橋梁大體積混凝土裂縫產(chǎn)生機理及抗裂措施

方燦鑫 李劍飛 劉佟生

0 引言

隨著我國交通運輸?shù)陌l(fā)展，橋梁建設(shè)力度不斷加大，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的運用也日益增多。但是，隨之而來的問題也越來越多，尤其是大體積混凝土的裂縫問題。裂縫超過一定的寬度，不僅降低了結(jié)構(gòu)的使用性能，而且在外界各種因素的作用下裂縫會不斷擴大，從而減少了混凝土保護層厚度，引起混凝土面層剝落，加速鋼筋銹蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性以及安全性。引起混凝土開裂的因素很多，比如有溫度變化、收縮變形、施工荷載作用、基礎(chǔ)沉降、鋼筋銹蝕、凍脹等。其中溫差引起的溫度裂縫較難控制，危害極大，必須嚴(yán)加控制。

1 施工裂縫產(chǎn)生的主要原因

1.1 溫度應(yīng)力

1.1.1 升溫階段溫度應(yīng)力

混凝土是由水泥、砂石、摻合物及外加劑組成的一種脆性材料，抗拉強度不到抗壓強度的 1/9。大體積混凝土在施工過程中，由于水泥的水化作用，3 d～5 d會產(chǎn)生大量的水化熱，混凝土又是熱的不良導(dǎo)體，積聚在內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，致使混凝土內(nèi)部溫度急劇升高，最高可達 70多度，而表面混凝土與外界接觸，散熱快，溫度較低，極易形成較大內(nèi)外溫差，導(dǎo)致內(nèi)外熱脹冷縮程度不同，從而在混凝土內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，內(nèi)部為壓應(yīng)力，表面為拉應(yīng)力。當(dāng)某一時段混凝土表面拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，就會在混凝土表面產(chǎn)生間距大致相等的直線熱裂縫。這種裂縫寬度一般都在裂縫允許限值內(nèi)，但會影響結(jié)構(gòu)使用的耐久性，而且這種裂縫會隨著內(nèi)外溫差的增大而變寬，所以必須對此加以控制。

1.1.2 降溫階段溫度應(yīng)力

隨著水化反應(yīng)的充分進行，產(chǎn)生的水化熱逐漸減少，混凝土散熱大于新增水化熱，內(nèi)部混凝土溫度降低，開始收縮，由于受到外界約束的限制，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度時，將形成混凝土內(nèi)部裂縫。

1.2 收縮應(yīng)力

1.2.1 干縮引起的應(yīng)力

為了滿足混凝土施工和易性的要求，所加水量通常是水化所需水量的 5倍，大部分水分都要蒸發(fā)，這勢必會引起混凝土體積的收縮。而混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)速率差別較大，表面水分蒸發(fā)較快，收縮變形較大，內(nèi)部濕度變化相對較慢，變形較小，表面的干縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，再加上外界的約束，混凝土從內(nèi)而外產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而在表面產(chǎn)生干縮裂縫。這種裂縫一般比溫升階段產(chǎn)生的溫度裂縫要寬，通常在 0.05mm～0.2mm之間，多見于大體積混凝土平面部位。

1.2.2 塑性收縮引起的應(yīng)力

混凝土凝結(jié)硬化之前，會產(chǎn)生泌水現(xiàn)象。混凝土在靜止過程中，密度較大的固體顆粒會往下沉，而密度較小、流動性大的水則上浮，到達混凝土表面的稱作外泌水，由于混凝土尚有流動性，這部分水的蒸發(fā)不會在混凝土內(nèi)部留下孔隙，危害甚小。而留在混凝土內(nèi)部的內(nèi)泌水則會在粗骨料下面形成水囊，混凝土硬化成型后，這部分水繼續(xù)蒸發(fā)，在混凝土內(nèi)部留下孔隙及界面裂縫，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。

2 抗裂措施

解決大體積混凝土裂縫問題主要從以下幾個方面入手:原材料選擇、配合比設(shè)計、施工養(yǎng)護措施、約束控制。

2.1 原材料的選擇

1)合理選用水泥。大體積混凝土水泥的選擇要兼顧低水化熱、高強、抗拉強度高以及收縮小等因素。一般不宜使用早強型水泥，也不適宜使用水化熱高的硅酸鹽水泥，而宜采用中熱硅酸鹽水泥和低熱的礦渣水泥。但礦渣水泥為滿足混凝土和易性要求，蓄水量大，以致混凝土收縮大，所以必須摻加外加劑。

2)合理選用骨料。盡可能選用大的骨料，粒徑較大的粗骨料比表面積小，所需水泥量少，能降低水泥用量。合理設(shè)計骨料級配，在保證混凝土和易性及流動性的前提下，盡量減少水泥用量。

3)摻入粉煤灰。粉煤灰的放熱量約為水泥的 5%～35%，且放熱速度慢，用適量的粉煤灰替代水泥，能起到降低水化熱和延長溫升時間的作用，同時還可以減少砂子對混凝土的泌水作用，并改善細骨料的級配。

4)摻加減水劑。高效減水劑在保證混凝土的工作性及水泥用量不變的條件下，能減少用水量 15%，混凝土強度提高 20%左右。同時還能降低水化熱釋放速度，降低熱峰，并推遲熱峰的出現(xiàn)。

5)摻加膨脹劑。膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。這種補償混凝土膨脹時，能在內(nèi)外約束條件下產(chǎn)生一定的內(nèi)壓應(yīng)力，從而抵消掉部分冷縮及干縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，大大降低結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂的可能性，起到補償作用。

外加劑的選用還得注意相互之間的協(xié)同作用效果。

2.2 施工養(yǎng)護措施

2.2.1 施工方法

當(dāng)結(jié)構(gòu)片面尺寸不大時，可以選擇全面分層的澆筑方法。全面澆筑是在第一層全面澆筑完成但還未初凝時，進行第二層混凝土澆筑。具體施工時宜從短邊開始，沿長邊推進，也可以分成兩段，從中間到兩邊或從兩邊到中間同時澆筑。

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)厚度不大但面積或長度較大時，宜采用分段分層法澆筑。分段分層法澆筑是先從底層開始澆筑，進行至一定距離后開始澆筑第二層，依次向前澆筑其他各層。

當(dāng)結(jié)構(gòu)物的長度超過 3倍厚度時，應(yīng)采用斜面分層澆筑法。斜面澆筑的振搗工作是從澆筑層的下端開始，逐步上移。

2.2.2 施工工藝

在混凝土攪拌時，采取先拌和水、水泥和砂，再投放石子的二次投料法，這種攪拌工藝可以消除混凝土泌水現(xiàn)象，減少界面微裂縫，讓硬化后的混凝土結(jié)構(gòu)更加致密?；炷翝补嗪螅龠M行二次振搗，同樣可以減少混凝土因泌水在粗骨料下部產(chǎn)生的孔隙和水分。

2.2.3 保溫保濕措施

大體積混凝土表面水化熱易耗散，水分易揮發(fā)，對其表面采取保溫保濕措施，能有效地控制內(nèi)外溫差，減少水分揮發(fā)，從而達到防止表面裂縫、干縮裂縫的產(chǎn)生。

保溫保濕的方法多種多樣，可以在裸露的混凝土表面覆蓋麻袋、土工布等保溫材料，或是塑料薄膜這樣既保溫又保濕的材料，也可以利用回填土進行土模養(yǎng)護。有條件的還可以在結(jié)構(gòu)物周圍用帆布等搭建暖棚，通電，通蒸汽，進行保溫保濕養(yǎng)護，或是建造蓄水池，利用水隔熱保濕的性能達到保溫保濕的效果。

保溫養(yǎng)護開始的時間最好設(shè)在混凝土降溫的起點，而保溫層的去除應(yīng)該逐層分步。

2.2.4 降溫措施

減小內(nèi)外溫差，除了在表面采取保溫措施外，還可以在混凝土內(nèi)部采取降溫措施。混凝土內(nèi)部的溫度取決于混凝土入模溫度和由水泥水化熱引起的溫升。因此可以通過降低混凝土入模溫度及降低水化熱來降低內(nèi)部溫度。

在較熱的地方可以給砂石搭建遮陽棚。出廠水泥溫度一般較高，一般使用出廠一周以上的水泥。

埋設(shè)冷卻水管。通過冷卻水循環(huán)帶走混凝土內(nèi)部分熱量。冷卻水管側(cè)面一般采取方形或梅花形布設(shè)，正面采取蛇形布設(shè);各層冷卻水管互相獨立，通水時間一般從混凝土覆蓋冷卻水管開始，水管進出口要安裝水量調(diào)節(jié)閥和溫度量測儀，以便看管人員根據(jù)水溫調(diào)節(jié)通水水量。冷卻水溫度越低，冷卻效果越明顯，但冷卻水與周邊混凝土溫差太大，會使周邊混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，使得水管周邊混凝土開裂。

2.3 約束控制

約束是產(chǎn)生溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力的一個重要原因，若能改善約束條件，必然能有效地降低溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。比如選用滑動式彈性墊層。約束體對混凝土產(chǎn)生的約束應(yīng)力為:

其中，kR為約束度，取 0～1，無約束時 kR=0，巖石墊層時kR=1，kR越大，對混凝土的約束越大，混凝土越容易開裂。

采用砂石墊層或橡膠墊層都將有效的減小kR值，從而起到減小約束的作用。

2.4 其他措施

采用小直徑、密間距布置的分布鋼筋，當(dāng)受力鋼筋不能抵抗約束作用時，要增配溫度鋼筋。必要時加配護面鋼筋，以防止表面裂縫的產(chǎn)生。合理安排混凝土施作時間，高溫季節(jié)盡量安排在晚上進行，以減少混凝土溫度回升，寒冬季節(jié)則盡量安排在白天進行，以避免混凝土內(nèi)外溫差過大。

3 結(jié)語

雖然大體積混凝土容易產(chǎn)生裂縫，但隨著對大體積混凝土裂縫產(chǎn)生機理的研究越來越深入，以及工程中實際經(jīng)驗的積累，只要我們在設(shè)計、施工工藝、原材料選擇、后期養(yǎng)護及管理方面能夠充分考慮各種因素的影響，那么就可以有效控制裂縫的產(chǎn)生，確保結(jié)構(gòu)的正常使用及安全。

[1] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2] GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 劉茂軍.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的機理分析及應(yīng)對策略[J].混凝土，2009(9):56-58.

[4] 孫衍福.大體積混凝土橋墩裂縫分析整治及建議[J].鐵道工程學(xué)報，2006(5):67-69.

[5] 江昔平.超大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生機理分析與抗裂控制新對策[J].混凝土，2007(12):98-102.

[6] 劉俊賢.大體積混凝土施工控制措施[J].施工技術(shù)，2007(36):110-112.