公路橋梁大體積混凝土裂縫成因及預防措施

張振江

（江蘇燕寧工程咨詢有限公司 江蘇 210017）

1 大體積混凝土裂縫成因

1.1 溫度裂縫

大體積混凝土澆筑前期，由于水泥水化反應會釋放大量熱量，加之混凝土為一種高熱阻材料，因此在澆筑完成前3d內(nèi)一般只能將總熱量的50%散發(fā)出去，剩余50%則積聚于混凝土內(nèi)部使其溫度急劇上升，而表面因熱量可及時散發(fā)而溫度相對較低。在此情況下，混凝土中心因高溫膨脹及自身約束而處于受壓狀態(tài)，表面則因溫度相對較低而處于受拉狀態(tài)，當表面拉應力大于該階段混凝土抗拉強度時，并會于結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。除此之外，由于混凝土拆模可視為表面溫度驟降的過程，因此當模板拆除過早時（即混凝土強度較低），混凝土表面易因冷縮受拉而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

1.2 收縮裂縫

作為一種脆性材料，混凝土抗拉強度度僅為抗壓強度的1/20～1/10，且其拉伸變形能力表現(xiàn)極小，在短期與長期加載情況下，極限拉伸變形分別為（0.6～1.0）×10-4和（1.2～2.0）×10-4。一般而言，混凝土用水量越多（表現(xiàn)為浮漿越厚），其裂縫產(chǎn)生機率越大，在實際施工中，混凝土所含水分中只有20%左右為水泥水化所需，剩余80%則會通過蒸發(fā)作用而散失，并且在蒸發(fā)過程中，最先散失的為自由水（含量約占30%），其所引發(fā)的收縮程度極小，基本可忽略不計，但是隨著蒸發(fā)作用的持續(xù)，當混凝土中吸附水（含量約占20%）逸出時，便會引發(fā)較大程度的收縮現(xiàn)象（即干燥收縮），并且呈現(xiàn)出混凝土中心收縮較小、表面收縮較大的趨勢，在此情況下，表面混凝土因受中心混凝土的約束而產(chǎn)生拉應力，且當該應力增大至混凝土自身（抗拉）強度不足以承受時，便會于表面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

2 大體積混凝土裂縫預防

2.1 材料措施

2.1.1 水泥

優(yōu)選礦渣水泥與粉煤灰水泥等低熱水泥，可以使用普通硅酸鹽水泥與火山灰質(zhì)水泥。對于水泥水化熱而言，由于其為水泥礦物成分與細度模數(shù)的函數(shù)，因此要想實現(xiàn)水化熱的降低，則需選擇礦物組成合理、細度較小的水泥。試驗表明，要想實現(xiàn)水泥水化熱釋放量與釋放速率的有效控制，則需適當提升熟料中的C4AF（鐵鋁酸四鈣）與C2S（硅酸二鈣）含量，相應降低C3S（硅酸三鈣）與C3A（鋁酸三鈣）含量，但是基于混凝土早期強度的考慮，C3S含量不宜過少，對應C2S增加量也不宜過多，否則會使水泥強度形成過慢。在實際操作中，通常是在提升C4AF含量（幅度不大于20%）的同時最大限度降低C3A，如此即可降低水泥水化熱，又不影響其強度形成速率。除此之外，水泥細度對水化熱釋放速率影響明顯，研究表明，水泥比表面積每增加100cm2/g，其硬化第1d水化熱會提升17～21J/g，第7d與第28d則均會提升4～12J/g。故此，對于大體積混凝土所用水泥而言，在不過分影響其活性的基礎(chǔ)上，應適當增加細度模數(shù)。

2.1.2 集料

由于混凝土所用集料級配越好，在同等強度下其對膠凝材料需求量就越少，故而可在一定程度上減少水泥與砂的用量，同時通過集料含泥量（砂應＜2%，石應＜1%）的控制，便可有效實現(xiàn)混凝土的收縮抑制與極限抗拉強度的提升，從而達到減少裂縫的目的，因此大體積混凝土應優(yōu)先選用級配良好的集料。試驗表明：當用連續(xù)級配、粒徑為5～40mm的碎石與細度模數(shù)為2.3～3.7的中粗砂時，單位體積混凝土水泥與水用量可分別減少28～35kg和20～25kg，綜合效益表現(xiàn)良好。

2.1.3 粉煤灰

基于粉煤灰的火山灰效應的分析，由于其反應較為遲緩，發(fā)熱速率較慢，7d時發(fā)熱量只有純硅酸鹽水泥的17%，并且對于混凝土而言，單位體積純硅酸鹽水泥用量每增加100kg，其內(nèi)部溫升可達8～12℃；此外，由于粉煤灰中所含玻璃體球形顆粒較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密且比表面積較小，故而對水吸附能力較弱，在混凝土中適量加入后即改善混合料和易性，減小干燥收縮，又可取代少量水泥，推遲并降低水化熱峰值溫度的出現(xiàn)，對混凝土抗裂性能及其裂縫抑制具有顯著的效果。

2.2 施工措施

（1）合理選擇水灰比。由于混凝土水灰比越大，振搗過程游離水（實為稀漿）泌出越多，致使其易因離析而產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，因此在不影響強度的前提下，大體積混凝土應盡量減小水灰比。

（2）控制混凝土入模溫度。對于大體積混凝土而言，在拌合過程中可采用加冰或冷卻水的方式降低混合料出倉溫度，同時在運輸過程中做好保溫隔熱措施，并且避開高溫施工，以此通過混凝土入模溫度的降低來有效減小其澆筑初期的溫度應力，從而抑制溫度裂縫的出現(xiàn)。

（3）加強混凝土澆筑。為使混凝土熱量及時散發(fā)和提升密實效果，采用分層澆筑、分層振搗的連續(xù)施工方式，其分層厚度宜≤30cm（最大不得大于50cm），同時合理控制振搗間距，且以混凝土表面不再下沉、無氣泡冒出以及泛漿均勻為控制標準，但需注意不得過振，以防混凝土表面因浮漿過厚而出現(xiàn)收縮裂縫。此外，在必要情況下，還可實施二次振搗及抹壓收光，以此減少混凝土表面收縮裂縫。

（4）盡量延遲拆模時間。由于混凝土拆模可視為溫度驟降的過程，拆模過早易因表面冷縮而形成裂縫，因此延遲拆模時間，可使混凝土因強度提升而減少表面裂縫。

2.3 養(yǎng)護措施

2.3.1 內(nèi)降（冷卻水循環(huán)）

對于大體積混凝土而言，為降低其內(nèi)部溫度，減小內(nèi)表溫差，抑制溫度裂縫，可采用內(nèi)部通水冷卻（需在混凝土澆筑前預埋冷卻管）的方式進行溫度控制。在實際操作過程中，對于降溫速率根據(jù)經(jīng)驗可按1.0～1.5℃/d進行控制，如此可不會出現(xiàn)明顯裂縫；當混凝土標號＞C40時，可適當提升溫降速率至 2.0～3.0℃/d。

2.3.2 外保（保溫保濕）

在降低混凝土內(nèi)部溫度的同時，加強混凝土外部養(yǎng)護，以減小熱量散失為目的，可于混凝土表面包裹1～2塑料薄膜后外加一層保溫材料（如保溫被，覆蓋厚度需經(jīng)計算確定），然后灑水養(yǎng)護不少于14d。需要強調(diào)的是，大體積混凝土澆筑完成后不宜立即灑水養(yǎng)護，以防因表面溫度降低而引發(fā)早期裂縫，且在灑水時可利用冷卻管循環(huán)出來的熱水進行養(yǎng)護，如此即可為混凝土硬化提供所需水分，又可提升其表面溫度，減小內(nèi)表溫差。

3 結(jié)語（經(jīng)驗總結(jié)）

基于公路橋梁大體積混凝土裂縫的預防，本文筆者經(jīng)自身實踐經(jīng)驗的總結(jié)，建議性提出以下2點措施：

（1）增設鋼筋網(wǎng)片。在鋼混結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋為拉應力的主要承載體，故而為提升結(jié)構(gòu)抗拉性能，抑制裂縫出現(xiàn)，可于構(gòu)件內(nèi)部適當增設防裂鋼筋網(wǎng)片，以此增強結(jié)構(gòu)極限拉伸強度εPa。具體配筋可參考下式（1）（經(jīng)驗公式）：

式中：Rf為混凝土設計抗拉強度，MPa；ρ為結(jié)構(gòu)截面配筋率，一般取值0.3～0.5%；d為鋼筋直徑，mm。

分析上式可知，鋼筋直徑越細、布置間距越小，混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性能提升越明顯。在具體實施過程中，施工單位可采用φ8～12@100～200的鋼筋網(wǎng)片來提升大體積混凝土的防裂性能。

（2）摻加合成纖維。混凝土內(nèi)摻入適量合成纖維后，會于內(nèi)部形成數(shù)以千萬計呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三維纖維，在此情況下，當處于塑性階段的混凝土發(fā)生收縮（干縮或冷縮）變形時，一旦發(fā)展至與合成纖維碰觸，便會在其牽制作用下阻止變形進一步擴大，以此實現(xiàn)混凝土裂縫的抑制。