橋梁大體積混凝土裂縫原因及控制措施分析

張美華 梁少杰

摘要：隨著交通基礎設施的進一步擴大，大體積混凝土在橋梁結構中的應用越來越多，如橋墩、大梁、蓋梁、橋臺等，裂縫問題越來越受到工程界的關注。裂縫的出現不僅影響了橋梁的美觀，而且降低了橋梁的整體抗壓能力。因此，采取有效措施將大體積混凝土的裂縫控制在容許范圍內具有重要意義。本文對橋梁工程中大體積混凝土結構的裂縫問題進行了研究，分析了裂縫產生的原因及應力變化特點，并且提出了幾種裂縫控制措施，以期為今后的相關工程提供借鑒和參考。

關鍵詞：橋梁大體積混凝土;裂縫原因;控制措施

1 橋梁大體積混凝土裂縫原因

1.1 溫度變化

溫度變化是引起混凝土結構裂縫的主要原因，尤其是大體積混凝土。在混凝土澆筑初期，由于水泥水化熱的影響，混凝土結構內部溫度較高。同時也會受到輸入溫度和結構散熱的影響，從而導致與混凝土表面溫度的差異。在外界環境溫度的變化下，混凝土的表面溫度會受到很大的影響。如果溫度急劇下降，將導致混凝土結構內外溫差大。混凝土結構是一種不良的導熱體。在高溫環境下，其散熱能力較差。內部溫度可達到65℃甚至更高，并可長期保持。在溫差作用下，混凝土結構內部的應力較大，與溫差成正比。當混凝土結構的應力達到一定水平時，會發生表面開裂。

1.2 水泥水化熱

大體積混凝土澆筑后，由于水泥水化放出的熱量使混凝土內部溫度升高（高達70℃左右，甚至更高），由于混凝土內部和表面的冷卻條件不同，大體積混凝土內部溫度不易擴散，從而形成從中心到外部的溫度梯度，內外溫差變形，溫度應力，混凝土表面產生拉應力、壓應力。一旦拉應力超過混凝土的極限抗拉強度，混凝土表面就會出現裂縫，不利于構件的工作。

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。短期荷載作用下，混凝土極限拉伸變形為（0.6～1.0）×10-1，長期荷載作用下，混凝土極限拉伸變形為（1.2～2.0）×10-4。根據以往的工程經驗，當混凝土耗水量較低時，可以降低裂縫產生的概率。反之，如果用水量過高，容易出現結構裂縫問題。特別是大體積混凝土結構，由于厚度的增加和浮漿量的增加，必須嚴格控制混合料中粗細骨料的含水量。在施工過程中，應采用軟件方法自動調整混凝土水灰比，嚴格控制用水量。此外，水化反應工程中混凝土的主要性能是收縮變化，需要注意溫度應力問題。

2 大體積混凝土應力分析

在大體積混凝土結構施工中，單次澆筑的尺寸一般較大。在絕熱環境中，混凝土內外的溫度變化主要以絕熱溫升曲線的形式出現。混凝土澆筑施工完成后，由于混凝土結構和自然環境中的空氣、水等構件基礎，在傳熱過程中會損失部分熱量。這也是混凝土結構內外溫差的主要原因。工程中若僅采用表面散熱法對混凝土結構進行降溫，由于表面散熱速度慢，很難達到良好的散熱效果。因此，目前許多工程采用在大體積混凝土中埋設冷卻管的方法來實現內部冷卻。通過這種人工干預，可以提高混凝土結構的降溫效果，但仍表現出內部溫度高、外部溫度低的特點。

2.1 澆筑初期

混凝土澆筑初期，溫度場變化迅速，彈性模量隨齡期的增長而明顯增大。混凝土結構中積聚了大量的熱量，產生的應力是早期應力。從混凝土澆筑到水泥水化反應結束，這一階段將持續約30天。在混凝土內部溫度升高的過程中，如果外部環境溫度下降，在熱脹冷縮的影響下，混凝土表面容易產生裂縫。這種早期溫度應力引起的裂紋，應與表面泌水和維護不當引起的裂紋問題區別開來。一般來說，早期應力引起的斷裂較深。

2.2 澆筑中期

在混凝土澆筑中期，當混凝土與外界溫度場相互作用時，混凝土內部會產生中間應力，并與早期殘余應力疊加，這也是導致混凝土開裂的主要原因。從混凝土水化熱反應結束到混凝土溫度場穩定，屬于混凝土澆筑的中間階段，其特點是彈性模量無明顯變化，混凝土處于冷卻狀態。在這種情況下，混凝土體積開始收縮，此時混凝土的冷卻和外界溫度的變化是影響其溫度應力的主要因素。與早期殘余應力疊加后，混凝土內部的應力水平也會更高，從而產生裂縫問題。

2.3澆筑后期

在澆筑后期，混凝土的應力主要受外界環境溫度變化的影響。與早期殘余應力疊加后，使用壽命可能結束，均屬于澆注后期。在這一階段，混凝土結構的彈性模量趨于穩定，混凝土結構產生裂縫的主要原因是內外溫度的突變。當溫差較大時，混凝土內部會形成拉應力，最終導致裂縫問題。

3 減少大體積混凝土裂縫產生的措施

3.1 材料質量控制措施

混凝土出現裂縫主要原因就是混凝土水泥水化過程釋放大量熱量，使混凝土內外受力不同產生裂縫，所以在選材的時候，應該優先選擇水化熱較小的水泥，例如：中熱硅酸鹽水泥。大體積混凝土配料要添加一定量的粉煤灰，粉煤灰能降低水泥水化熱，提高和易性，增強抗滲能力，而且還能降低水泥的用量，極大地提高混凝土強度，所以大體積混凝土要添加一定量的粉煤灰。粗骨料優先選用5mm-20mm粒徑的連續級配石子，細骨料優先選用中砂，這樣的骨料空隙較小，能夠減少水泥的使用量，產生的水化熱較小，減少干縮，能夠控制混凝土裂縫的出現。

3.2 施工現場控制措施

3.2.1 溫度測控

大體積混凝土施工時，應加強對混凝土內外溫差的監測，采用計算機模擬技術對混凝土施工過程中的動態監測進行計算機模擬，并記錄混凝土結構沿厚度方向的溫度變化，一次發現混凝土內外溫差超過規范要求（設計要求，溫差不應超過25攝氏度），采取措施提高混凝土外部溫度。同時最佳選擇在春秋季大體積混凝土施工、澆筑過程中，加強通風，盡量避免直接曝曬。

3.2.2 控制大體積混凝土澆筑時間

澆筑振搗時，根據不同的混凝土坍落度正確掌握振搗時間，避免過振或漏振。薄層澆搗均勻上升，便于散熱，抓住混凝土流淌的最近點和最遠點等邊緣部位。高頻振搗器應盡量垂直插入，插入快，牽引慢，排列均勻。采用二次振搗和二次抹面技術，清除混凝土中的水分和氣泡。

3.3 養護措施

大體積混凝土的養護對結構裂縫的控制具有重要作用。在大體積混凝土的養護和施工階段，應采取措施保護混凝土的外部溫度，盡量減小混凝土內外溫差。具體包括：（1）外保溫措施，通過控制溫差，及時覆蓋保溫材料，避免混凝土表面溫度迅速下降，降低內應力，抑制混凝土裂縫的發生。此外，還可以促進粉煤灰的水化反應，避免混凝土溫度梯度過大，從而降低混凝土的開裂概率。（2）內部冷卻措施，主要是通過在混凝土內部設置冷卻水循環系統，減少混凝土內部產生的熱量。具體可分為初期和后期兩種部署模式。在初始階段，可以降低混凝土的水化熱峰值，減小內外溫差。后期主要是滿足接縫灌漿的要求，控制混凝土的溫度變化。養護工作可以有效地降低混凝土開裂的概率。

4 結語

綜上所述，大體積混凝土裂縫的控制主要可以從三個方面著手，分別是溫度控制、混凝土澆筑時間控制，材料質量控制等，在施工的過程中借助于合理方法有效降低大體積混凝土內外溫差，減小混凝土裂縫的產生。還需要加強對混凝土施工材料的質量控制，提高橋梁工程的整體穩定性，從而促進我國橋梁工程的優化與發展。

參考文獻：

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