承臺(tái)大體積混凝土施工裂縫的控制與研究

劉宏國(guó)

（太原鐵路建設(shè)有限公司，山西 太原 030000）

1 引言

近年來，由于交通運(yùn)輸事業(yè)的迅速發(fā)展，大型橋梁如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。大體積混凝土、高強(qiáng)度混凝土以及耐久性混凝土被越來越廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中。連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構(gòu)橋中的0#塊、斜拉橋中的塔墩承臺(tái)、懸索橋中的錨錠承臺(tái)等混凝土塊體的尺寸和用量一般都超過了水工結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，屬于大體積混凝土，例如蘇通大橋每個(gè)主墩的承臺(tái)混凝土用量達(dá)4萬多方，東海大橋主橋[1]采用單索面結(jié)合箱梁斜拉橋，承臺(tái)中心軸線為49.8×27.4 m，高6 m，體積達(dá)到8 200 m3，南京二橋南汊橋圓柱形承臺(tái)混凝土方量為5 130 m3，對(duì)于此類混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而言，水化熱是施工中的一個(gè)突出問題，其引起的溫度應(yīng)力往往超過外荷載引起的應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性等都會(huì)產(chǎn)生很大影響。因此對(duì)大體積混凝土溫度裂縫及其控制技術(shù)的研究有著重大的工程意義和經(jīng)濟(jì)效益，是大型橋梁建設(shè)中必須面對(duì)并認(rèn)真解決的新課題。

2 施工階段裂縫產(chǎn)生的原因

研究表明大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的裂縫，基本上是由于水分蒸發(fā)和漿體（水泥石）收縮造成的，主要體現(xiàn)在混凝土施工階段水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的溫度收縮和混凝土自身的收縮兩方面原因。

2.1 水泥水化熱產(chǎn)生的溫度效應(yīng)

國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明，水泥在水化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而且在澆筑初期（1~3 d）內(nèi)放出的熱量是總熱量的1/2，會(huì)引起混凝土澆筑塊內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力的劇烈變化。由于混凝土表面和內(nèi)部的散熱條件不同，將形成中心溫度高、表面溫度低的溫度場(chǎng)分布情況，使混凝土內(nèi)部膨脹變形產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。但由于初期混凝土的彈性模量較小，升溫產(chǎn)生的膨脹變形受基礎(chǔ)約束也較小，因此變形變化引起的應(yīng)力較小，一般可忽略不計(jì)。

待混凝土澆筑一定時(shí)間后，水泥的水化熱已基本釋放，混凝土從最高溫度逐漸降溫，進(jìn)入了降溫階段。此時(shí)，混凝土的彈性模量和強(qiáng)度也已發(fā)展起來。降溫引起混凝土體積收縮變形，但卻受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束，從而產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的危害。實(shí)際情況表明，當(dāng)溫度變幅在15℃左右時(shí)，對(duì)于受到完全約束的混凝土，后期產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以將其拉斷。

2.2 混凝土的收縮效應(yīng)

除了溫度產(chǎn)生的過大拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂以外，由于混凝土本身的收縮應(yīng)變也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的開裂性能?；炷恋氖湛s主要包括自收縮與干縮兩部分。自收縮是指混凝土凝結(jié)后，水化物的絕對(duì)體積小于水化前未水化水泥和水的體積；干縮是由于水分的蒸發(fā)而產(chǎn)生，混凝土拌和用水中80%要蒸發(fā)?；炷恋氖湛s變形，同樣也受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力?；炷恋氖湛s主要受其自身材料選用的影響，因此，在研究混凝土溫度應(yīng)力及裂縫控制措施的同時(shí)，也應(yīng)該研究材料對(duì)于干縮應(yīng)變的影響。

經(jīng)上述介紹可知，裂縫是大體積混凝土施工階段中的關(guān)鍵問題，而溫度應(yīng)力引起的裂縫是問題的核心。因此，解決大體積混凝土的裂縫問題應(yīng)該從控制混凝土的溫度場(chǎng)分布入手，采取措施降低混凝土中的溫度梯度以及絕熱溫升，同時(shí)也要研究不同材料和配合比情況下的自收縮性能，經(jīng)綜合比較后，得出相應(yīng)的安全可靠的控制措施。

3 裂縫的控制措施

混凝土開裂牽涉的因素較多，要完全杜絕裂縫的出現(xiàn)，既有可能，又很不容易，需要精心設(shè)計(jì)，精心施工。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題，應(yīng)以預(yù)防為主，主要可以從以下幾個(gè)方面著手進(jìn)行控制。

3.1 材料方面的措施

3.1.1 選擇水泥品種及用量

在保證強(qiáng)度和耐久性的同時(shí)盡量選用低水化熱品種水泥，水泥用量與大體積混凝土的最高升溫有直接關(guān)系，降低水泥用量是最有效的溫控措施。但對(duì)水泥用量的選擇應(yīng)從混凝土的放熱量和強(qiáng)度性能兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮后確定。內(nèi)部混凝土主要考慮抗裂性能好、兼顧低熱和高強(qiáng)兩方面的要求，一般采用低熱礦渣水泥。外部混凝土，除抗裂性能外，還要求抗凍融性、耐磨性、抗蝕性、強(qiáng)度較高及干縮較小，因此一般采用較高標(biāo)號(hào)的中熱硅酸鹽水泥。

3.1.2 摻用混合材料

適當(dāng)摻用混合材料可降低混凝土的絕熱溫升、提高混凝土抗裂能力?；旌喜牧习ǖV渣、粉煤灰、燒粘土等，目前多采用粉煤灰。研究表明，粉煤灰可以使混凝土水化熱在一定程度上延緩釋放，降低混凝土的絕熱溫升，對(duì)大體積混凝土的溫控有利。同時(shí)，粉煤灰對(duì)混凝土的強(qiáng)度有所提高，可以增加混凝土的后期強(qiáng)度。另外，粉煤灰表面呈球狀的粉狀物，在混凝土澆筑施工中有潤(rùn)滑作用，具有較好的和易性，可以改善大體積混凝土的泵送施工性能。

3.1.3 摻用外加劑

外加劑有減水劑、引氣劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑等多種類型。減水劑是最常用、最重要的外加劑，它具有減水和增塑作用，在保持混凝土坍落度及強(qiáng)度不變的條件下，可減少用水量，節(jié)約水泥，降低絕熱溫升。引氣劑的作用是在混凝土中產(chǎn)生大量微小氣泡以提高混凝土的抗凍融能力。緩凝劑能有效延緩水化熱的釋放時(shí)間，降低水化熱放熱峰值，使混凝土水化熱釋放比較平緩，常用于夏季施工，早強(qiáng)劑則用于冬季施工。

3.1.4 優(yōu)化混凝土配合比

嚴(yán)格控制砂石骨料的含泥量，在保證混凝土強(qiáng)度及流動(dòng)條件下，盡量節(jié)省水泥，降低混凝土絕熱溫升。選用較大粒徑的碎石和低的砂率，合理的級(jí)配使混凝土密實(shí)，能夠改善混凝土的體積穩(wěn)定性，提高混凝土的抗裂性能。

3.2 選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和合理的分縫分塊

工程結(jié)構(gòu)裂縫控制專家王鐵夢(mèng)教授在大量建設(shè)實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，從力學(xué)的角度對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了研究，提出了“抗”與“放”的混凝土設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其中“放”的內(nèi)容主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式的選擇上，即采取微動(dòng)、滑動(dòng)及設(shè)縫措施。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有意識(shí)的在構(gòu)造物某處設(shè)置薄弱部分，誘使裂縫發(fā)生在該處。在施工中根據(jù)混凝土澆筑過程中溫度裂縫控制的要求、混凝土澆筑能力和方便結(jié)構(gòu)鋼筋的綁扎等因素綜合確定水平施工縫的設(shè)置方式，采取分塊、分段等施工方法，控制收縮與溫差導(dǎo)致的裂縫。

3.3 嚴(yán)格控制混凝土澆筑溫度、減小內(nèi)外溫差，避免表面溫度驟降

施工中采用的主要措施如下：

（1）降低混凝土澆筑溫度，通過冷卻拌和水、加冰拌和、預(yù)冷骨料等辦法降低混凝土出機(jī)口溫度，采用加大混凝土澆筑強(qiáng)度、倉面保冷等方法減少澆筑過程中的溫度回升。

（2）水管冷卻。在混凝土內(nèi)埋設(shè)水管，通低溫水以降低混凝土溫度。

（3）表面保溫。在混凝土表面覆蓋保溫材料，以減小內(nèi)外溫差，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度梯度。

（4）重視施工過程中的溫度監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常，盡早處理，以絕后患。

4 結(jié)束語

通過對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因、機(jī)理的分析，有針對(duì)性地采取一定的控制措施，可以使大體積混凝土的裂縫減少到合理的范圍。但大體積混凝土裂縫的控制和預(yù)防，牽涉到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、原材料的選擇、施工的工藝、養(yǎng)護(hù)過程以及其他一些不確定的因素，任何因素出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。在這些因素中，溫度應(yīng)力是關(guān)鍵。因此，作為工程技術(shù)人員，應(yīng)了解混凝土內(nèi)部的溫度變化規(guī)律，合理選擇水泥品種，嚴(yán)格控制水泥用量，合理摻加混合材料和外加劑，優(yōu)化混凝土配合比，嚴(yán)格施工，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。

針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，也應(yīng)該認(rèn)真進(jìn)行研究，區(qū)別對(duì)待，并采取合理的方法進(jìn)行處理，防止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展以及對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響，保證建筑物和構(gòu)件的安全。