橋梁大體積混凝土溫度裂縫成因及控制措施

陳奕升

廣東長大公路工程有限公司第四分公司（511431）

0 前言

隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，大跨度橋梁大量出現(xiàn)，在橋梁中大體積混凝土承臺、錨碇、塔等亦隨之大量出現(xiàn)。目前所生產(chǎn)的水泥放熱速度較過去大為提高，這使得大體積混凝土的溫度裂縫問題日益突出，已成為普遍性的問題。大體積混凝土在固化過程中釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和約束作用，由此而產(chǎn)生的溫差和溫度應(yīng)力是導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的主要因素,從而影響結(jié)構(gòu)的整體性、防水性和耐久性，成為結(jié)構(gòu)的隱患。一般認(rèn)為體積很大的現(xiàn)場澆筑的混凝土，其尺寸大到必須采取措施以對付水泥水化發(fā)出的熱量及伴隨發(fā)生的體積變化，盡量減少溫度裂縫。主要分析橋梁大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的成因,提出了相關(guān)的處治技術(shù)措施。

1 裂縫產(chǎn)生的原因分析

大體積混凝土產(chǎn)生裂縫，一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面是結(jié)構(gòu)物的外部約束和混凝土各質(zhì)點間的約束，而產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變。一旦溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉應(yīng)力時，即會出現(xiàn)裂縫。溫度裂縫產(chǎn)生的主要有以下幾個影響因素:

1.1 水泥水化熱

水泥的水化熱是最主要影響因素。在大體積混凝土中,水泥在水化過程中要散發(fā)一定的熱量，由于斷面較厚，水泥散發(fā)的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，因而會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度持續(xù)的上升。水泥水化熱引起的溫度變化與混凝土的配合比有關(guān)，如水泥和粉煤灰的用量，單位體積水泥水化放熱量,并隨混凝土的齡期按指數(shù)關(guān)系增長，一般在1.5～3天達(dá)到最高溫度。由于混凝土導(dǎo)熱性能差，澆筑初期強度和剛度都較小，對水化熱引起的急劇溫升而產(chǎn)生的變形約束不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小。隨著齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也愈來愈大,以至產(chǎn)生了很大的拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土抗拉強度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時，便開始出現(xiàn)溫度裂縫。

1.2 外界氣溫

在大體積混凝土施工中，由于受溫差控制的影響，表面溫度和由水化熱引起的中心溫度是相對統(tǒng)一的。外界氣溫愈高，混凝土澆筑溫度也高，相應(yīng)地就會增加結(jié)構(gòu)的中心溫度。當(dāng)外界氣溫下降時，特別是氣溫突然下降時，會大大增大混凝土的內(nèi)外溫差和溫度梯度，因變形差更大，從而產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力，這對大體積混凝土的施工極為不利。因此，在氣溫變化幅度較大時，通常都采用養(yǎng)護(hù)措施以保證溫差在控制范圍內(nèi),以達(dá)到控制溫度裂縫的目的。

1.3 混凝土收縮

混凝土中含有大量空隙、粗孔隙及毛細(xì)孔隙,孔隙中存在水分，而水分的活動將影響到混凝土的一系列性質(zhì)。混凝土的收縮變形主要有以下幾種形式:

1）自由收縮。混凝土硬化過程中由于化學(xué)作用引起的收縮,是化學(xué)結(jié)合水與水泥的化合結(jié)果，它與外界濕度變化無關(guān)。

2）塑性收縮。混凝土澆筑前20 h，水泥水化反應(yīng)激烈，逐漸形成分子鏈，出現(xiàn)在泌水和水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象，引起失水收縮，此時骨料和膠結(jié)料之間產(chǎn)生不均勻的收縮變形。

3）碳化收縮。指大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。

4）干縮。水泥石在干燥和水濕的環(huán)境中要產(chǎn)生干縮和濕脹作用，最大的收縮發(fā)生在第一次干燥之后。

1.4 約束條件

結(jié)構(gòu)在變形變化中，必然會受到一定的“約束”或“抑制”，阻礙其變形。弄清楚變形與約束的關(guān)系，就能采取必要的措施達(dá)到阻止產(chǎn)生裂縫的目的。約束種類可概括為兩類，外約束和內(nèi)約束。外約束是指結(jié)構(gòu)手的邊界條件，一般指支座或其它外界因素對結(jié)構(gòu)物變形的約束。內(nèi)約束是指大斷面的結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部非均勻的溫度及收縮分布，名質(zhì)點變形不均勻而產(chǎn)生的相互約束。具有大斷面的結(jié)構(gòu)，其變形還可能受到其他物體的宏觀約束，同樣會產(chǎn)生應(yīng)力。

1.5 徐變性質(zhì)

結(jié)構(gòu)物在任意內(nèi)應(yīng)力作用下，除瞬時彈性變形外,其變形值隨時間的增加的現(xiàn)象稱為徐變變形，結(jié)構(gòu)物的最終變形由彈性變形和徐變變形兩部分組成，徐變變形也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的開裂。結(jié)構(gòu)隨某一固定約束變形時，由于徐變性質(zhì)，其約束應(yīng)力將隨時間下降，稱之為“應(yīng)力松弛”。徐變引起的應(yīng)力松弛有其不利的一面，如隨時間變化的變形荷載可以引起異號應(yīng)力，在壓應(yīng)力區(qū)引起的拉應(yīng)力特別是當(dāng)降溫速度大于升溫速度時，更容易引起開裂。

2 裂縫的主要控制措施

2.1 合理分縫分塊

在大體積混凝土施工過程中，為了有效降低大體積混凝土的內(nèi)外溫差，常采用分塊澆筑。分塊澆筑又可分為分層澆筑法和分段澆筑法兩種。分層澆筑法目前有全面分層法、分段分層法、斜面分層法3種澆注方案。在時間允許的條件下，可將大體積混凝土結(jié)構(gòu)采用分層多次澆注，施工層之間按施工縫處理，即薄層澆筑技術(shù)，它可以使混凝土內(nèi)部的水化熱得以充分地散發(fā)，應(yīng)該注意的是分層澆筑的間歇時間。目前水工大體積混凝土中遵循的原則是薄層短間歇，對施工縫的處理要求十分嚴(yán)格。而在橋梁大體積混凝土施工中，由于體積相對較小，多采用一次性整體澆筑和全面分層多次澆筑。

2.2 降低澆筑溫度

要降低混凝土的最高溫度和溫差，比較直接的措施是降低澆筑溫度，但其實施必須擁有一定的條件才能實現(xiàn)，在特大型工程中可能才用得到。降低澆筑溫度的具體措施包括:①降低原材料溫度，如做好水泥散熱、骨料澆水冷卻和預(yù)冷等；②采用冷卻拌和水與加冰拌和；③澆筑前預(yù)冷混凝土；④減少運輸途中的熱量倒灌，包括減小運輸距離，采用特制的保溫罐車,用保溫材料包裹混凝土泵送管道等。在橋梁大體積混凝土的施工中比較實用的措施是做好水泥散熱工作、對骨料澆水冷卻、采用冷卻拌和水和減小運輸距離等。

2.3 合理安排施工進(jìn)度

施工進(jìn)度對大體積混凝土的溫度的變化影響非常明顯。特別應(yīng)該注意的是分次、分層澆筑的間歇時間。在分次當(dāng)中，若間歇時間過長，則會延長施工工期，另一方面也會使老混凝土對新澆筑的混凝土產(chǎn)生較大的約束，從而在上下層混凝土結(jié)合面產(chǎn)生難以發(fā)現(xiàn)的垂直裂縫。若間歇時間過短，則正處于下層混凝土升溫階段，表面溫度較高，這時覆蓋上層混凝土,會明顯不利于下層混凝土的散熱，也容易導(dǎo)致上層混凝土升溫，可能超過混凝土要求的最高溫升，從而加大混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性。因此，上層混凝土覆蓋的適宜時間應(yīng)是在下層混凝土溫度己降到一定值時,即上層混凝土溫升倒入后，下層混凝土溫度回升值不大于原混凝土最高溫升。在每次澆筑中，又分幾層，其層間的間隔時間應(yīng)盡量縮短，必須在上層混凝土初凝之前，開始澆筑下層混凝土。層間最長的時間間隔不大于混凝土的初凝時間。當(dāng)層間間隔時間超過混凝上的初凝時間。

2.4 冷卻水管

目前,在大體積混凝土的現(xiàn)場溫控措施中，較為常用的就是采用冷卻水管，因為其具有直接、經(jīng)濟、易施工等特點，在橋梁中得到廣泛應(yīng)用。在冷卻水管的使用中,影響冷卻效果的因素包括:管材、管徑、管長、埋設(shè)方式、間距、冷卻水溫度、通水速率等。管長根據(jù)現(xiàn)場情況而定，但長度應(yīng)≤400 m；在埋設(shè)方式上，分為矩形排列、梅花形排列和縱橫交錯；冷卻水溫度當(dāng)然是越低越好，但也要考慮冷卻水與混凝土的溫差，以防在冷卻水管周圍引起裂縫；通水速率保證管內(nèi)產(chǎn)生紊流即可。

2.5 養(yǎng)護(hù)措施

大體積混凝土常用的養(yǎng)護(hù)方法是保溫隔熱法。其中在嚴(yán)寒地區(qū)可采用托克托古爾法。采用的表面保溫材料包括：保溫被、泡沫塑料板、聚苯乙烯泡沫塑料板、草袋、砂層保溫及噴涂保溫層等。養(yǎng)護(hù)的主要目的是保持適宜的溫度和濕度條件，混凝土的保溫措施常常也起到保濕的效果。保溫的目的有兩個:①減少混凝土表面的熱擴散，減小混凝土表面的溫度梯度，防止產(chǎn)生表面裂縫；②延長散熱時間，充分發(fā)揮混凝土強度的潛力和材料松弛特性，使由溫差導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強度，防止產(chǎn)生貫穿裂縫。保濕養(yǎng)護(hù)的作用是:①澆筑不久尚處于凝固硬化階段的混凝土,水化的速度較快，適宜的潮濕條件可防止混凝土表面的脫水而產(chǎn)生干縮裂縫；②混凝土在保溫及潮濕條件下可使水泥的水化作用順利進(jìn)行，提高混凝土的抗拉強度。

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