橋梁承臺大體積混凝土施工的防裂技術探討

毛鑫

（桐廬縣公路管理段，浙江 桐廬 311500）

0 引言

橋梁承臺是連接樁基礎和橋墩的重要結構，能夠更加均勻地將上部結構荷載傳遞到下部樁基礎中。對于大跨徑橋梁而言，由于橋梁整體荷載水平較高，需要更大尺寸的承臺才能有效地承載墩柱或者索塔，而將上部軸力和彎矩均勻而有效地傳遞到下部結構中。大體積的承臺施工面臨開裂的風險，因為混凝土材料自身特性使得其水化反應中產生大量的熱量，混凝土澆筑水化熱與周邊環境溫度形成的差異，很容易在混凝土表面形成溫差效應從而引起早期混凝土開裂，另外混凝土材料自身收縮特性等也使得大體積混凝土施工中的開裂問題更加突出[1]。

承臺開裂會影響橋梁的安全與耐久性能，因為大多數橋梁承臺處于水下環境或者水與空氣作用區域，這使得承臺的侵蝕較為容易，因此需要確保承臺不能開裂。本文首先分析橋梁承臺大體積混凝土施工中開裂的原因，基于開裂原因，經分析提出施工防裂技術，從而降低施工中橋梁承臺開裂的風險。

1 橋梁承臺大體積混凝土開裂原因分析

1.1 大體積混凝土開裂機理分析

大體積混凝土相對于常規混凝土的差別是厚度與長度、寬度的比值不同，導致其相對厚度很小，在混凝土澆筑過程中產生的水化熱量，大體積混凝土表面的熱量散發效率遠大于內部熱量的散失，使得混凝土內外溫差很大，產生的溫度應力導致混凝土開裂。具體而言，由于大體積混凝土表面與環境直接接觸，溫度散失較快；內部混凝土水化熱量消散很慢，導致內部溫度遠大于外部溫度，外部混凝土約束內部熱量的散失，導致表面受拉出現開裂，其裂縫的分布不是受力裂縫，因此沒有明顯分布規律。

1.2 橋梁承臺開裂原因分析

根據大體積混凝土的開裂機理分析，影響大體積混凝土開裂的主要因素是水泥水化放熱、環境溫度變化、混凝土自身收縮性能、養護措施等[2]、[3]。以下對這些影響因素進行詳細總結分析。

（1）混凝土水化熱?；炷恋乃嗨療崾钱a生內外熱量不均衡的最直接原因，如果水泥的水化放熱較慢，則在施工過程中會使得內部熱量不斷累積，溫度迅速上升，更容易產生混凝土裂縫。水化放熱的大小與水泥種類、標號等級、礦物組成等高度相關，需要根據大體積混凝土的面積和厚度確定適宜的水泥品種。

（2）環境溫度變化。由于水泥水化顯著放熱效應會使得內部局部上升到70～80℃，而環境溫度即便采取相關保溫措施也很難達到上述溫度，這使得大體積混凝土施工必然存在環境與混凝土內部溫度的偏差。如果環境溫度出現突然的下降，則極大地增加了開裂的風險，因此需要避免環境溫度的驟然降低。

（3）混凝土收縮特性?；炷辆哂酗@著的干縮性能，在大體積混凝土澆筑過程中，如果環境溫度較低，則混凝土表面與外界環境進行非常頻繁的熱交換，導致混凝土的水分大量蒸發，從而導致混凝土出現干燥收縮效應。內部混凝土由于水分散發較慢，表面混凝土水分散發較快，導致表面混凝土收縮效應顯著，梯度收縮效應直接導致混凝土表面出現開裂問題。

（4）混凝土養護不當?？紤]到外界環境對于大體積混凝土開裂的顯著影響，養護不當也會引起混凝土的開裂。我國對于混凝土的養護標準條件是在溫度18～22℃下，濕度不低于95%情況下進行養護。很多施工現場并不嚴格執行該養護條件，使得混凝土表面的溫度和濕度不能得到保證，溫度過低則會產生溫度裂縫，濕度不足則會使得混凝土發生干縮產生裂縫。

2 大體積橋梁承臺防裂技術

通過適當的混凝土養護措施，可以有效地控制橋梁承臺大體積混凝土表面的溫度和濕度，使得裂縫能夠得到有效控制。綜合而言，開裂控制措施可以從混凝土原材料控制、施工防護措施和養護管理措施三個角度進行考慮[4]。

2.1 混凝土原材料控制

水化發熱是產生大體積裂縫的直接原因，而優化混凝土的水泥種類、配合比、水泥含量等，可以降低水化熱效應，提高混凝土抗拉強度。

首先，對水泥種類的選擇與優化。為了使得混凝土具有較低的開裂敏感性，可以使得水泥在早期具有較大的彈性模量和強度，這可以使得水泥具有較好的預壓應力，保證在后期因為各種約束產生的拉應力水平低于材料的抗裂極限，從而降低裂縫的出現概率。另一方面，應該盡量在保證混凝土材料和易性和強度的基礎上，盡量減少水泥的用量以降低水化熱，同時可以采用火山灰取代部分硅酸鹽水泥。實踐證明：其不僅可以降低水化熱量的發展，還能夠達到足夠的強度。

其次，摻入適當的外加劑?？紤]摻入減水劑、引氣劑和超塑劑等，減少水泥的用量，同時保證混凝土的工作性能及預設水膠比；也可以考慮采用礦物摻合料取代部分水泥，例如火山灰、粉煤灰、礦渣、石粉等。

最后，改善骨料級配和選擇，采用熱膨脹系數低的集料以降低混凝土的溫度變形，從而降低混凝土在收縮過程中產生的約束應力。例如，可以采用碎集料，使得集料表面與水泥膠等具有很好的粘結性能，即便在約束應力作用下由于其良好的粘結性能，使得開裂風險大大降低。

良好的混凝土配比，可以有效地降低混凝土材料的水化熱，改善其抗裂性能，降低初始缺陷，提高大體積混凝土的結構性能。

2.2 施工防護措施

從施工角度而言，嚴格控制混凝土表面的溫度和濕度，降低混凝土澆筑溫度、延緩較少內外表面溫差，避免溫度驟降等問題，都可以有效地控制橋梁承臺大體積混凝土早期裂縫。

首先，控制混凝土的澆筑溫度。降低混凝土澆筑溫度可以在澆筑過程中降低水化熱的呈現結果，從而減少整體的施工溫度。例如，可以對骨料和水泥進行事前冷卻的方式，凍結骨料和水泥，或者摻入冰塊等降低澆筑的溫度，此外還可以通過在拌合裝置中注入液氮的方式進行降溫。另外，還需要結合各種降溫措施的經濟效益予以選定。

其次，人工控制硬化混凝土的溫度，降低溫度峰值和溫度差值。例如，通過在大體積混凝土中植入冷水管，通過循環冷水的方式進行冷卻；通過植入鋼管，循環冷空氣的方式進行混凝土內部的冷卻；通過在表面覆蓋保溫材料的方式，減少內外溫差并降低表面的溫度梯度效應。

最后，選擇適當時機進行承臺混凝土施工，由于環境溫度對于承臺大體積混凝土開裂的顯著影響，應該盡可能選擇在環境溫度比較平穩的時機進行承臺混凝土施工，避免在環境溫度變化較大的天氣施工。

總而言之，這些措施的目的都是保證大體積混凝土的內部和外部溫度的差別不大，從而降低溫度開裂風險，避免水分的過渡散失。

2.3 養護管理措施

混凝土施工的養護措施同樣可以控制開裂風險。大體積混凝土早期開裂的直接原因是表面暴露在較低的環境溫度中，或者在較高的表面溫度中，或者因為干縮原因，特別是在混凝土澆筑的早期，水化熱仍然處于升溫階段，對于表面溫度的變化非常敏感。一般而言，可以從以下幾個方面注意養護措施的合理性：

首先，控制模板的脫模時間。在混凝土澆筑早期，由于水化熱量集聚，而混凝土自身的抗裂性能較低，這個時間段進行脫模將直接導致開裂，一般在混凝土澆筑2 d后才能進行脫模。

其次，進行絕熱保溫。當外界環境溫度很低時，應該對大體積混凝土表面進行絕熱保溫，避免內外溫差過大產生開裂，保溫層的撤離應該分層撤去，避免全部一次性撤離導致表面冷激出現溫差開裂。

最后，適時灑水養護。需要保證表面混凝土的濕度，避免干縮裂縫的產生，可以采用表面灑水養護或者采用密封劑，特別是夏季施工中應該避免陽光直射，導致表面濕度失衡。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某跨江公路大橋為雙塔中央索面斜拉橋結構，主墩16#、17#鉆孔灌注樁施工，承臺構造采用圓形，構造示意如圖1所示，承臺直徑22 m，厚5 m。由于該橋承臺處于深水沖刷區環境，橋梁承臺如果出現裂縫對于整體橋梁的耐久性影響非常顯著，因此需要在施工過程中采取措施避免開裂。

圖1 承臺構造圖（單位：cm）

3.2 防裂施工技術

為了有效地控制該大體積承臺混凝土施工過程可能出現的開裂問題，綜合采用了下述措施進行裂縫控制：

（1）優化混凝土的配合比。優化配合比在水化熱控制上起到的作用較為明顯，可以顯著降低混凝土澆筑過程中產生的水化熱量。該工程對混凝土材料控制其粉煤灰摻入量不高于膠凝用量的30%，可以降低水化熱量29%左右。

（2）分層澆筑。承臺的混凝土工程量較大，為了降低澆筑過程混凝土內外溫差過大的問題，采用整體分層的方法將混凝土從豎向進行劃分，通過分層澆筑有效地降低內外溫差。

（3）預留變形縫。對于超大體積混凝土，可以采用留置變形縫的方法進行施工，即人為將混凝土劃分為多個區段分別進行澆筑，在溫度降低到一定程度后再通過現澆接縫將各部分連接為整體。

（4）設置管冷設備。對于承臺大體積混凝土，為了有效控制溫度裂縫，在承臺混凝土中設置管冷系統。即在混凝土澆筑過程中通過冷水循環將熱量進行疏散，降低水化熱引起的溫度上升。

（5）冷凝混凝土骨料。采用冷卻骨料的方法將骨料中摻入冰塊，使得澆筑過程中水化放熱能夠得到控制。

通過上述施工措施，該橋梁承臺混凝土在施工過程中，沒有出現任何裂縫，取得了良好效果。

4 結論

大跨徑橋梁往往采用大尺寸承臺結構，有效地將上部結構荷載均勻地傳遞到下部樁基礎中。然而，大體積承臺施工面臨開裂的風險，主要原因是混凝土中水泥水化產生大量熱量，加上與環境的溫差效應及混凝土的收縮特性，容易開裂。本文詳細歸納了大體積混凝土開裂的機理，分析了橋梁承臺大體積混凝土開裂的原因，并提出了防裂控制技術，降低施工中橋梁承臺開裂的風險，為橋梁承臺施工質量控制提供參考。