跨長城大橋大體積混凝土施工中裂縫的預防、控制措施

焦建偉

（甘肅信達建設咨詢有限公司，甘肅蘭州730000）

1 工程概況

該橋位于甘肅省武威盆地南緣山前沖、洪積平原區，地形較為平坦、開闊，為跨越明長城遺址而設。該橋位于縱坡4.9‰的單面坡上，設計中按正做斜置，即吊桿垂直于梁體。其平面位于直徑500m 的圓曲線上，按直線梁設計，采用平分中矢布置。該橋為曲梁直做，采用單T 形橋臺，橋臺與梁對齊，梁縫為15cm。該橋位于寒冷地區，主體結構設計使用年限為100年。

該橋上部結構采用1 孔123m 下承式梁拱組合結構，拱軸線采用二次拋物線，矢跨比f/L=1/5，理論計算跨度L=123m。橫橋向設置兩道拱肋，拱肋中心間距為12.4m。主梁為預應力鋼筋混凝土簡支箱梁，采用單箱雙室截面，采用滿堂支架分段現澆施工，鋼管拱肋在主梁及支架上拼裝合龍，即梁部采用先梁后拱的施工方法。主梁全長127.5m，設計強度等級為C55混凝土2726.0m3。主梁除梁端部加高至3.5m 外，其余梁高均為3.0m。 跨中主梁頂寬13.5m，底寬11.5m，拱腳處一定范圍內梁底加寬至14.5m，頂寬加寬至14.5m。主梁端部13.75m 采用C55 纖維混凝土，并與拱腳混凝土一同澆筑，纖維摻量1.2kg/m3。主梁跨中邊腹板厚55cm，中腹板厚40cm，拱腳處分別加厚至205cm 和130cm。主梁跨中頂、底板厚分別為40cm和35cm，端部分別加厚100cm 和130cm。

2 大體積混凝土施工裂縫產生的原因

2.1 混凝土塑性收縮變形產生裂縫

混凝土需要一段時間才會硬化，在此期間如果出現大風或干燥天氣，會使混凝土表面失去水分，引起毛細管壓力，使表面收縮，進而出現裂縫。這種狀態下的裂縫，互不連貫且長短不一，會呈現出中間寬、兩端細的特征[1]。深入分析可知，出現裂縫的根本原因是施工前期混凝土強度較低，遇到大風或高溫環境，造成混凝土水分蒸發的速度變快，且無法得到有效補充，這種狀態下的混凝土處于塑性，一旦受到外力就會出現裂縫，裂縫會促使水分進一步蒸發，水分蒸發會使裂縫更大，形成惡性循環[2]。

影響混凝土開裂的原因有內部原因和外部原因，其中，內部原因有混凝土細骨料泥砂含量、凝結時間、水灰比，外部原因有環境溫度、濕度、風速等。

2.2 溫度升高導致裂縫

混凝土在凝固、硬化期間，由于內部的膠凝材料會發生化學反應，產生大量的水化熱，所以會導致混凝土內、外升溫速度加快，使外部和內部溫度差變大，致使內部膨脹比外部更大，超過表面受力后就會產生裂縫，且混凝土初期的強度較低，一旦出現裂縫將會持續擴大[3]。

2.3 混凝土發生堿—骨料反應產生裂縫

如果混凝土中的粗、細骨料中含有活性礦物質，當攪拌混凝土后，混凝土中的堿性離子會與活性骨料產生化學反應，吸收大量的游離水分，體積也會逐漸增大，導致混凝土酥松、膨脹開裂[4]。

3 大體積混凝土澆筑后產生裂縫的預防、控制措施

3.1 加強原材料的選用和控制

第一，應選用強度等級為52.5 級的普通硅酸鹽水泥，高質量的水泥會在混凝土凝結期間產生較好的穩定性和較低的水化熱現象，形成大體積混凝土結構內、外較小的溫差，從源頭上降低裂縫的產生概率。水泥的細度越小，水化反應的放熱速率就越低，造成大體積混凝土裂縫的概率也就越小。水泥中過量的C3A 物質會導致其水化速度加快，并釋放大量的熱量，加大混凝土的收縮，破壞混凝土的抗裂性能，最終產生裂縫，嚴重時甚至會破壞混凝土的耐久性。需對水泥的細度和C3A 應加以控制[5]。《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB 10424—2018）中規定，普通硅酸鹽水泥的細度（比表面積）為300～350m2/kg，水泥中C3A 含量≤8.0%。水泥中的堿還會與混凝土中的骨料進行反應，增加其開裂的趨勢，所以必須要將水泥中的堿含量控制在0.6%以下，比如可以采用低堿普通硅酸鹽水泥。

第二，細骨料的選擇。細骨料選用了級配合理、質地堅固、吸水率低、含泥量低、泥塊含量小、空隙率小、細度模數在2.5～33.0 之間的潔凈天然河砂。并且按照《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》對細骨料的礦物組成和堿活性礦物類型進行鑒別和快速砂漿棒法試驗，膨脹率在0.20%以下為合格。

第三，粗骨料的選擇。粗骨料選經錘式破碎機生產的粒行良好、級配合理、質地堅固、吸水率低、線脹系數小的潔凈花崗巖碎石，巖石抗壓強度大于等于橋梁設計強度等級的兩倍，即大于等于110MPa。其中，粒徑是5～310mm、10～316mm、16～325mm 的三級配碎石，使骨料具有盡可能小的空隙，從而降低混凝土的膠凝材料用量，降低混凝土表面產生裂縫的可能。混凝土用粗骨料的含泥量、泥塊含量進行分級檢驗，不合格的分級骨料不可用于混凝土施工。按照《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》對粗骨料的礦物組成和堿活性礦物類型進行鑒別和快速砂漿棒法試驗，膨脹率在0.20%以下為合格。

第四，摻和料選擇。在混凝土中加入粉煤灰、粒化高爐礦渣粉等活性礦物摻和料，可以減少膠凝材料中水泥的用量，改善混凝土的工作性，提高抗壓強度和耐久性能，預防混凝土裂縫的產生。

摻入F 類Ⅰ級顏色均勻、不含有油污等雜質的粉煤灰，這類粉煤灰中含有較多的Al203，在拌和過程中能夠與水泥中的Ca(OH)2 發生反應，產生性能更穩定的水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣物質，有利于混凝土硬化。不僅如此，粉煤灰中存在的硅鋁氧化物還能起到一定的催化效果，加劇水泥與水的二次反應，不斷降低大體積混凝土的熱脹反應。燒失量也是影響混凝土性能的因素之一，粉煤灰燒失量大，摻和到混凝土中，會增加混凝土坍落度，且不容易被搗實，使封孔固化和致密效應降低，且未燃燒顆粒還會吸附混凝土中的外加劑。一定要控制粉煤灰的燒失量，不得超過5.0%。同時還要控制CaO 的含量，以避免其與硫酸根離子、C3A 結合生產鈣礬石，導致混凝土開裂加劇。在該項目施工中，不得使用氧化鈣含量超過10%的粉煤灰。

在水泥中添加礦渣粉后，水泥流動性會變好，且能降低水化熱，提高后期的混凝土強度。礦渣粉能夠改善混凝土的內部結構，提高其抗腐蝕和抗滲透性能。另外，混凝土的水化速度降低，也延長了混凝土的凝結時間，便于混凝土的運輸，特別是有利于大體積混凝土的澆筑操作。為了保證最佳的改善效果，要將礦粉的細度（比表面積）控制在400～500m2/kg 之間。

從微觀層面上分析發現，礦粉和粉煤灰中存在大量的球形、玻璃狀態的細小顆粒，添加到混凝土中可以提高和易性，且這些摻和了粉料的細小顆粒還能改變水泥顆粒的空隙，使水泥堆積更加緊密，提高混凝土的初期強度。將火山灰和粉煤灰結合使用，還能夠提高混凝土的綜合性能，避免出現裂縫。

第五，外加劑的選擇。選擇摻加高性能聚羧酸系（緩凝型）減水劑，其作用是減少混凝土拌和時的用水量，從而提高混凝土的耐久性，減少混凝土澆筑后的開裂現象，改善混凝土拌和物施工時的和易性、提高混凝土的強度及其他物理力學性能，減少水泥用量。

該橋處于寒冷地區，施工時間為8月至9月，氣溫較高。按照減水劑的1%，在混凝土中摻入少量稀釋后氣泡間距系數≤300um 的引氣劑，使混凝土中產生大量的微小氣泡，改變混凝土的微觀結構，以此大幅提高混凝土的抗凍性能。另外，加入適量的引氣劑，還能降低混凝土的用水量，抑制泌水率，同時還能在一定程度上改善混凝土的勻質性及工作性。這主要是因為引氣劑能確保水在混凝土拌和物中以更穩定的懸浮狀態存在，可以有效緩解骨料底部漿體泌水或沉降問題，從而達到減少開裂的目的[6]。

第六，混凝土原材料儲存和運輸時，應采取有效措施，防止水泥、礦物摻和料受潮，應選擇出廠時溫度較低的散裝水泥。粉煤灰、礦粉摻和料儲存在防潮、防水的罐里，粗、細骨料儲存在具有防曬、防水、防污染的料倉里，嚴格按照生產和儲存要求管理混凝土原材料，要在固定的存放地點做好標示工作，注明原材料的種類、名稱、廠家等，同時還要寫明材料的進場時間，保留材料的檢驗合格證明。為了防止粗骨料在運輸和裝卸過程中其級配發生變化，可通過對粗骨料實行分級采購、分級運輸、分級堆放，確保骨料具有良好的級配。

3.2 科學、合理地選擇最優配合比

第一，配合比的選擇。配合比是保障混凝土性能最重要的參數指標，在保證工作性能優良、力學性能和耐久性能滿足設計要求的前提下，膠凝材料可選用粉煤灰和粒化高爐礦渣粉代替部分水泥，減少水泥水化放熱反應而產生的混凝土開裂現象，同時也降低混凝土的成本；外加劑使用了引氣劑和聚羧酸系高性能減水劑（緩凝型）雙摻的方法，能夠減少30%以上的混凝土拌和用水量，控制較小的水膠比，能夠延長混凝土的凝結時間，降低新拌混凝土在凝結硬化過程中的開裂現象。其原料用量如表1所示。

表1 選用的配合比每方混凝土各項原材料用量如下（kg/m3）

第二，施工配合比調整。開展混凝土施工前，應檢測粗、細骨料的實際含水率，并根據粗、細骨料的實際含水率調整拌和物設計的配合比的用水量。

3.3 施工控制

第一，混凝土結構施工前，必須要做好各項工作的檢驗，尤其是對混凝土配合比、施工機械、工藝方案等方面的檢驗。另外，混凝土拌和物出廠前，應進行坍落度、含氣量和溫度的測定。測定其溫升和內外溫差，如發現問題，應及時調整。混凝土應在拌和站集中攪拌，計量系統在使用前，應對其進行檢定和校準，水泥、礦物摻和料、外加劑和拌和用水稱量偏差，應控制在≤1%范圍內，粗、細骨料稱量偏差，應控制在≤2%的范圍內。

第二，跨長城大橋分三段六次進行澆筑。第一段為跨長城大橋底板、腹板、中隔梁澆筑，中間為54m 頂板、翼板及護欄基礎澆筑；第二段為圓臺端底板、腹板澆筑，圓臺端頂板、翼板澆筑；第三段為集臺端底板、腹板澆筑，集臺端頂板、翼板澆筑。為避免混凝土水化熱引起開裂，腹板沿橋縱向每隔3.0m 設置10cm 的通風孔一處，架設內徑40mm、壁厚3mm 的散熱管，配制HZS150G 混凝土攪拌站一套，容量為12m3的運輸罐車6 輛，大型混凝土輸送泵車2 臺，位于大橋兩側，并同時、對稱澆筑，如圖1所示。

圖1 2 臺泵車同時泵送混凝土澆筑施工

第三，混凝土澆筑選擇早晨氣溫較低時，進行連續澆筑，混凝土的入模溫度控制在30oC 以下，與混凝土接觸的介質溫度不超過40oC，做好溫度測量工作，如圖2所示。新澆筑的混凝土與領接硬化的混凝土介質間的溫差不大于15oC。混凝土的澆筑過程中，應充分控制分層流水澆筑及振搗，振搗時間和振搗半徑以混凝土密實為原則，避免過振和漏振，有利于加速水泥水化熱反應能量擴散的同時，也有利于混凝土抗裂性能的提升。對于大體積混凝土擁有較大面積的情況，施工人員應將表面振搗、壓實、抹平，防止表面出現裂縫。澆筑時，應安排專人配合預埋熱電偶測溫。澆筑后，應在混凝土外表面蓋上塑料薄膜，進行保濕、保溫處理。

圖2 混凝土澆筑入模前進行溫度測量

第四，拆除鋼筋混凝土模板時，要注意混凝土與周邊環境的問題，要保證混凝土結構的芯部、外表面、室外環境三者之間的溫差小于20oC。當溫差不滿足時，即內部結構芯部初始降溫或急劇降溫時，不得拆模。拆模后大體積混凝土表面溫度降幅應≤9oC，中心溫度不高于25oC 時，才可對大體積混凝土進行拆模，如果控制不好拆模時間，會因內外溫差過大而形成溫度梯度，對大體積混凝土產生疊加應力，從而產生混凝土裂縫。

3.4 混凝土的養護及溫度控制

澆筑完畢1h 內，對新澆混凝土進行覆蓋。混凝土澆筑完成4h 后開始灑水，使混凝土表面濕潤，這樣既能防止干縮裂縫，又能防止外界高溫倒灌，澆筑10h后進行灑水養護。養護期間，不同部位應每隔4h 測溫一次并記錄，保證混凝土芯部溫度小于60oC。測溫時若發現混凝土溫度異常，應立即采取措施，直至溫度符合要求。養護時間為28d。跨長城大橋澆筑養護28d 并達到設計強度后，專業檢測人員應用刻度放大鏡對混凝土結構表面檢查有無裂縫，如圖3所示。

圖3 專業檢測人員檢查跨長城大橋有無裂縫

4 結語

通過對原材料的合理選擇、對各項指標的嚴格控制以及配合比的優化、科學合理的施工、測溫監控和有效的養護措施，實現了武威國投公司鐵路專用線跨長城大橋大體積混凝土澆筑完成后的無裂縫效果。