特殊環境對現澆混凝土的影響及相應的質量控制措施

張文學

摘要： 本文根據施工中存在的問題，從哈羅鐵路S2標長白山特大橋18#墩身裂縫入手，探討特殊自然環境對結構物混凝土質量的影響，指出如何在高溫，干旱，大風頻率高，溫差大等特殊自然環境下提高現澆混凝土的質量及控制措施。

Abstract： According to the problems existing in the construction， starting from 18# cracks of the Hami - Lop Nor Railway S2 section Changbai Mountain super majors bridge， this paper explores the impact of special natural environment on the quality of concrete structures. It is pointed out that how to improve the quality control measures of cast-in-place concrete under the special natural environment， such as high temperature， drought， high frequency of wind and large temperature difference.

關鍵詞： 質量；裂縫；特殊環境；控制措施

Key words： quality；crack；special environment；control measures

中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0134-04

1 工程概況

1.1 工程簡介

新建鐵路哈羅線長白山特大橋位于長白山區庫魯塔格剝蝕低山丘陵區沖、洪積溝口，地勢起伏，屬丘陵地形。橋址處溝槽寬淺、明顯，呈“U”字型，水流紊亂，沖刷明顯，流域長度約7km，河槽平均坡度2‰，地勢較平坦。基礎采用明挖滿灌基礎，2個橋臺采用“T”型橋臺，20個橋墩采用圓端型橋墩，墩身坡度比42：1，墩頂尺寸為2.1m×3.8m，墩底尺寸隨墩身高度而定，本橋最高墩柱15m，最低墩柱5.5m，橋墩采用整體鋼模板一次立模澆筑成型，內拉外撐加固。橋臺采用定型鋼模施工。沿線風蝕現象較為明顯。地表基本無植被，呈現“巖漠”景觀，交通困難。工程處在高溫干旱、溫差大、大風頻率高的戈壁灘環境中，水分極易散失，如何在此特殊自然環境下滿足混凝土結構的耐久性要求，保證混凝土的質量是本工程的重難點。

1.2 施工與監測

長白山特大橋18#墩柱墩高（包括托盤）13.4m，分兩次澆筑，第一澆筑澆筑從2010年7月18日0：10至12：00澆筑到托盤底，2010年7月23日18：00-23：00第二次澆筑，澆筑到墊石底。第一次澆筑93.5方，共用時12小時，吊車吊料斗澆筑較慢，運距較遠，對混凝土的和易性有一定的影響。第一次澆筑時夜間溫度24度，白天溫度38度，從氣溫上分析，氣溫偏高，混凝土從初凝到強度發展過程中外界溫度始終很高，短時間內水化熱不能得以釋放，造成墩身表皮開裂。經過時間的推移，墩身內外平衡，當地氣候干燥，風沙厲害，混凝土收縮徐變，墩身裂紋處出現微小起皮現象。在墩身2m～3m處出現不規則裂紋，寬0.2mm，長10cm～60cm。從施工工藝及混凝土上分析，混凝土從拌制到運至現場，由試驗室人員和監理層層把關，沒有大點疑點。

綜上所述，氣候干燥和氣溫高、大風是混凝土開裂的主要原因，加之澆筑時間過長，施工人員和技術人員對混凝土的澆筑時機把握不是很準確，造成混凝土表面局部開裂。

混凝土裂縫是橋梁內在質量的外在表現。由此，分析總結特殊環境對混凝土質量的影響及如何在特殊環境下提高混凝土的質量就變得尤為重要了。

2 特殊環境對混凝土質量的影響

混凝土是當前時期在建筑施工中比不可少的一種材料，其價格比較低廉，可以澆筑成各種各樣的形狀，并且在抗壓強與耐火性等方面都非常好，在建筑中應用時，具有很好的耐火性等多個方面的優點。同時也具有明顯的缺點，比如抗拉能力差，容易開裂。查閱文獻資料易知，混凝土結構產生裂縫的原因是由于其內部因素的變化，使其增大變形，裂縫的產生也使得這一部分的拉應力大大地降低。混凝土結構上出現可見裂縫幾乎是一種不可避免的現象。通過裂縫減少變形能是混凝土材料的固有特性。混凝土的開裂原因復雜而繁多。其中惡劣的氣候也能造成混凝土的裂縫，比如大風、干旱、劇烈的溫差。大風、干旱使混凝土急劇失水，表面產生干縮裂縫。由于溫差比較大的原因會使得混凝土的表面的拉應力產生并逐漸增大，在超過一定范圍之后，裂縫也就產生了。由于混凝土的各向異性的特性，在同樣的條件下，表現出隨機性，混凝土出現的裂縫沒有特定的規律，同時混凝土產生的裂縫也因氣候影響嚴重程度表現得或輕或重。下面從特殊自然環境對混凝土的影響，來對混凝土橋梁產生裂縫的原因進行分析，并探討對其進行控制的措施。

2.1 收縮引起的裂縫

在實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的，而在大風、干旱缺水的戈壁環境中混凝土收縮就表現得更加突出。從混凝土收縮的種類來看，導致混凝土的體積發生變化的主要原因是塑性收縮和縮水收縮，此外，還有自生與炭化收縮也會對混凝土的形變產生一定影響。

塑性收縮。這一收縮產生在進行施工時，時間點大約在澆筑之后的4.5小時左右。這時候，水泥發生非常激烈的水化反應，使得泌水和水分蒸發得非常迅速，混凝土由于失水開始出現收縮，這時骨料受到重力的作用而發生下垂，混凝土本身也并沒有完全硬化，這種方式稱為塑性收縮。在骨料下垂時，由于鋼筋的作用，會對其產生一定的阻擋，也會沿著鋼筋的方向產生裂縫。為了盡可能地減少混凝土出現塑性收縮的可能性，需要對其水灰比進行嚴格控制，防止長時間進行攪拌，并控制好下料的速度，振搗時還應注意一定要密實，并分層進行澆筑。

縮水收縮（干縮）。澆筑的混凝土在結硬之后，由于表層水分的散失，其濕度逐漸地下降，混凝土的體積也大幅減小，這種收縮方式即為縮水收縮。產生這種現象的根本原因是內外部的水分散失的速度存在差異，使得收縮的過程不均勻。混凝土表面的收縮變形受到混凝土內部比較大的約束，使得混凝土表面的承受拉力比較大，在這種拉力超過一定值時，就會出現裂縫。對于配筋率超過3%的大構件來說，鋼筋對于產生的混凝土的約束比較大，在其表面也會產生一些裂紋。

自生收縮。這種收縮主要發生在混凝土的硬化過程中，水泥和水會產生水化反應，這種收縮與外界濕度也并無關系，可以收縮，也可以膨脹。

炭化收縮。空氣中的水與二氧化碳以及水泥之間也會產生化學反應，進而發生收縮。發生這種收縮要在濕度只有50%左右才能出現收縮的現象，并且受二氧化碳濃度的影響，二者呈正比關系。

混凝土收縮裂縫的特點是由于其表面出現裂縫，并且其寬度也比較細，還呈現出交錯的特征，有些還表現為龜裂狀，在形狀方面，并沒有固定的規律。

以往的研究證明，對混凝土收縮裂縫產生影響的因素包括：

①水泥品種、標號及用量。混凝土的收縮性與水泥的品種關系比較大，一般來說礦渣水泥等收縮性比較大，而普通水泥和礬土水泥等收縮性比較小。另外也與水泥標號以及用量有關。通常來說，標號越低，會使得單位體積的用量變大，這會使得混凝土的收縮時間變長，并且收縮的裂縫也更大。

②骨料品種。在骨料中，含有石英和白云巖、花崗巖以及長石等，這些物質的吸水性比較差小，并且收縮性也不好；但是砂巖和板巖等的吸水性能比較高，而且收縮性也比較高。最重要的是其骨料粒徑比較大，這也使得其收縮比較小。

③水灰比。與用水量有直接關系，水灰比隨著用水量的增加而越大，混凝土的收縮也就越來越大。

④外摻劑。保水性越好，混凝土收縮也就越小。

⑤養護方法。正確的養護方法能夠促進混凝土發生水化反應，混凝土的強度也會增加。在養護時，要注意對濕度與氣溫和養護時間的控制。

⑥外界環境。空氣中的諸多元素，包括濕度和溫度以及風速等都會混凝土的收縮性產生比較大的影響。

⑦振搗方式及時間。采用機械的方式進行振搗，相對于采用手工方式來說，機械振搗后混凝土收縮性更小。實際施工中需要根據機械性能來控制振搗時間。一般來說時間越短，振搗的效果越不好，混凝土的強度也無法達到技術指標；振搗時間過長，則可能導致混凝土離析，細骨料浮于粗骨料之上，混合料不均勻，最終將造成澆筑成形的混凝土構件因骨料分布不均勻而開裂。

2.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮的特質。在結構內部溫度或外部環境溫度產生較大溫差時，混凝土會變形，如果變形受到約束，其內部結構會出現應力，如果應力大于混凝土自身的抗拉強度，混凝土構件就會出現裂縫。在個別大跨徑橋梁中，溫度應力往往能達到或超過活載應力。溫度裂縫會隨著溫度的變化而合攏或擴張，這是該裂縫與其它類型的裂縫最大的區別。在水泥發生水化熱作用后，澆筑成形的混凝土構建通常是先升溫，后降溫，最后溫度才趨于穩定。在溫度升高的階段，水泥水化作用產生大量水化熱積聚在結構內部無法快速散發，內外溫差使混凝土內部產生壓應力，外部產生拉應力，若大于相應齡期的容許拉應力，混凝土結構就有開裂的可能性；在降溫時期，新澆混凝土受內部鋼筋、封底混凝土及樁頭約束，彈性模量降低無法自由收縮，如果降溫梯度過大，就會出現較大的拉應力，進而導致混凝土開裂。鑒于此，施工隊應該控制好溫度梯度，避免溫度大幅度降低而造成結構開裂。

大體積混凝土的施工必須從原材料、混凝土的配合比開始控制。實踐證明采用礦物質超細粉等量代換一定量的水泥并摻加一定量的高效緩凝減水劑，可以明顯起到降低水化熱和延遲溫度峰值出現時間的作用，但并不影響混凝土的強度及和易性。

根據工程具體情況，適當使用外摻料有非常好的效果。

①粉煤灰：粉煤灰不僅可以改善混凝土的工作性能，還可以提高混凝土的耐久性。粉煤灰可以降低混凝土水化熱，降低混凝土出現拉應力的起始點溫度，減少混凝土降至環境溫度的溫差，防止溫度裂縫的產生。粉煤灰的摻量一般為水泥用量的15%左右。

②鋼纖維：鋼纖維能有效抑制干縮的發展。在混凝土中加入體積摻量為1.2%～2.0%的鋼纖維，可以在混凝土中形成亂向分布的三維網狀結構，從而抑制混凝土的干縮。實驗表明，在混凝土脆性材料中加入1.5%的冷板切削鋼纖維，其抗折強度可以提高30%，混凝土的彎曲韌性指數可以提高22倍，混凝土抗折疲勞性能也可以大幅度提高，能有效防止重復荷載作用產生裂縫。

③外加劑：適當的膨脹劑和引氣劑對于提高混凝土抗干縮和抗折強度有十分明顯的作用，根據有關文獻可知當在混凝土中引入2%～5%的含氣量，抗折強度可提高10%～15%，抗折彈性模量略有降低，研究表明，摻加8%的微膨脹劑，可使混凝土150d干縮率由65×10-6變為52×10-6。

針對以上影響因素和現實施工環境，制定主要質量控制措施。

3 主要質量控制措施

3.1 后勤保障

項目部負責全線所有參建單位糧油、蔬菜、肉食的供應及勞保用品保障。保障物資、物品由生活保障部集中采購分發，并建立嚴格的領發制度。

本項目無水源，生活施工用水困難，用水分別從南湖煤礦和國投羅鉀公司處取水。每個工區配備水車1臺，用于供應生活用水，另外租用1～3臺水車，用于供應施工用水；每個工區修建儲水池一座，購買儲水罐一個。橋涵施工時修建儲水池。用水的原則必須是“先生活后生產”。

工程前期用發電機發電，每個工區配備發電機3臺（200kW、100kW、50kW各一臺），各工區的小橋涵施工隊伍自備15kW～20kW的發電機。全線不設低壓貫通電力線路，只在每個變壓器兩側800m范圍內架設電力線路。變壓器選擇315kVA變壓器，設置地點選在工區駐地、車站。

3.2 過程控制

因基礎、墩身截面尺寸較大，有可能導致混凝土內部溫度較高，而產生溫度裂縫。主要從混凝土養護、原材料質量控制、配合比選取（推遲溫度峰值出現的時間，提高相應齡期抗壓強度）、混凝土施工等方面來控制混凝土質量，以避免或減少溫度裂縫的產生。

①盡量降低混凝土受約束作用，在澆注混凝土完成后對表面進行壓光處理。

②水泥的選用，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，并摻入適量粉煤灰。

③摻入外加劑，使用高效緩凝減水劑，嚴格控制摻量：每盤拌合用量按配合比提前稱量好，攪拌時投入料斗攪拌均勻，保證減水劑的緩凝時間，液體緩凝劑在拌和站一定要攪拌均勻，確保緩凝劑加入量一致。嚴格控制混凝土攪拌時間：攪拌時間較以前適當延長，保證混凝土拌合均勻，外加劑能夠完全反應，攪拌時間須保證120秒。

④粗細骨料級配控制，增大機制砂的細度模數，減少砂率：選用2.9～3.0，砂率降低為40%；采用合理的混合級配粗骨料：5～20mm細骨料占50%，20～31.5mm骨料占50%。盡可能減少用水量和水泥用量，施工中嚴格控制粗細骨料的含泥量，提高混凝土的均勻性，增加抗裂能力。

⑤混凝土有序施工確保混凝土均勻密實：混凝土坍落度各車不要有大的差異，澆筑基礎時坍落度可控制在140～180mm，坍落度大時會使表面鋼筋下部產生水分，或表層鋼筋上部的混凝土產生細小裂縫。為防止這種裂縫，在混凝土初凝前和混凝土預沉后采取二次抹面壓實措施。混凝土澆灌時，攪拌車在卸料前，要求高速運轉一分鐘，確保進入料斗的混凝土質量均勻。澆筑合理分段，分薄層進行，使混凝土高度均勻上升，混凝土澆筑應連續進行，間歇時間不能過長，在前層混凝土初凝前必須把后層混凝土澆上。澆筑應在室外氣溫較低時進行，混凝土澆筑氣溫不宜超過28℃，在炎熱的氣候條件下應采取降溫措施。

高溫氣候下，混凝土在施工中易造成坍落度損失較大、初凝時間縮短，為避免此類現象的發生，在夏季高溫氣候條件下采取以下施工方法和技術措施，以保證混凝土的施工質量。

①加強施工組織措施：在施工現場和拌和站之間配備無線通訊聯絡和生產調度指揮系統，準備好各種施工機械的易損配件。對施工中出現的各種問題做到反應快速、判斷迅速、調度準確、恢復及時。

②選擇合理的澆筑時間，建立專門網絡氣象站，可以了解每天、周、旬的氣象資料，混凝土施工避開每日高溫時間，選在日氣溫較低時段澆注。

③設置防曬網維護，高溫時間避免陽光直射引起溫差梯度過大造成混凝土開裂。

④在氣溫較高時，為防止太陽的直接照射，施工中對砂石料用遮陽棚覆蓋。

⑤混凝土灌注宜在早晚溫度較低時進行，現場對混凝土入模溫度進行監控降低入模溫度。降低入模溫度是控制峰值的最有效措施。

⑥混凝土澆筑中及澆筑后的溫度測量成立專門小組負責溫度的采集、分析、處理，根據分析結果，總結溫度控制經驗，以便指導下一步施工。

⑦建立夜間值班制度，做好周密的組織和技術交底，配備足夠的物資，確保夜間施工順利進行。

⑧嚴格隱蔽工程檢查簽證制度，夜間必須進行隱蔽工程施工時，應按規定提前通知監理工程師到現場檢查，并辦理簽證手續，未經監理工程師檢查簽證，禁止進行下一道工序施工。

⑨安裝足夠的照明設備，保證夜間施工有良好的照明條件。

本橋位于戈壁丘陵地區，丘陵高度平均，地勢開闊，春季多大風。為了應對惡劣天氣，指揮部在加強現場人員抗風培訓的同時，現場采取積極的抗風措施：①與氣象局簽訂氣象合同，在大風來臨之前做好抗風準備；②現場鋼筋加工棚，駐地，砂石料遮陽棚均采用抗風設計，增設抗風纜繩，設置抗風墻；③現場鋼筋骨架綁扎，墩臺模板安裝，拆卸，混凝土澆注盡量避開大風天氣；④對剛澆注完畢的混凝土構件覆蓋保水養護，混凝土體表面不允許被風直接影響。

3.3 制定專項養護方案

在盡量減小混凝土內部溫升的前提下，大體積混凝土的養護是一項關鍵工作，必須切實做好。養護主要是保持適宜的溫度和濕度條件，保溫的目的有兩個，一是減小混凝土表面的熱擴散，減小混凝土表面的溫度梯度，防止產生表面裂縫；二是延長散熱時間，充分發揮混凝土強度的潛力和材料松馳特性，使平均總溫差對混凝土產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度，防止產生貫穿性裂縫。潮濕養護的作用：一是剛澆筑不久的混凝土，尚處在凝固硬化階段，水化的速度較快，適宜的潮濕條件可防止混凝土表面脫水而產生干縮裂縫；二是保溫保濕利于早期強度的增長，還可減少混凝土的早期相對收縮量。

根據工程現場實際情況制定專項結構物混凝土養護方法：混凝土澆筑完畢后，立即用土工布遮蓋，混凝土初凝后用土工布覆蓋和灑水養護，灑水次數應能保持混凝土有足夠的潤濕狀態，養護時間一般不少于7天。

3.3.1 基礎混凝土的養護

基礎澆筑完畢，立即用土工布遮蓋，待混凝土初凝后，頂部用一層土工布覆蓋，并灑水保濕，再覆蓋一層塑料布，防止水分快速蒸發。由于本標段部分橋涵處于特殊地質段，基礎灑水時，注意灑水量，嚴禁在基礎基坑中積水，使基坑浸泡，以免對結構物產生不利影響。高溫時期，混凝土養護要提高灑水頻率，安排專人灑水。

3.3.2 墩柱混凝土的養護

為降低混凝土內外溫差，嚴格控制混凝土拆模時間，加強混凝土養護措施。澆筑完畢，立即用土工布遮蓋，待混凝土初凝后，頂部用一層土工布覆蓋，并灑水保濕，再覆蓋一層塑料布，防止水分快速蒸發。具體拆模時間根據同養試塊強度情況而定，模板拆除時間選擇在每日氣溫較低的時段。拆模后混凝土采用兩種養護方法。

①采用桶狀塑料布包裹，（如桶狀塑料布直徑不夠粗，用帶狀塑料布拼接，膠帶粘好，保持良好密閉性），內部設橫撐，桶塑料布內注水，上口、下口扎死，墩身塑料布用繩子纏緊，防止大風吹落，托盤、頂帽用土工布覆蓋灑水養護。為了保證養護措施達到良好效果，必須保證塑料布無破損、不透氣，保證水分不流失，從而達到保濕的目的，同時從墩頂部灑水，使其沿墩身自流而下，保持墩身表面的濕度。夏季高溫期，混凝土養護要增加灑水頻次，安排專人灑水，灑水亦不能過多，嚴禁在基礎基坑中積水。大風天氣，對土工布、塑料布進行加固，防止大風吹落，或吹散，吹走污染環境。同時注意養護人員個人安全。

②噴涂養護液。在墩柱周圍搭設防曬網，人工均勻向混凝土表面噴灑養護液，次數據具體情況而定，一般噴灑3～4遍。

實踐證明，第一種方案操作工序多，但適宜現有條件下的夏季高溫養護，養護效果良好。第二種方案操作簡潔方便，高溫養護效果不如第一方案，但亦能滿足施工要求。在溫度相對較低時選用第二方案更經濟適用。

4 結束語

影響混凝土質量的因素是多種多樣的，本文通過對長白山特大橋18#墩身裂紋分析，探討得出特殊自然環境下，收縮及溫度應力差是混凝土產生裂紋的主要影響因素之一。對如何有效控制特殊環境下混凝土的質量，減小環境影響總結以下幾點：

①完善后勤保障制度，保證水、電、物資的充足供應，確保機械、人員安全高效運轉。

②根據有關技術規定設計配合比。選擇合理的水泥標號，采取在混凝土拌合物中摻加混合材料或減水劑等技術措施，以改善混凝土拌合物的和易性。

③制定行之有效的技術管理辦法貫徹落實，把好施工過程關，從攪拌、運輸、振搗、養護四個環節提高混凝土的施工質量。

④在高溫干旱、大風、水分極易散失的戈壁灘環境中，混凝土的養護是一個重難點。制定專項的養護方案可以有效的控制和減小特殊環境對混凝土的影響。

參考文獻：

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