橋梁工程中大體積混凝土的裂縫成因及防治對策

吳同國

（江蘇金堰交通工程有限公司，江蘇 泰州225500）

0 引言

隨著公路工程技術(shù)的突飛猛進(jìn)，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越多。我國普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物中實體最小尺寸不小于1m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土；美國則規(guī)定為：任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。

目前，國內(nèi)外對機(jī)械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對溫度荷載引起的有關(guān)裂縫的研究尚不充分。我們應(yīng)對此加以重視，防止危害結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生。另外，對于大體積混凝土內(nèi)溫度應(yīng)力與裂縫控制多集中在橋梁工程中的底板、箱身等。在工程施工過程中，由于水泥的水化熱作用，混凝土澆筑后需要經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期三個階段，在這個過程中，混凝土的體積隨之伸縮、凝固、易出現(xiàn)裂縫。因此，廣大工程建設(shè)者都在積極探究裂縫產(chǎn)生的原因，尋求能有效防止裂縫出現(xiàn)的措施和途徑，根據(jù)大體積混凝土熱量大、散熱慢等特點，采取相應(yīng)措施，對施工過程進(jìn)行控制。本文將對此進(jìn)行分析，探討裂縫出現(xiàn)的原因及控制對策。

1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土在施工階段之所以會產(chǎn)生裂縫，是其內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果。要控制大體積混凝土的裂縫，首先必須弄清裂縫產(chǎn)生的原因，才能有的放矢，對癥下藥，實施有效控制。

1.1 收縮裂縫

混凝土凝結(jié)硬化時體積減小，這種混凝土的自發(fā)變形，在受到外部環(huán)境約束時，將使混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，致使混凝土開裂。在硬化初期主要是表現(xiàn)在混凝土凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。

1.2 溫度裂縫

1）混凝土升溫階段產(chǎn)生的裂縫：大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，澆筑后水泥的水化熱很大，由于混凝土體積大，聚積在內(nèi)部的水泥水化熱不易散出，混凝土的內(nèi)部溫度顯著升高，從而形成較大的內(nèi)外溫差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果在混凝土表面附近存在較大的溫度梯度，就會引起較大的表面拉應(yīng)力，而此時混凝土的齡期很短，抗拉強度很低，當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力超過此時混凝土極限抗拉強度時，就會在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

2）混凝土降溫階段產(chǎn)生的裂縫：當(dāng)混凝土降溫時，由于逐漸散熱而產(chǎn)生收縮，再加上混凝土硬化過程中，由于混凝土內(nèi)部拌和水的水化和蒸發(fā)，以及膠質(zhì)體的膠凝等作用，促使混凝土硬化時收縮。這兩種收縮，在收縮時由于受到基底或結(jié)構(gòu)本身的約束，會產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力（拉應(yīng)力），如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，超過當(dāng)時混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，這種收縮裂縫有時會貫穿全斷面，成為結(jié)構(gòu)性裂縫，帶來嚴(yán)重危害。

2 防治大體積混凝土裂縫開展的對策

采用施工技術(shù)措施應(yīng)從控制溫升，延緩降溫速率，減少混凝土收縮，提高混凝土極限拉伸強度，改善約束程度等方面著手。

2.1 原材料控制

1）合理選擇材料品種：為減少水泥水化熱引起過大溫升，應(yīng)采用中低熱水泥，諸如粉煤灰水泥、礦渣水泥等，考慮在混凝土中摻粉煤灰，以使用普通水泥為宜；為減少混凝土的收縮，應(yīng)選用干縮值小的材料，如山砂、碎石等；為有利于混凝土內(nèi)部熱量的散失，應(yīng)選用導(dǎo)溫系數(shù)大的砂石骨料，如石灰?guī)r、石英巖、白云巖等。

2）確保材料的質(zhì)量：骨料級配良好，粗骨料粒徑5～40mm，盡量采用中砂，嚴(yán)格控制砂、石子的含泥量（石子在1%以內(nèi)，砂在2%以內(nèi)）等，確保各組成材料的質(zhì)量符合規(guī)范要求。

3）選用合適的外加劑：使用減水劑，以減少水泥用量、改善和易性；使用緩凝劑，以減緩混凝土澆筑速度，以利散熱；使用膨脹劑，以補償混凝土收縮；添加化工纖維，增加混凝土抗拉強度。在實際工程中，可結(jié)合具體情況組合使用，如底板可采用緩凝型減水劑，閘墩用膨脹型減水劑等。

2.2 優(yōu)化配合比設(shè)計

1）在滿足強度、和易性、耐久性的前提下，盡量減少單位水泥用量。混凝土中單位水泥用量每增減10kg，水泥水化后的溫度將增減1℃，減少單位水泥用量，有利于降低水泥水化熱引起的絕熱溫升，從而減小混凝土內(nèi)外溫差。

（1）摻加適量的粉煤灰。對于大體積混凝土厚度不大，在滿足強度、和易性、耐久性的前提下，摻量以15%～20%為宜。如厚度超過2m，在大體積混凝土內(nèi)部可適當(dāng)加大粉煤灰摻量。另粉煤灰愈合能力強，也有利于減少混凝土裂縫。使用時，粉煤灰質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅰ級灰標(biāo)準(zhǔn)。

（2）拋塊石。在大體積混凝土中拋10%～15%的堅硬無裂縫、干凈的大塊石，規(guī)格為150～300mm。拋塊石除了可減少水泥用量，降低水泥水化熱外，石塊本身可吸收熱量，也使水化熱進(jìn)一步降低。在混凝土結(jié)構(gòu)中部配筋少的部位，宜多拋塊石，并保持石塊間的間距10～15cm，注意塊石底部不能積水，塊石分布均勻。

（3）合理使用外加劑。如減水劑可大大改善混凝土的工作性能，同時減少水及水泥用量10%左右，降低了水泥水化熱。

2）砂率不宜過大，在滿足泵送混凝土前提下，盡可能選較小的砂率。砂率過大，混凝土的抗裂性能將降低，混凝土的干燥收縮加大，易產(chǎn)生收縮裂縫。

3）水灰比不宜大于0.5。水灰比大，混凝土內(nèi)部孔隙增多，將使混凝土的強度和抗裂性能降低。在實際工程中，對混凝土配合比確定的水灰比和坍落度值，應(yīng)嚴(yán)格控制。

2.3 注重施工過程的控制

2.3.1 采用切實可行的施工工藝，合理組織施工

1）上下層混凝土澆筑間隔時間控制在5～7d為宜。實際施工時可能有難度，但上層施工速度應(yīng)盡可能快，以減少下層混凝土對上層混凝土的約束。

2）混凝土中每層鋪料厚度不宜超過30cm，以利散熱，并使溫度分布較均勻，及時抽走泌水，同時便于振搗密實，以提高彈性模量。

3）混凝土澆筑速度保持均衡，澆筑高度均衡上升，以改善約束條件，削減溫度應(yīng)力。

4）合理選擇混凝土的澆筑時間，外界氣溫以10～30℃為宜；夏季降低入倉溫度15～20℃為宜，可采用石子噴水預(yù)冷、地下水拌和、運輸過程遮蓋、倉面搭棚等措施；冬季應(yīng)采取必要的保溫措施。

2.3.2 確保混凝土施工質(zhì)量

混凝土的拌和、運輸、澆筑應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行合同規(guī)定。對混凝土表面可采用二次振搗，并加強抹面，以提高混凝土表面的抗裂度。

2.3.3 加強對混凝土的養(yǎng)護(hù)

1）冬季采用保溫養(yǎng)護(hù)，延長養(yǎng)護(hù)時間，減少大體積混凝土內(nèi)外溫差。水平面上用薄膜加草袋（或彩條布）覆蓋，用此方法可使混凝土表面增加10～15℃，立面上推遲拆模時間，外掛草袋，并注意適當(dāng)灑水養(yǎng)護(hù)。對下部混凝土結(jié)構(gòu)拆模后應(yīng)及時回填土。

2）夏季應(yīng)針對混凝土升、降溫這兩個不同階段采取相應(yīng)措施：①升溫階段，養(yǎng)護(hù)以降低混凝土表面溫度為原則。采用草袋覆蓋，并盡可能多的灑水養(yǎng)護(hù)，有條件的可采用灌水養(yǎng)護(hù)法，以利于混凝土內(nèi)部水化熱的散失，降低其內(nèi)部最高溫度，從而相應(yīng)減小混凝土的內(nèi)外溫差。②降溫階段，養(yǎng)護(hù)以提高混凝土表面溫度為原則。一般5d后開始降溫時，在水平面上用薄膜加草袋覆蓋；立面上推遲拆模時間(7d后），并注意灑水養(yǎng)護(hù)，用此方法可延緩降溫速度，減小混凝土內(nèi)外溫差。

另應(yīng)高度重視測溫工作（前5d每2h測1次，5d后每4h測1次），發(fā)現(xiàn)溫差過大，辯證采取保溫或降溫措施，防止裂縫的產(chǎn)生。

2.4 大體積混凝土的裂縫處理

對于混凝土裂縫，應(yīng)以預(yù)防為主，為此需要精心設(shè)計、施工。但是由于目前采用的防止裂縫的安全系數(shù)較小，而實際情況又復(fù)雜多變，所以具體工程中還是難免出現(xiàn)一些裂縫。混凝土裂縫的處理措施主要有以下一些方法：表面修補法，灌漿、嵌逢封堵法，混凝土置換法，電化學(xué)防護(hù)法，仿生自愈合法等。其中前兩種方法運用較多。現(xiàn)簡述如下：

1）表面修補法：表面修補法是一種簡單、常見的修補方法，通常的處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥漿、環(huán)氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料，在防護(hù)的同時為了防止混凝土受各種作用的影響繼續(xù)開裂，通常可以采用在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布等措施。

2）灌漿、嵌逢封堵法：灌漿法主要適用于對結(jié)構(gòu)整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補，它是利用壓力設(shè)備將膠結(jié)材料壓人混凝土的裂縫中，膠結(jié)材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而起到封堵加固的目的。常用的膠結(jié)材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學(xué)材料。

嵌縫法是裂縫封堵中最常用的一種方法，它通常是沿裂縫鑿槽，在槽中嵌填塑性或剛性止水材料，以達(dá)到封閉裂縫的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等等；常用的剛性止水材料為聚合物水泥砂漿。

3）混凝土置換法：混凝土置換法是處理嚴(yán)重?fù)p壞混凝土的一種有效方法，此方法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換人新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有：普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。

4）電化學(xué)防護(hù)法：電化學(xué)防腐是利用施加電場在介質(zhì)中的電化學(xué)作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達(dá)到防腐的目的。陰極防護(hù)法、氯鹽提取法、堿性復(fù)原法是化學(xué)防護(hù)法中常用而有效的3種方法。

5）仿生自愈合法：仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法，它模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土的傳統(tǒng)組分中加入某些特殊組分(如含粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊)，在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。

3 結(jié)束語

雖然大體積混凝土易產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫，但只要在設(shè)計、施工工藝、材料選擇及養(yǎng)護(hù)過程中能夠精細(xì)化考慮，并及時采取合理的處治措施，就能避免或減少裂縫的出現(xiàn)。在公路工程建設(shè)實踐中應(yīng)做到：

1）在大體積混凝土施工時要全面和有針對性的考慮施工方案，盡可能利用國內(nèi)較先進(jìn)的施工技術(shù)及控制方法。

2）要做充分的施工準(zhǔn)備，把影響質(zhì)量的關(guān)鍵問題量化、細(xì)化、分解到具體措施上。

3）材料控制及檢測要規(guī)范，在施工過程中嚴(yán)格按技術(shù)方案要求執(zhí)行，操作和指揮一致，實施和檢查一致。

4）施工中混凝土自身升溫時間很短，大約在澆筑后的三到五天，此時混凝土基本處于塑性彈塑性狀態(tài)，約束力很低。降溫階段，約束拉應(yīng)力隨時間增加，由于許多施工條件難以預(yù)測，不能用線性理論的方法，要利用相似的工程其裂縫控制實測數(shù)據(jù)及降溫曲線，以近似值作參照。

總之，對橋梁結(jié)構(gòu)中的大體積混凝土施工，裂縫雖易產(chǎn)生，但只要有針對性地采取必要的技術(shù)組織措施，嚴(yán)格按混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范，精心施工，嚴(yán)格按科學(xué)規(guī)律辦事，就能有效地控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫。

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