公路和橋梁混凝土的施工溫度和裂縫防治措施

張寶泉

（邢臺路橋建設集團有限公司，河北邢臺 054001）

1 引言

公路和橋梁是目前使用最為廣泛的基礎建設工程，其施工重要材料——混凝土的安全耐用性對于施工單位和施工人員至關重要。混凝土具有良好的穩定性和剛度，但其結構在溫度的影響下容易產生裂縫。假如施工溫度不能得到有效控制，則公路和橋梁將會出現裂縫，影響公路和橋梁的安全使用[1]。研究對公路和橋梁混凝土結構溫度應力的產生過程和混凝土裂縫的產生機理進行深入分析，并在此基礎上給出了混凝土裂縫的防治措施，旨在提升混凝土的施工質量，使其滿足行業基本要求。

2 溫度應力的產生和混凝土裂縫機理

2.1 溫度應力產生過程

公路和橋梁混凝土的溫度應力形成過程在混凝土澆筑工序開始到放熱結束階段，可分為早、中、晚3 個階段。

早期階段，混凝土內部的溫度逐漸提升，當內部熱量的降低程度處于穩定水平時，即內部熱量不再急劇增加時，混凝土內部會出現應力，這是由于混凝土彈性模量改變而產生的參量。應力產生后，混凝土的強度會隨之發生正向變化，即混凝土內部結構的應力不斷增加，則混凝土的強度逐漸提升。在這種情況下，混凝土內部熱量的釋放速度會逐漸減慢，混凝土的強度將穩定在一定數值不會再發生變動[2]。

中期階段，混凝土內部熱量有所降低，此時彈性模量的變化程度將進一步降低，并且外界環境和內部結構的溫度將保持不變。

后期階段，外界環境和內部結構的溫度差為0，此時熱量不再從內部結構釋放到外界環境。假如外界環境溫度出現大幅度的降低或者提升，則混凝土的整體溫度將會出現相應的降低或提升，新的溫度應力會隨之形成。此時混凝土內部溫度應力會達到最大數值，表現為早期溫度應力和晚期溫度應力。圖1 是不同類型混凝土的溫度在不同澆筑時間段的曲線變化。礦渣硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的整體溫度應力曲線變化趨勢一致，但由于前種類型的水泥強度更高，水泥水熱化值在相同時間點更高，因此，前者的最大溫度應力值更高。

圖1 不同類型混凝土的溫度在不同澆筑時間段的曲線變化

2.2 混凝土裂縫形成機理

混凝土裂縫形成原因可歸結為以下兩點：前期工作準備不到位、混凝土的水化熱反應、外界溫度的影響。在前期準備工作中，混凝土施工質量的主要影響因素為配合比。在前期施工準備階段，若施工單位沒有嚴格遵循國家對混凝土配合比的相關要求和行業標準，使得混凝土中水或者水泥的摻量不滿足要求，使混凝土的強度及重度不符合要求，會導致后期應用過程中出現縫隙、坍陷、膨脹等問題。更為嚴重的情況是，水泥的含量失去平衡將會出現表面離析，混凝土結構會由于水泥含量的缺失導致結構強度不足，進而表面會出現裂縫[3]。

另外，若外加劑添加不合理，會導致混凝土發生徐變，從而引發裂縫。外加劑的應用目的是提升混凝土結構的各項性能，但不同類型和不同用量的外加劑的使用過程中，混凝土結構也可能會出現裂縫。因此，外加劑類型的選擇和用量必須合理。

在混凝土的硬化過程中，水和水泥發生反應產生水化熱，導致結構內部的溫度在短時間內迅速提升。同時，混凝土構造的路面防護體系較厚，導致水化熱的散發難度增加，進而造成了公路和橋梁的混凝土結構內外溫差過大。混凝土表面會產生較大的拉應力，當該值超過混凝土結構的極限承載力時，結構表面將出現范圍較大的裂縫。

在混凝土結構的養護階段，施工單位需要對混凝土結構進行降溫處理，主要是考慮外界環境的突然變化會造成混凝土內外部產生較大的溫差。如果遇到驟冷天氣，混凝土內部的溫度在短時間內無法快速下降，混凝土表面將會形成很大的拉應力，使結構表面形成裂縫，如圖2 所示。

圖2 混凝土裂縫

3 公路和橋梁混凝土的裂縫防治措施

3.1 優化混凝土配合比，選取合適的原材料

公路和橋梁混凝土因施工溫度導致的裂縫較為常見，但施工人員和施工單位可通過有效的治理和預防手段進行干預，能在很大程度上降低裂縫產生的概率，同時，也能減少由于裂縫的產生造成的經濟損失。因此，施工相關負責人應從施工前準備、正式施工、施工后期3 個階段制定相關的混凝土溫度控制和裂縫防治措施。施工責任人在施工準備階段應對混凝土原材料進行分析，最重要的是選擇合理的水泥材料。選擇過程遵循以下原則：首先選擇低水化熱水泥，如礦渣水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥；其次，經多次測試和試驗確定混凝土的配合比。依據不同水泥的特性，本文選擇粉煤灰硅酸鹽水泥進行探討，材料選擇過程為如下。

其一，由于粉煤灰的主要成分為MgO、CaO、Al2O3、SiO2等，高溫環境下這些成分有較高的反應活性，因此，確定MgO、CaO、Al2O3三種原材料的含量約為70%。

其二，粉煤灰顆粒的最大粒徑不超過45 um，玻璃微珠的粒徑取值范圍為10～30 um。

其三，如果需要配制的混凝土強度為高強度混凝土，則粉煤灰需選擇超細粉；反之，粉煤灰需選擇較細粉。

其四，若玻璃微珠由密實的玻璃體組成，則在配置過程中的摻水量較少；反之，若玻璃微珠由疏松的玻璃體組成，則配置過程中的摻水量較多。因此，粉煤灰的內部結構決定了混凝土配制過程中的需水量。

確定粉煤灰的組成后，進行配合比設計試驗。并通過評估指標對試驗數據進行對比。施工單位需在粉煤灰中加入減水劑，確保混凝土的和易性。

為了評估不同配合比的效果，設計減水劑、粉煤灰、水泥等材料的相容性試驗。相容性實驗可評估材料的各個組成部分是否可實現物理相容。試驗效果通過流淌時間、坍落度、泌水性、擴展度四大相容性評估指標進行分析，測試過程參考相關行業的操作流程。為了保證試驗結果的準確性，試驗由同一個人測試3 次取平均數值。正常溫濕度以及沒有外界干擾的情況下，減水劑、粉煤灰、水泥各種材料不會出現分層現象，各個材料間具有良好的相容性需滿足以下標準：流淌時間在8～30 s，擴展度最小值為470 mm，坍落度為20～180 mm，泌水性低于40%。如果粉煤灰的壓力泌水率低于40%，則可證明不會出現材料之間分層的現象。

3.2 合理控制施工階段的溫度

混凝土裂縫的產生大多數發生在混凝土施工階段，假如在該階段將溫度控制在合理范圍，則對于因溫度差的產生的裂縫防治效果更加明顯。若在炎熱季節施工，需要在混凝土澆筑過程中對澆筑厚度進行控制，便于將混凝土結構內部的水化熱在短時間內傳遞到外界，減小結構內外部溫差，混凝土澆筑最佳方案的選擇可依賴于混凝土溫度的檢測。同時，需將外界環境和混凝土內部溫度控制在約25 ℃，最大不能超過30 ℃。水泥、砂石、攪拌水的溫度需控制在25～30 ℃。正式施工前期，混凝土原材料需通過降溫措施保證溫度符合施工標準。混凝土攪拌站用到的設備需避免陽光直射，同時需視季節變化對設備進行加熱或冷卻。攪拌過程的時間應盡量短，這不僅能減少摩擦產熱，同時還能使其符合行業要求。

澆筑前期應預先在模板內設置冷凝管和溫度監控裝置，冷凝水管需和主筋交叉排列，同時需綁在豎向鋼筋管或鋼架上，并保證澆筑的混凝土能夠覆蓋每一層循環冷卻水管，然后接通水管并向模內注水，使模內混凝土溫度快速下降。澆筑完成后，可通過溫度監控裝置實時監控模內混凝土的溫度，一旦溫度差值超過標準溫差范圍，可及時注水冷卻。另外，工作人員還要記錄冷卻水管進出口的水溫。

3.3 合理控制養護階段的溫度

混凝土養護能很大程度上防止出現施工裂縫，對于公路和橋梁工程項目質量的提升至關重要。在公路和橋梁工程項目階段，養護關鍵點為防止混凝土表面的水分流失，特別是在混凝土固化過程中。混凝土水分養護包括化學養護和物理養護兩種方式，即噴膜養護和覆蓋養護。噴膜養護作為一種利用化學試劑的養護方式，通常是在拆模后在混凝土表面均勻噴灑化學養護劑，此時化學養護劑可在混凝土表面形成一個致密的薄膜層。該薄膜層能杜絕混凝土內部水分散失，確保混凝土的濕度保持在合理數值內。但該方法的投入成本較高，目前僅適用于塔柱、橋梁高墩、掛籃旋澆梁結構。覆蓋養護是在混凝土上方搭建保溫棚以降低外界溫度和混凝土結構內部溫度的差值，或者覆蓋塑料薄膜、巖棉、麻袋等保溫材料。

除此之外，混凝土養護階段也可通過冷卻管對內部溫度進行合理控制，冷卻管可通過真空壓漿和注漿方式進行處理，以提升混凝土工程的整體強度，冷卻管需注意水的流速和溫度。另外，需注重混凝土的最佳養護時間，經多名研究學者的實驗證實，混凝土養護的最佳時間為澆筑完成后15 d 內。

4 結語

本文對公路和橋梁混凝土的施工溫度及產生裂縫機理進行分析，并在此基礎上提出了裂縫防治措施。施工單位在制定裂縫防治措施時需針對施工前準備、正式施工、施工后期3 個階段進行考慮。施工前需優化混凝土配合比，選取合適的原材料；正式施工階段需采取冷凝管、測溫管等措施對溫度進行控制；施工后期階段需選取合適的養護方法對內部溫度進行實時監控。研究結果可為混凝土裂縫的防治提供建議，進而提升公路和橋梁工程混凝土結構的質量。