橋梁大體積混凝土裂縫控制措施

王文清　劉冰潔

摘要：本文分析了大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，對如何有效地防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，提出了幾點(diǎn)看法，供大家參考。

關(guān)鍵詞：橋梁；大體積混凝土；裂縫；水化熱

1 前言

近年來，我國大型橋梁建筑日益增多，由于構(gòu)造上需要一些懸索橋錨碇及橋梁承臺，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用大幾何尺寸的設(shè)計(jì)方案，采用混凝土施工時(shí)其龐大的體積達(dá)一萬至幾萬立方米，而且與一般的鋼筋混凝土相比，其結(jié)構(gòu)厚實(shí)、混凝土體積大、工程條件復(fù)雜(一般都是現(xiàn)澆且多為地下或半地下建筑)、施工技術(shù)要求高，水泥水化熱易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度和收縮變形。在這些橋梁施工過程中，已出現(xiàn)多起橋梁大體積混凝土工程質(zhì)量問題，這些問題會(huì)給工程正常使用和耐久性帶來不同程度的危害。因此，從設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量管理等角度，研究如何提高大體積混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生是由多種因素引起的，各類裂縫產(chǎn)生的主要影響因素如下：

2．1 水泥水化熱的影響

水泥水化過程中放出大量的熱，且主要集中在澆筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的熱量，如果以水泥用量350kg/m～550kg/m3來計(jì)算，每立方米混凝土將釋放出17 500KJ～27500的熱量，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高(可達(dá)70℃左右，甚至更高)。尤其對大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重因?yàn)榛炷羶?nèi)部和表面的散熱條件不同，故混凝土中心溫度很高，就會(huì)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(qiáng)度時(shí)混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2．2 混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結(jié)時(shí)體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮。混凝土在不受外力的情況下的這種自發(fā)變形，受到外部約束時(shí)(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等三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結(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。

2．3 外界氣溫濕度變化的影響

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響。混凝土內(nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫度和結(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(huì)愈高；如果外界溫度降低則又會(huì)增加大體積混凝土的內(nèi)外溫差梯度。如果外界溫度的下降過快，會(huì)造成很大的溫度應(yīng)力，極其容易引發(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(huì)加速混凝土的干縮，也會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

2．4 其他因素的影響

結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的不均勻沉降也會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫會(huì)隨著基礎(chǔ)沉降而不斷的增大，待地基下沉穩(wěn)定后，將不會(huì)變化。

超荷載使用或未達(dá)到設(shè)計(jì)過早加荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，這種裂縫稱之為荷載裂縫。

混凝土配合比不良會(huì)造成混凝土塑性沉降裂縫，一般是混凝土配合比中，粗骨料級配不連續(xù)、數(shù)量不夠，砂率及水灰比不當(dāng)所造成的裂縫。

3 大體積混凝土施工質(zhì)量控制措施

3．1 大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1.1 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?yàn)槭褂弥猩翱蓽p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(qiáng)度，對抗裂的危害性很大。因此，骨料必須現(xiàn)場取樣實(shí)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(qiáng)度，推移溫升峰值出現(xiàn)時(shí)間。

3.1.2 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(yàn)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(qiáng)度。

3．2 溫控措施及施工現(xiàn)場控制

3.2.1 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(hù)方案，采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對混凝土施工期溫度場及溫差進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)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(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)優(yōu)化選擇。

3.2.2 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(jì)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(shí)間；控制混凝土入模溫度并加強(qiáng)振搗，嚴(yán)格控制振搗時(shí)間，移動(dòng)距離和插入深度，保證振搗密實(shí)，嚴(yán)防漏振及過振，確保混凝土均勻密實(shí)；做好現(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(jì)劃順利進(jìn)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(jìn)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(shí))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(hù)。

3.2.3 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(diǎn)，并且設(shè)置保溫材料溫度測點(diǎn)及養(yǎng)護(hù)水溫度測點(diǎn)，現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集并進(jìn)行整理分析，每一測點(diǎn)的溫度值及各測位中心測點(diǎn)與表層測點(diǎn)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。

3.2.4 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(jì)進(jìn)行溫度應(yīng)力檢測，應(yīng)變計(jì)沿水平方向布置，檢測水平向應(yīng)力分量。

3.2.5 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(jìn)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(jìn)水流量及溫度。

3．3 構(gòu)造設(shè)計(jì)上采取的防裂措施

3.3.1 設(shè)計(jì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)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。

3.3.2 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(bǔ)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。

3.3.3 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(yàn)收齡期，打破正常標(biāo)準(zhǔn)28d的評定驗(yàn)收齡期，改為60d或更多天，評定驗(yàn)收齡期充分考慮混凝土的后期強(qiáng)度，從而減低設(shè)計(jì)標(biāo)號，達(dá)到減少混凝土水泥用量，降低水化熱的目的。

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

3.3.5 在設(shè)計(jì)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。可采取增配構(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(kuò)張網(wǎng)等有效措施，有效地提高混凝土抗裂性能。

４ 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(shí)例都表明：只要我們在設(shè)計(jì)、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護(hù)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。