公路橋梁大體積混凝土裂縫成因與控制措施

王學儒

（河北建設集團股份有限公司，河北 保定 071051）

在公路橋梁工程的大體積混凝土結構施工中，容易出現結構裂縫問題，需要采取有效的控制措施，降低裂縫產生概率。因此，有必要對大體積混凝土裂縫成因及對策進行研究，從而促進公路橋梁工程施工質量的提升。

1 大體積混凝土裂縫成因

1.1 溫度變化

溫度變化是引發混凝土結構裂縫的主要原因，對于大體積混凝土更是如此。在澆筑初期，受混凝土中的水泥水化熱影響，混凝土結構內部溫度較高。同時也會受到入模溫度、結構散熱的影響，進而與混凝土表層溫度產生差異。在外部環境溫度的變化下，混凝土表層溫度會受到較大影響，若出現溫度驟降的情況，則會導致混凝土結構內外產生較大溫差。混凝土結構屬于不良導熱體，若處于高溫環境，其散熱能力較差，內部溫度可能達到65℃甚至更高，并保持較長時間。在溫差作用下，混凝土結構內部會產生較大的應力，與溫差呈正比例關系。當混凝土結構應力達到一定水平后，就會引起表面開裂現象[1]。

1.2 水泥水化熱

水泥的水化熱作用是導致混凝土內部溫升較大的主要原因。水泥釋放的水化熱，主要與其品種及單位體積用量有關。而且水泥水化熱會隨混凝土齡期增長出現指數增長趨勢，在10～12d接近達到最終絕熱溫升。在自然散熱條件下，混凝土結構內部溫度最大值一般出現在澆筑后3～5d。之后在混凝土齡期增加下，混凝土彈性模量出現升高，內部降溫收縮約束作用越來越明顯，會形成較大的拉應力。如果混凝土結構抗拉強度不足，無法抵抗內部產生的拉應力，則會出現裂縫現象。根據以往工程經驗，單位體積水泥用量增加10kg，會導致混凝土內部溫度上升1℃，混凝土膨脹增加0.01mm[2]。

1.3 混凝土收縮

混凝土屬于脆性材料，其抗拉強度一般為抗壓強度的1/20～1/10，因此主要表現為抗壓強度。在短期加載下，混凝土極限拉伸變形為（0.6～1.0）×10-1，在長期加載下，混凝土極限拉伸變形為（1.2～2.0）×10-4。根據以往工程經驗，混凝土中的用水量較少時，可以降低裂縫產生概率，相反，如果用水量過高，則容易出現結構裂縫問題。特別是對于大體積混凝土結構，由于其厚度增大，浮漿明顯增多，需要對混合料中的粗細骨料含水量進行嚴格控制。在施工過程中，還需要采用軟件方法對混凝土水膠比進行自動調整，嚴格控制用水量。此外，混凝土在水化反應工程中主要表現為收縮變化，需要對溫度應力問題加以重視[3]。

2 大體積混凝土應力分析

在大體積混凝土結構施工中，一般單次澆筑的尺寸較大。在絕熱環境下，混凝土內外溫度變化主要表現為絕熱溫升曲線形式。在混凝土澆筑施工完成后，由于混凝土結構與自然環境中的空氣、水以及其他構件基礎，在熱量傳遞過程中，會散失部分熱量。這也是導致混凝土結構出現內外溫差的一個主要原因。如果在工程中僅采取表面散熱方法對混凝土結構進行降溫，由于表面散熱速度慢，難以取得較好的散熱效果。因此，目前許多工程采用在大體積混凝土內部埋設冷卻管的方法，實現內部降溫。通過采取這種人工干預措施，可以使混凝土結構降溫效果得到改善，但仍表現為內部溫度高、外部溫度低。特別是在外部環境溫度發生急劇變化時，混凝土內外溫差較大，會產生較大的溫度應力。其溫度應力發展趨勢主要表現為澆筑初期、中期、晚期三個階段。

2.1 澆筑初期

在混凝土澆筑初期，其溫度場變化較快，隨著齡期增長，彈性模量會出現明顯增加。在混凝土結構內部積聚了大量熱量，由此產生的應力為早期應力。從混凝土澆筑一直到水泥水化反應結束，該階段會持續30d左右。在混凝土內部溫度的上升過程中，如果遇到外部環境溫度下降，受熱脹冷縮作用的影響，其表面容易出現裂縫。這種由早期溫度應力產生的裂縫應該與表面泌水和養護不當引發的裂縫問題加以區分。一般情況下，由早期應力引發的裂縫要相對較深。

2.2 澆筑中期

在混凝土的澆筑中期，在與外界環境溫度場進行交互作用的情況下，會使混凝土內部產生中期應力，并與早期殘余應力疊加，也是導致混凝土裂縫的主要原因。從混凝土水化熱反應結束到混凝土溫度場趨于穩定，都屬于混凝土澆筑中期階段，其特點是彈性模量沒有較大變化，混凝土內部呈降溫狀態。在此情況下，混凝土體積會開始出現縮小，此時混凝土的冷卻和外部溫度變化，是其溫度應力的主要影響因素。在與早期的殘余應力疊加后，也會導致混凝土內部應力水平較高，進而出現裂縫問題。

2.3 澆筑晚期

在澆筑晚期，混凝土應力主要是在外界環境溫度變化的影響下產生的，在與前期的殘余應力疊加后，可能對混凝土結構造成破壞。從混凝土溫度下降一直到構件壽命終結，都屬于澆筑晚期階段。在該階段，混凝土結構的彈性模量已經趨于穩定，引起混凝土結構裂縫的主要原因是內外溫度的突然變化，如果出現較大溫差，會在混凝土內部形成較大的拉應力，最終導致裂縫問題的出現。

3 大體積混凝土裂縫控制措施

3.1 材料措施

基于上述分析，混凝土結構的內部溫度變化及溫度應力的產生，是造成裂縫問題的主要原因。其內部溫度變化受材料選用的影響較大，必須對材料質量進行嚴格控制。具體可采取以下幾方面控制措施：（1）在拌合過程中，使用標準要求的冷卻水，并控制好混凝土的入模溫度。（2）對水泥的選用進行嚴格控制，根據混凝土溫度變化的梯度特點，選擇使用低水化熱的水泥材料，控制其3d水化熱量在240kJ/kg以下，7d水化熱量在270kJ/kg以下。比如選擇礦渣硅酸鹽水泥或粉煤灰硅酸鹽水泥。（3）在集料選用方面，應保證級配良好，降低膠凝材料的用量。同時應嚴格控制骨料中的含泥量，其中砂的含泥量應控制在2%以內，石的含泥量應控制在1%以內。此外還要盡量降低水泥、水的用量，從而降低水化熱影響，防止出現裂縫問題。（4）合理運用混凝土摻加料，主要包括緩凝減水劑、粉煤灰和膨脹劑。其中，緩凝減水劑可以通過延長混凝土初凝時間，推遲水化熱峰值出現時間，有利于改善混凝土抗裂性能。粉煤灰的適量使用相當于減少水泥用量，從而降低水化熱量。另外可以通過加入適量的膨脹劑，抵消混凝土結構收縮產生的拉應力，達到裂縫控制效果。

3.2 施工措施

在施工控制措施方面，主要通過對混凝土澆筑過程以及二次振搗過程進行控制，降低混凝土裂縫產生概率。

（1）澆筑控制。在澆筑過程中應及時去除表面浮漿、軟弱層和松動的石子，確保表面粗骨料的露出均勻。在新澆筑施工前，需要采用高壓水槍沖洗下層混凝土，保證其表面潔凈、潤濕，且不能存在積水。若采取非泵送澆筑方式，或混凝土流動性較低，需要在接漿處理后再進行澆筑。在大體積混凝土澆筑過程中，應采取分層澆筑及振搗方式，并確保每層澆筑施工的連續性，控制分層厚度在30cm以內，最大不能超過50cm，從而確保混凝土澆筑密實，讓熱量及時散發。在澆筑過程中，需要對振搗間距進行控制，確保混凝土表面無氣泡、翻漿、下沉現象，同時應防止出現過振，否則容易因浮漿過厚導致混凝土結果出現收縮裂縫。

（2）二次振搗控制。在大體積混凝土結構施工中，為提升其極限抗拉強度，需要采用二次振搗方法，并在二次投料過程中，采用水泥裹砂的方法，提升施工技術質量。具體是在拌制砂漿時，一次性投入全部水泥和細集料，并投入1/3的水，攪拌約60s后，投入剩余材料。采用這種方法拌制的混凝土，可以在一定程度上提升其抗拉強度，提升幅度約為15%左右，而且能夠節約20%左右的水，避免在入模時出現離析現象。在二次振搗施工過程中，需要進一步排除混凝土內部空隙及泌水，提高混凝土結構穩定性和抗壓強度。具體應在混凝土初凝前、未達到振動界限前采取二次振搗措施，通過把握好二次振搗時間，充分發揮二次振搗的作用，并為混凝土塑性狀態恢復提供依據。在判斷二次振搗時機時，可以通過采用插入振動棒進行檢測，或采用貫入阻力值測定方法。在標注貫入阻力小于3.5N/mm2的條件下進行二次振搗，不會對已成型結構造成破壞。此外，還要考慮水泥品種和用量、氣溫條件、混凝土坍落度等因素，確定二次振搗時間，一般為澆筑后的1～3h。

3.3 養護措施

做好大體積混凝土養護工作對于控制結構裂縫有顯著效果。在大體積混凝土的養護施工階段，需要采取外保內降的措施，在混凝土表面覆蓋保溫材料，并在內部采取冷卻水管冷卻措施，盡可能縮小混凝土內外溫差。具體包括：（1）外部保溫措施，在澆筑后及時覆蓋保溫材料，避免混凝土表面溫度出現快速下降，通過控制溫差，減小內部應力，抑制混凝土裂縫產生。此外還可以通過促進粉煤灰的水化反應，避免混凝土內部出現過大的溫度梯度，從而降低裂縫幾率。（2）內部降溫措施，主要通過在混凝土內部布置冷卻水循環系統，降低混凝土內部產生的熱量。具體可分為初期、后期兩種部署方式，在初期主要通過降低混凝土的水化熱峰值，縮小內外溫差。在后期則是為了滿足接縫灌漿需求，控制混凝土溫度變化。通過做好養護工作，能夠有效降低混凝土裂縫概率。

4 結語

綜上所述，在混凝土裂縫控制過程中，需要綜合采用多種控制措施，盡可能降低負面因素的影響，提高混凝土結構強度。結合筆者工作經驗，在混凝土裂縫控制方面，可采取以下措施：

（1）設置防裂鋼筋網，混凝土內部的拉應力實際由鋼筋承擔，通過設置防裂鋼筋網，能夠起到提升結構抗拉能力的效果，從而防止裂縫出現。在防裂鋼筋網配筋過程中，可以參考公式：

式中：εPa為混凝土拉伸強度；Rf為設計抗拉強度；ρ為結構截面配筋率；d為鋼筋直徑。基于該公式，鋼筋直徑越小，間距越密，對結構抗裂性能的提升越顯著。

（2）在混凝土中適量加入合成纖維，使其在混凝土內呈網狀均勻分布，可以抑制混凝土冷縮和干縮裂縫，也能夠降低裂縫出現概率。