淺談客專工程中大體積混凝土裂縫的成因與防治

宋 健, 王慶華

1中鐵七局集團鄭州工程有限公司 2河南省建筑設計研究院有限公司

高速鐵路客運專線鐵路工程的結構設計均提出了設計使用年限100年的要求，對混凝土結構而言，尤其是客運專線的建設,大體積混凝土在客運專線大型橋梁結構中的應用已經變得非常普遍。然而，混凝土在國內外的應用實踐表明，開裂問題已成為亟待解決。裂縫影響著工程進度，更給結構本體造成不可預知的損傷,大大降低了結構的使用性能。因此,有必要通過對開裂問題尤其是早期裂縫產生的原因進行綜合分析,總結出比較符合實際的建議和措施,切實解決混凝土施工過程中出現的裂縫問題,提高施工質量。

1 大混凝土施工裂縫分類

大體積混凝土裂縫的類型大致可以分為三種:

1）收縮裂縫:混凝土的收縮引起的裂縫。

2）溫差裂縫:混凝土內部和外部的溫差過大產生裂縫。

3）安定性裂縫:安定性裂縫表現為龜裂，主要是因水泥安定性不合格而引起。

2 大體積混凝土裂縫產生的原因

大體積混凝土結構通常具有以下特點:1）混凝土是脆性材料，抗拉強度只有抗壓強度的1／10左右；2）大體積混凝土的斷面尺寸較大,由于水泥的水化熱會使混凝土內部溫度急劇上升以及在以后的降溫過程中,在一定的約束條件下會產生相當大的拉應力;3）大體積混凝土結構中通常只在表面配置少量鋼筋或者不配鋼筋，因此，拉應力要由混凝土本身來承擔。

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500 J左右的熱量，如果以水泥用量350 kg/m3～550 kg/m3來計算,每立方米混凝土將放出17 500 kJ～27 500 kJ的熱量,從而使混凝土內部溫度升高（可達70℃左右，甚至更高）。尤其對于大體積混凝土來講，這種現象更加嚴重。因為混凝土內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，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產生裂縫。

2.2 混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結時體積減小的現象稱為混凝土收縮。混凝土在不受外力的情況下這種自發變形受到外部約束時（支承條件、鋼筋等），將在混凝土中產生拉應力，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三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結硬過程中產生的體積變化,后期主要是混凝土內部自由水分蒸發而引起的干縮變形。

2.3 外界氣溫濕度變化的影響

大體積混凝土結構在施工期間，外界氣溫的變化對防止大體積混凝土裂縫的產生起著很大的影響。混凝土內部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結構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外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快，會造成很大的溫度應力，極其容易引發混凝土的開裂。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，也會導致混凝土裂縫的產生。

3 對混凝土裂縫的控制

3.1 材料的控制

施工工藝是保證混凝土構件質量的關鍵。施工操作應嚴格按照施工技術規范的有關規定進行,對原材料(鋼筋、水泥、砂、碎石、水等)進行嚴格的抽樣檢驗,對混凝土成份比進行測試;在高溫下或雨后施工還應對砂、碎石進行含水量測試,以及時調整施工配合比,確保施工質量。

3.2 混凝土拌和澆筑

混凝土應嚴格按配合比計量投料,拌和時間應在l～2 min或更長。澆筑時分層澆筑，分層厚度不應大于30 cm,振搗時應讓振搗棒插入前層5～l0 cm,振搗時間為lmin左右,直至排出氣泡為止。

3.3 混凝土坍落度的控制

混凝土坍落度是混凝土施工檢測手段,主要用于評價混凝土拌和物的和易性。在施工過程中準確控制坍落度,可提高混凝土的內在強度及混凝土表面光潔度。若在施工時忽略高溫下的坍落度會降低混凝土的和易性及粘性,從而出現離析現象,使得混凝土構件表面出現蜂窩、麻面、露砂等缺陷,減弱土的內在強度。

3.4 混凝土運輸

混凝土運輸是混凝土施工過程中的一道工序,在此工序中應保證運輸工具不滲漏、不析水、避開日曬雨淋。在運輸過程中,混凝土不能離析,運輸時間不應長于30 min，在高溫下運輸應及時檢測混凝土坍落度,并補充蒸發造成的水分損失,及時調整坍落度。

3.5 混凝土養生

養生的目的是減少混凝土內外溫差,防止混凝土表面裂縫,增強混凝土內在強度。混凝土養生的方法有灑水養生、薄膜養生、蒸汽養生等。在橋梁施工中多采用灑水和薄膜兩種養生方法。在混凝土澆筑完畢后,應立即對混凝土構件進行覆蓋,保持濕潤。養生時間不應少于7天。養生使混凝土具有足夠的耐久性和強度,并且減少混凝土構件變形,避免混凝土過分泛白,或因收縮而發生裂縫。

3.6 混凝土溫度控制方法

1）混凝土的生產、運輸、澆筑和溫度及表面養護，是保護大體積混凝土溫度裂縫的關鍵環節。而控制手段主要是控制混凝土的內外溫差△T:

式中:Tp—起始澆筑溫度；Tr—水泥水化溫升；Tf—天然或人工冷卻后澆筑塊的穩定溫度。

2）大體積混凝土內部最高溫度計算

在大體積混凝土施工前先進行混凝土絕對升溫計算,以便預先采取相應措施降低溫度，改變約束條件，防止混凝土裂縫，確保大體積混凝土的施工質量。混凝土內部的最高溫度Tmax按下式計算:

式中:T0—混凝土的澆筑入模溫度(℃);W—每立方米混凝土中水泥的用量 (kg/m3)；F—每立方米混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)；Q—每千克水泥水化熱(J/kg)；C—混凝土的比熱；r—混凝土的密度；ξ—不同厚度的澆筑塊散熱系數，可參考客運專線鐵路混凝土工程施工技術指南相關。

4 結語

大體積混凝土很容易產生裂縫,產生裂縫的原因很多,情形也非常復雜,不僅要嚴格控制混凝土自身收縮,還應在施工關鍵環節上進行科學合理控制,及時采取相應適當的措施,就能有效地控制大體積混凝土施工過程中大部分裂縫的產生,從而提高混凝土的施工質量,延長其壽命。對橋梁工程中大體積混凝土的裂縫原因與控制進行深入系統的研究，對工程質量、安全、節能、環境與勞動保護等方面都具有重大的意義，保證了又快又好的客專建設。

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