橋梁工程大體積混凝土裂縫成因分析及控制措施

魏 林 馬成賢

(中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100844)

隨著我國國民經濟水平的不斷提高和城市化進程的加速推進，作為交通基礎建設的重要組成部分，橋梁工程也進入了高速發展的階段，朝著更大體量、跨度、荷載以及更長運營壽命周期等方向不斷突破[1]。混凝土是橋梁工程的主要建筑材料，具有可塑性強、經濟性和耐久性較好、抗壓強度較高的優點，但也同時存在結構效率較低、易裂、抗拉強度低、質量控制難度大等缺點，尤其是大體積混凝土結構，易產生表面裂縫，對結構耐久性影響較大，若形成貫穿裂縫則會嚴重削弱結構體受力性能。因此，需對施工過程中混凝土結構的裂縫成因進行分析,并分階段制定控制措施,提高施工質量。

1 裂縫成因分析

施工期間，大體積混凝土裂縫主要成因可分為四個部分：(1)內部水泥水化熱反應；(2)外界溫度變化；(3)外部約束作用；(4)混凝土收縮變形[2]。

1.1 內部水泥水化熱反應

混凝土在凝結過程中，以水泥為主的組成物與約20%的拌和水會發生水化熱反應，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，化學能轉化為大量熱能，形成粘結砂石材料的可塑性漿體，最后凝結硬化成為石狀體。在一定的環境溫度下，斷面厚、表面系數和導熱效率較低，使得大體積混凝土結構水化放熱速度顯著高于自發散熱速度，并形成由芯部至表面的溫度梯度，大溫差將產生較大的溫度應力，該應力受外部及外層混凝土約束。在溫升階段，表現為澆筑體芯部受壓，表面受拉，當溫度拉應力超過混凝土極限拉應力時，將在局部形成裂縫。

1.2 外界溫度變化

環境溫度隨時間呈周期性變化，且變溫幅度一般較大。混凝土表層溫度受內部傳熱等因素影響，其變化速率相對緩慢。當澆筑體表層與環境溫度溫差較大時，熱傳導速率增高，將加劇混凝土內外溫度梯度，加劇裂縫發育。混凝土結構在試驗室絕熱、恒溫環境及現場施工環境下應力隨齡期的發展曲線如圖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險影響顯著。

圖1 混凝土在不同溫控環境下應力-齡期曲線圖

1.3 外部約束作用

在水化熱反應末期，混凝土由內至外開始逐漸導熱降溫，非水化熱反應水分散失，其疊加作用導致混凝土體積逐漸收縮。收縮趨勢受到原澆筑基礎等的外部約束作用(嵌固或摩擦)，將會產生較大的局部拉應力。

1.4 混凝土收縮變形

在養護階段，混凝土若遭受風吹日曬，則會加劇毛細孔道失水，從而加劇混凝土收縮。同時，含水量的減少將導致后續硬化效率降低，而此時混凝土尚處于強度發展的初期，抗裂能力不強，從而易產生裂縫。

相對低標號混凝土而言，高強混凝土水灰比較小，在水化反應中需消耗的內部水分較多，其收縮特性更為明顯。目前大跨度橋梁工程廣泛使用高強混凝土，因此更加需要關注收縮變形產生的混凝土裂縫。

2 裂縫控制措施探討

大體積混凝土施工裂縫可從設計階段、前期施工階段、后期施工階段分別進行控制。

(1)設計階段

①在構造方面，通過設置混凝土保護層防裂網、在結構中間部位增設水平鋼筋網以及適度加密構造鋼筋等措施，限制大體積混凝土易裂部位的收縮，提高其抗裂能力。

②在配合比設計方面，首先可從水化反應散熱源頭出發，優選膠凝材料及摻合料，降低水化熱總量或其反應速率，從而達到減小混凝土絕熱溫升、增強其抗收縮性能的目的[3]。作為活性材料，粉煤灰有改善細骨料級配、減小泌水的作用。同時，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速率，從而降低溫升速率和峰值溫度，減小早期自收縮[4]。與粉煤灰相比，礦渣雖能有效緩釋早期水化熱反應，但其收縮性較大，在大體積混凝土配合比設計中不宜大摻量使用。

其次，選用合適的外加劑，能在一定程度上發揮改善混凝土工作性能、控制水化反應速度或補償后期收縮的功效。膨脹劑水化生成的細微結晶產物可以填堵毛細孔，降低孔隙率，因此，在混凝土中摻入適量的膨脹劑，可使混凝土的強度和膨脹同步發生，協調發展，達到適宜的應力狀態，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調的情況，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，補償溫降收縮的實際能力有限。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，優化并控制結構的溫度歷程。在混凝土中摻用減水劑可分散水泥，提升混凝土流動性。摻加緩凝劑可推遲初凝時間，降低水化速度且不影響后期強度，但在一定程度上會引起混凝土泌水和離析。

再者，可應用鋼纖維和聚丙烯腈纖維等摻用技術。聚丙烯腈纖維可在混凝土中分散成單絲狀，從而形成內部約束，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度[5]。

(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 3 d以上的噴淋保濕處理，使混凝土充分吸水濕脹，從而達到減小對上節新澆混凝土收縮約束的目的。在不影響既有結構物受力特征的前提下，還可在澆筑體底部涂刷瀝青等材料，并鋪設油氈，以形成滑動面，減弱嵌固作用下基礎部位對硬化階段混凝土的約束程度。

在控制入模溫度方面，應根據施工期間外界環境的溫度、濕度來確定相應的溫控措施，如低溫天氣下，原材料應保溫、防雨雪，拌和用水可提前利用鍋爐加熱再進行供應，泵管采用橡塑海綿等保溫材料包裹；高溫天氣下，應搭設遮陽棚遮蓋防曬，骨料堆應適當噴水降溫[6]，拌和水可適當摻加冰塊，同時還應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灑水保濕等。單位水加冰量參考公式(1)計算。

(1)

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，宜選取環境溫度較為穩定的夜間施工，水平均勻分層連續澆筑，并嚴格控制分層厚度，配合振搗密實，加速早期過量水化熱能向外界的均勻傳導。在高溫天氣下還應對模板進行遮陽及噴水霧降溫處理。若采用預埋冷卻水管調控新澆大體積混凝土的內部溫度，應根據溫升情況調整冷卻水流量，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控制在一定范圍內，防止局部冷擊導致裂縫。在降溫階段，逐步降低冷卻水進水流量直至關閉，使大體積混凝土內部緩慢勻速降溫[7]。

(3)后期施工階段

①拆模前養護

混凝土澆筑完成后，在高溫環境下可采取通水噴淋養護方式，在低溫環境下可采用鋪設防風棉被養護方式，養護過程中不得干濕交替，避免反復收縮加劇裂縫發育。應避免持續日照曝曬，施工前根據水泥及外加劑類型或試驗結論，規劃拆模前后養護時間，現場還宜根據溫度、濕度監控結果，合理判定，保證帶模養護時間，減緩混凝土表面溫度、濕度變化速率，使混凝土局部溫度應力恒低于抗拉強度。

②拆模后養護

拆模后應及時延續對混凝土表面進行控溫保濕，并可在大體積混凝土表面涂刷防護劑(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、終凝前再適當抹面也可在一定程度上減少表層裂縫的生成。

3 結束語

目前，大體積混凝土在大橋梁工程領域的應用越來越普遍，質量標準也日益提升，但限于混凝土自身特性和裂縫控制技術的欠缺，混凝土裂縫病害在許多工程項目中仍難以避免。因此應針對其內在機理，分階段制定抗裂質量控制措施。重點是從源頭出發，優化混凝土材料組分設計。隨著新材料、新理念的不斷誕生，其研發應用前景廣闊[8]。理論基礎的不斷加深拓寬、跨界工藝的不斷融合改良、工裝設備的不斷升級提效，將為大體積混凝土的施工質量奠定堅實的基礎。