橋梁大體積混凝土裂縫的成因及防治

高　鵬　高明輝

【摘要】 本文對大體積混凝土橋梁裂縫產(chǎn)生的原因作較全面的分析、總結(jié)，以方便設(shè)計、施工找出控制裂縫的可行辦法，達(dá)到防范于未然的作用。

【關(guān)鍵詞】 橋梁；大體積混凝土；裂縫

一、大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

1、水泥水化熱

水泥水化過程中放出大量的熱，且主要集中在澆筑后的2～5d左右，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高……尤其對于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因為混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

2、混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下的這種自發(fā)變形受到外部約束時（支撐條件、鋼筋等），將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮3種。在硬化初期主要是水泥水化凝固結(jié)硬過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。

3、外界氣溫、濕度變化

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對裂縫的產(chǎn)生有著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度下降過快，會造成很大的溫度應(yīng)力，極易引發(fā)混凝土的開裂。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會加速混凝土的干縮，也會導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

二、大體積混凝土施工質(zhì)量控制措施

1、大體積混凝土配合比設(shè)計

（1）原材料選用。①水泥：由于水泥的用量直接影響著水化熱的多少及混凝土溫升，大體積混凝土應(yīng)選用水化熱較低的水泥，如低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥等，并盡可能減少水泥用量。②細(xì)骨料：宜采用Ⅱ區(qū)中砂，因為使用中砂可減少水及水泥的用量。③粗骨料：在可泵送情況下，選用粒徑5-20mm連續(xù)級配石子，以減少混凝土收縮變形。④含泥量：在大體積混凝土中，粗細(xì)骨料的含泥量是要害問題，若骨料中含泥量偏多，不僅增加了混凝土的收縮變形，又嚴(yán)重降低了混凝土的抗拉強度，對抗裂的危害性很大。因此，骨料必須現(xiàn)場取樣實測，石子的含泥量控制在1％以內(nèi)，砂的含泥量控制在2％以內(nèi)。⑤摻合料：應(yīng)用添加粉煤灰技術(shù)。在混凝土中摻用的粉煤灰不僅能夠節(jié)約水泥，降低水化熱，增加混凝土和易性，而且能夠大幅度提高混凝土后期強度，推移溫升峰值出現(xiàn)時間。

（2）減水劑的使用。采用減水劑，如SF一1緩凝高效減水劑；膨脹劑采用廣泛使用的U型膨脹劑，如無水硫鋁酸鈣（C4S）或硫酸鋁（Al2（SO4）），試驗表明在混凝土添加了膨脹劑之后，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力可以抵消一部分混凝土的收縮應(yīng)力，相應(yīng)地提高混凝土抗裂強度。

2、溫控措施及施工現(xiàn)場控制

（1）溫度預(yù)測分析。根據(jù)現(xiàn)場混凝土配合比和施工中的氣溫氣候情況及各種養(yǎng)護方案，采用計算機仿真技術(shù)對混凝土施工期溫度場及溫差進行計算機模擬動態(tài)預(yù)測，提供結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度分布及隨混凝土齡期變化情況，制定混凝土在施工期內(nèi)不產(chǎn)生溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)及進行保溫養(yǎng)護優(yōu)化選擇。

（2）混凝土澆筑方案。采用延緩溫差梯度與降溫梯度的措施，在澆筑前經(jīng)詳細(xì)計算安排分塊、分層澆筑次序、流向、澆筑厚度、寬度、長度及前后澆筑的搭接時間；控制混凝土入模溫度并加強振搗，嚴(yán)格控制振搗時間，移動距離和插入深度，保證振搗密實，嚴(yán)防漏振及過振，確?；炷辆鶆蛎軐崳蛔龊矛F(xiàn)場協(xié)調(diào)、組織管理，要有充足的人力、物力，保證施工按計劃順利進行，保證混凝土供應(yīng)，確保不留冷縫；澆筑后對大體積混凝土表面較厚的水泥漿進行必要的處理（一般澆筑后3～4h內(nèi)初步用水長刮尺刮平，初凝前用鐵滾筒碾壓兩遍，再用木抹子搓平壓實）以控制表面龜裂；混凝土澆灌完及拆模后，立即采取有效的保溫措施并按規(guī)定覆蓋養(yǎng)護。

（3）混凝土溫度監(jiān)測。在混凝土內(nèi)部及外部設(shè)置溫度測點，并且設(shè)置保溫材料溫度測點及養(yǎng)護水溫度測點，現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀自動采集并進行整理分析，每一測點的溫度值及各測位中心測點與表層測點的溫差值，作為研究調(diào)整控溫措施的依據(jù)，防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。

（4）溫度應(yīng)力檢測。為反映溫控效果可在少數(shù)混凝土層中埋設(shè)應(yīng)變計進行溫度應(yīng)力檢測，應(yīng)變計沿水平方向布置，檢測水平向應(yīng)力分量。

（5）通水冷卻。采用薄壁鋼管在一些混凝土澆筑分層中布設(shè)冷卻水管，冷卻水管使用前進行試水，防止管道漏水、阻塞，根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測，控制冷卻水管進水流量及溫度。

3、構(gòu)造設(shè)計上采取的防裂措施

（1）設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)形式，減少工程數(shù)量，降低水化熱。如可根據(jù)懸索橋錨碇受力特點，設(shè)計挖空非關(guān)鍵受力部分混凝土體積，利用土方壓重方案，減少混凝土結(jié)構(gòu)體積。

（2）充分利用混凝土在基坑有側(cè)限條件，在混凝土中摻加微膨脹劑，使其在基坑約束下成一定的預(yù)壓力，補償混凝土內(nèi)部溫度、收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而有效的避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

（3）大體積混凝土體積龐大，施工周期一般較長，依據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況（如懸索橋錨碇受力是逐步參與的，施工期僅承受自重和施工過程產(chǎn)生的次應(yīng)力，此階段受力不足其最終受力的30％），可合理的確定混凝土評定驗收齡期，打破正常標(biāo)準(zhǔn)28d的評定驗收齡期，改為60d或更多天，評定驗收齡期充分考慮混凝土的后期強度，從而減低設(shè)計標(biāo)號，達(dá)到減少混凝土水泥用量，降低水化熱的目的。

（4）由于邊界存在約束才會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，采用改善邊界約束的構(gòu)造設(shè)計，如遇有約束強的巖石類地基、較厚的混凝土墊層時，可在接觸面上設(shè)滑動層來減少溫度應(yīng)力。在外約束的接觸面上全部設(shè)滑動層，則可大大減弱外約束。

（5）在設(shè)計構(gòu)造方面還應(yīng)重視合理配筋對混凝土結(jié)構(gòu)抗裂的有益作用?？刹扇≡雠錁?gòu)造鋼筋（配筋應(yīng)盡可能采用小直徑、小間距，全截面含筋率控制在0.3％～0.5％之間）、在混凝土表面增設(shè)金屬擴張網(wǎng)等有效措施，有效地提高混凝土抗裂性能。

三、大體積混凝土的裂縫檢查與處理

大體積混凝土的裂縫分為3種：表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對于表面裂縫因其對結(jié)構(gòu)力、耐久性和安全基本沒有影響，一般不作處理。對深層裂縫和貫穿裂縫可以采取鑿除裂縫，可以用風(fēng)鎬、風(fēng)鉆或人工將裂縫鑿除，至看不見裂縫為止，鑿槽斷面為梯形再在上面澆筑混凝土。限裂鋼筋，在處理較深的裂縫時，一般是在混凝土已充分冷卻后，在裂縫上鋪設(shè)I～2層的鋼筋后再繼續(xù)澆筑新混凝土。對比較嚴(yán)重的裂縫可以采取水泥灌漿和化學(xué)灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度在0.5mm以上時，對于裂縫寬度小于0.5mm時應(yīng)采取化學(xué)灌漿?；瘜W(xué)灌漿材料一般使用環(huán)氧一糠醛丙酮系等漿材。

四、結(jié)束語

綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是大量的科學(xué)研究以及成功的工程實例都表明：只要我們在設(shè)計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是完全可以避免危害結(jié)構(gòu)的裂縫的產(chǎn)生。