廣西桂來高速公路武宣連接線黔江特大橋施工早期裂縫防治探析

呂伯厚

（甘肅省公路交通建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

廣西桂平至來賓高速公路武宣連接線黔江特大橋上部結構為預應力連續剛構，該橋橋跨組合為：2×30+106+200+106+9×30m，主橋為106+200+106m 預應力砼連續剛構。采用整幅單箱單室截面，三向預應力結構，箱箱寬9.5m，翼板懸臂長4.2m，橋面寬度17.9m，0號塊箱梁高度13.2m，箱梁端部及跨中高度3.6m。

筆者以此橋建設施工為例，就主橋連續剛構現澆箱梁腹板可能會出現的早期裂縫預防所展開的施工技術攻關研究，從原材質量、高標號混凝土配合比優化設計、施工過程中采取的降低水化熱等幾個方面入手，并進行了相關現場試驗，得出了有效減少連續剛構大跨度預應力橋梁現澆箱梁腹板混凝土產生早期裂縫的技術問題。

2 施工裂縫主要成因

2.1 混凝土裂縫產生的機理

混凝土是一種混合材料，其本身具有非勻質、多相復雜性。從微觀結構上分析，混凝土材料結構之間的黏結力主要是范德華力，這就決定了混凝土材料的抗拉強度遠遠低于其抗壓強度。結構所受的拉應力超過混凝土材料的抗拉強度極限，混凝土裂縫即出現[1]。

從裂縫發生的宏觀條件下考慮，自由發生變形的混凝土不會產生裂縫；變形程度小于其自身能抵抗的變形也不會產生裂縫。混凝土裂縫的產生與其變形量、約束程度與抗拉強度等因素有直接關系。

2.2 混凝土施工裂縫產生的外在原因

1）混凝土配合比不良。同濟大學對混凝土集料與早期收縮量之間的關系做了一系列的試驗，試驗結果表明：在用水量相同的條件下，收縮率隨著集灰比（集料與膠凝材料質量比）增大而減小；水灰比一定時，收縮量隨著漿集比 （水泥漿與集料總體積之比）增大而增大。這個結論反映的是可收縮體與不可收縮體之間的關系。集料比例增加，能夠有效減少混凝土的早期收縮量，但是卻對混凝土的和易性產生較大的影響。而當水灰比一定時，水泥漿量過多會削弱集料的骨架效應，產生較大的收縮量。

優秀的配合比設計使用優良級配，細集料能夠填補粗集料之間的間隙，需要較少的水泥漿就能夠將粗細集料握裹形成密實優質的混凝土。粗細集料之間的縫隙較小，能有效抑制水泥石的收縮，最終達到降低混凝土收縮的目的。另外級配合理的集料組合也可有效降低混凝土的孔隙率，節約水泥用量，降低工程成本。

2）水化熱過大。混凝土水化熱主要包含兩部分：混凝土絕熱溫升和混凝土澆筑溫度。對于混凝土絕熱溫升，江正榮在《建筑施工計算手冊》第十一章有詳細的介紹。混凝土絕熱溫升的主要影響因素為水泥品種、水泥含量以及澆筑溫度等。因而，控制混凝土水化熱產量的主要途徑為選擇水化熱較小的水泥品種、優化混凝土配合比以減少水泥用量和控制混凝土澆筑溫度三方面。

混凝土在水泥硬化過程會產生大量熱量而不易散發，箱梁內部溫度不斷升高；而表面混凝土在空氣對流、水分蒸發作用下，溫度上升相對較慢，而與箱梁內部形成較高的溫差。在施工過程中拆模過早、未進行混凝土養護、冬季施工未采取保溫措施等，均會導致混凝土表面產生較大的張力，從而產生混凝土水化熱裂縫[2]。

3）混凝土收縮過大。水泥在水化過程中，吸收水分，體積發生收縮，而集料的體積不發生變化。不同材料之間的收縮不同步，同時受到外在的約束，可能在混凝土的內部以及外部產生收縮裂縫。影響混凝土的收縮因素很多，包括水泥品種、等級、用量、集料粒徑、配筋率、施工質量、養護方式及齡期等。

3 水化熱實測

水化熱溫度測試選擇在4#墩14#節段，預埋溫度傳感器位置如圖1所示。大氣溫度以及箱梁表面溫度采用測溫槍測量。

圖1 溫度傳感器測點圖以及表面溫度測點圖

3.1 水化熱溫度實測結果

水化熱溫度采集從混凝土澆筑后立即進行，時間起點為混凝土從攪拌站出斗時間計。前48h測量時間間隔為2h，48h-72h測量時間間隔為4h，72h-120h測量時間間隔為6h[1]。

圖2 混凝土水化熱溫度曲線

由圖2可知，傳感器i2、i3、i4曲線走勢非常相似。最高溫度均在混凝土出倉后30h左右達到，最高溫度均超過60℃，內外溫差均達到了20℃。而傳感器i1曲線在混凝土出倉后10h左右即達到最大值，然后溫度以較快的速度降低至與外界氣溫相近。

根據《公路橋涵施工技術規范》規定：大體積混凝土是指混凝土結構尺寸的最小邊尺寸大于1m的混凝土構件，本橋試驗段位于全橋1/4跨位置。該試驗段腹板厚70cm，底板厚68.2cm，接近大體積混凝土，水泥用量468kg/m3。混凝土入模溫度達到30℃以上。

箱梁頂板i處厚度較薄，橋面通風狀況良好，因而水化熱產生內外溫差較低。

3.2 水化熱溫度實測結論

由試驗可知:

1）本工程預應力連續箱梁0號塊根部截面尺寸接近于大體積混凝土構件的最小規定，混凝土強度等級為C55，水泥用量468kg/m3，可導致較高的水化熱；

2）根據本次溫度實測，并借鑒湖南大學汪建群[5]等人的研究結果，進一步印證了大跨預應力混凝土箱梁橋混凝土在澆筑后，一般在30h內水化熱達到峰值溫度，在前1-5d將經歷較快的升溫和降溫過程，在此期間容易出現較大的內外溫差，前4d應尤其注意混凝土養護；

3）參照王金海的研究經驗[1]，在混凝土拌和時摻入適量粉煤灰，以替代部分水泥用量，降低混凝土的水化熱。本工程在施工時，經試驗確定摻入了52kg/m3的粉煤灰，有效減少了部分水化熱的產生。

4 施工措施

1）應采用合理的配合比設計。根據工程設計參數、混凝土強度以及和易性等參數及現行國家標準《普通混凝土配合比規程》，對混凝土進行配合比設計。

該橋混凝土設計強度為C55，為了獲得最佳配合比，進行了多組試驗。在滿足施工和易性、早期施工強度以及水化熱量的要求，最終選擇表1中的第一組作為施工配合比。

表1 混凝土配合比（單位：kg/m3）

2）控制水泥產熱量。根據混凝土的水化熱絕對溫升計算公式[3]（1）：

得出：混凝土絕熱溫升與每立方米水泥用量成正比，與每千克水泥水化熱量成正比。因此，必須優化混凝土施工配合比設計，在確保混凝土達到設計強度的條件下，盡可能降低水泥用量。采用發熱量更低的水泥，或者在對早期強度影響不大的條件下添加部分粉煤灰替代水泥，既能達到降低部分水化熱的目的，也能減少混凝土裂縫的產生。

3）控制原材料溫度。在混凝土原材料中，水的比熱較大，但是比例較小，僅為6.2%，集料的比熱小，但是質量比達到了70.3%。因而，集料溫度對混凝土澆筑溫度影響最大，水次之，水泥溫度影響最小。特殊情況下必須施工時，可在現場設置噴霧機、采取預冷卻措施對集料進行降溫，以及使用冷卻水進行攪拌作業，從而降低混凝土澆筑溫度。現場試驗結果表明，在風力較小的情況下，這種方法能降低 4～6℃。

4）降低澆筑環境溫度。選擇合理的混凝土澆筑時間窗口，對縮小混凝土入模內外溫差有著非常重要的作用。比如傍晚到次日早晨。

5 結論

綜上所述，得出能夠減少和預防大跨度混凝土腹板早期發生裂縫的措施為采用科學合理的施工配合比，減少混凝土中的膠凝體比例是最主要的手段，其次是采取措施降低原材溫度從而降低混凝土的入模溫度，選擇低溫時間施工也是必不可少的措施。