凝土的抗拉強(qiáng)度[3]。

2.2 前期施工階段

在正式澆筑前，宜對前輪施工完成的混凝土作3d以上的噴淋保濕處理，使混凝土充分吸水濕脹，從而達(dá)到減小對上節(jié)新澆混凝土收縮約束的目的。在不影響既有結(jié)構(gòu)物受力特征的前提下，還可在澆筑體底部涂刷瀝青等材料，并鋪設(shè)油氈，以形成滑動(dòng)面，減弱嵌固作用下基礎(chǔ)部位對硬化階段混凝土的約束程度。在控制入模溫度方面，應(yīng)根據(jù)施工期間外界環(huán)境的溫度、濕度來確定相應(yīng)的溫控措施，如低溫天氣下，原材料應(yīng)保溫、防雨雪，拌和用水可提前利用鍋爐加熱再進(jìn)行供應(yīng)，泵管采用橡塑海綿等保溫材料包裹;高溫天氣下，應(yīng)搭設(shè)遮陽棚遮蓋防曬，骨料堆應(yīng)適當(dāng)噴水降溫，拌和水可適當(dāng)摻加冰塊，同時(shí)還應(yīng)考慮泵送管道的沿程降溫，如在泵送管道外包纏土工布或麻袋等保水材料并持續(xù)灑水保濕等。單位水加冰量參考公式（1）計(jì)算。

式中：X-每噸水需加冰量（kg）；Tw0-加冰前水的溫度（℃）；Tw-加冰后水的溫度（℃）。在澆筑施工方面，宜選取環(huán)境溫度較為穩(wěn)定的夜間施工，水平均勻分層連續(xù)澆筑，并嚴(yán)格控制分層厚度，配合振搗密實(shí)，加速早期過量水化熱能向外界的均勻傳導(dǎo)。在高溫天氣下還應(yīng)對模板進(jìn)行遮陽及噴水霧降溫處理。若采用預(yù)埋冷卻水管調(diào)控新澆大體積混凝土的內(nèi)部溫度，應(yīng)根據(jù)溫升情況調(diào)整冷卻水流量，快速帶走熱量，削弱溫度峰值，并控制混凝土芯部與表面溫差。冷卻水與周圈混凝土溫差也應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，防止局部冷擊導(dǎo)致裂縫。在降溫階段，逐步降低冷卻水進(jìn)水流量直至關(guān)閉，使大體積混凝土內(nèi)部緩慢勻速降溫。

2.3 后期施工階段

①拆模前養(yǎng)護(hù)；混凝土澆筑完成后，在高溫環(huán)境下可采取通水噴淋養(yǎng)護(hù)方式，在低溫環(huán)境下可采用鋪設(shè)防風(fēng)棉被養(yǎng)護(hù)方式，養(yǎng)護(hù)過程中不得干濕交替，避免反復(fù)收縮加劇裂縫發(fā)育。應(yīng)避免持續(xù)日照曝曬，施工前根據(jù)水泥及外加劑類型或試驗(yàn)結(jié)論，規(guī)劃拆模前后養(yǎng)護(hù)時(shí)間，現(xiàn)場還宜根據(jù)溫度、濕度監(jiān)控結(jié)果，合理判定，保證帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間，減緩混凝土表面溫度、濕度變化速率，使混凝土局部溫度應(yīng)力恒低于抗拉強(qiáng)度。

②拆模后養(yǎng)護(hù)；拆模后應(yīng)及時(shí)延續(xù)對混凝土表面進(jìn)行控溫保濕，并可在大體積混凝土表面涂刷防護(hù)劑(如硅烷液體等)，在混凝土表面形成薄膜層，延緩水分流失。初凝前表面刮平、終凝前再適當(dāng)抹面也可在一定程度上減少表層裂縫的生成。

3 結(jié)語

目前，大體積混凝土在大橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也日益提升，但限于混凝土自身特性和裂縫控制技術(shù)的欠缺，混凝土裂縫病害在許多工程項(xiàng)目中仍難以避免。因此應(yīng)針對其內(nèi)在機(jī)理，分階段制定抗裂質(zhì)量控制措施。重點(diǎn)是從源頭出發(fā)，優(yōu)化混凝土材料組分設(shè)計(jì)。隨著新材料、新理念的不斷誕生，其研發(fā)應(yīng)用前景廣闊。理論基礎(chǔ)的不斷加深拓寬、跨界工藝的不斷融合改良、工裝設(shè)備的不斷升級提效，將為大體積混凝土的施工質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。