淺談大體積混凝土裂縫的控制

侯世杰

山東省青島市中鐵二十局集團第四工程有限公司（266000）

1 工程概況

牛角田特大橋位于廣西省博白縣東平鎮境內，全長747.71 m，孔跨布置為2～24m+21～32 m后張法預應力簡支T梁。本橋跨越山谷、南流江支流而設，線路于DK71+844.2-DK71+905.7處跨越南流江支流，河道主槽寬26 m。谷底到鐵路軌面高有28.87m,其中11#墩最大墩高為29.75m，混凝土體積最大為398.64m3。

2 現狀分析

首先，在玉鐵鐵路混凝土施工過程中，常常出現溫度裂縫，影響到結構的整體性和耐久性。其次，在運轉過程中，溫度變化對結構的應力狀態具有顯著的不容忽視的影響。而我們遇到的主要是凝結硬化過程中的溫度裂縫，因此在這里僅對混凝土硬化過程中宏觀裂縫的成因和控制措施。

3 裂縫產生的原因

混凝土中產生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結構不合理，原材料不合格（如堿骨料反應），模板變形，基礎不均勻沉降等。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到基礎或老混凝土的約束，又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現裂縫。

4 溫度應力的分析

根據多年在施工現場大體積混凝土溫度測量得知，根據溫度應力的形成過程可分為以下三個階段:

1）早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，一般約30 d。特別是前1～5 d放熱最多，核心溫度將達到70℃左右。這個階段的兩個特征:①水泥放出大量的水化熱；②混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內形成殘余應力。

2）中期:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度止，這個時期中，溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。

3）晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。

根據溫度應力引起的原因可分為兩類:

1）自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。

2）約束應力:結構的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力。

這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。要想根據已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作的,在大多數情況下，需要依靠模型試驗或數值計算。混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松馳，具體計算如下:

混凝土澆筑前裂縫控制施工計算:

1）綜合數據確定

①混凝土配合比

混凝土設計強度等級為C30，配合比水:水泥:粉煤灰:外=153:224:51:31。

②基本數據取定與計算

水泥水化熱:Q=377 J/kg；

混凝土比熱:C=0.96 J/kg·K；

混凝土質量密度:ρ=2400 kg/m3。

2）混凝土內部最高溫度的估算

因為混凝土一般在2～5天水化熱溫度達到最高，在溫度上升階段,混凝土的彈性模量較低,約束應力較小,故不必考慮其溫度上升階段的裂縫問題。混凝土內外溫差應力只與混凝土中心與表面的溫差值有關，該溫差值應符合規范溫差要求：混凝土內外溫差不大于25℃。故計算保溫層和實際施工時，按25℃溫差值控制。計算如下:

入模溫度考慮28℃時,最高溫升值為28+40.8=68.8℃，達到最大溫升值時,混凝土表面的最低允許溫度為:43.8℃。

同理計算，Tmax=55.7℃,最高溫升值為83.5℃，達到最大溫升值時,混凝土表面的最低允許溫度為:58.7℃。

4 溫度的控制和防止裂縫的措施

控制溫度的措施如下:

1）拌合混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。

2）夏天或者天氣氣溫高時澆筑混凝土時減少澆筑厚度,最少控制每層澆筑厚度在20 cm以內，利用澆筑層面散熱。

3）規定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫，以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度。

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強養護，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質量對防止裂縫是十分重要，因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發生為主。

為保證混凝土工程質量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。例如使用減水防裂劑。

5 混凝土的早期養護

施工實踐中證明，混凝土常見的裂縫，大多數是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成，寒冷地區的溫度驟降也容易形成裂縫，因此說在施工中混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。

從溫度應力觀點出發,保溫應達到下述要求:1）防止混凝土內外溫度差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫。2）防止混凝土超冷，應該盡量設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩定溫度。3）防止老混凝土過冷，以減少新老混凝土間的約束。

施工中混凝土的早期養護，主要目的在于保持適宜的溫度、濕度條件，以達到兩個方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進行，以達到設計的強度和抗裂能力。

適宜的溫度、濕度條件是相互關聯的。混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。

6 結語

通過對大體積混凝土施工過程的控制和工藝的改進，我項目在保證工期的情況下保證了施工質量。2011年2月～2011年5月完成的墩臺身統計數據表明：減少返工時間31 h，縮短工期4 d，效果相當顯著。

參考資料:

[1] TB10424-2010/J1155-2011,鐵路混凝土工程施工質量驗收標準[S].鐵建設[2010]241號.鐵路混凝土工程施工技術指南.