桥梁工程中大体积混凝土的裂缝控制

                        (中铁六局集团呼和浩特铁路建设有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000)
摘 要：本文就桥梁工程中大体积混凝土施工过程中形成裂缝的原因进行了分析，并提出了防止大体积混凝土开裂的主要技术措施。
关键词：桥梁工程；大体积混凝土；裂缝控制
中图分类号：U445.47⁺1  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2007)07—0109—02 
      随着桥梁技术的不断进步，大体积混凝土在桥梁结构中应用 的越来越多。目前 ，对于大体积混凝土内温度应力与裂缝控制多蒋中在水利工程中的大坝、高层建筑的深基础底板，而对于桥梁中大体积混凝土裂缝的研究并未得到足够的重视。
      大体积混凝土结构构件截面面积大，裂缝一般在混凝土浇注短期内形成，此时设计荷载尚未作用于结构上，因此由外荷载引起裂缝的可能性很小，主要由于水化热所产生的温度应力和混凝土的收缩应力共同作用所至。在混凝土浇筑初期水泥水化过程中释放出大量水化热，由于混凝土是热的不良导体，内部热量不易及时散发，形成热能积聚；而混凝土表面热量则能很快散发到大气中，温度上升较小，于是产生内外温差，使混凝土内部产生压应力，而面层产生拉应力，此时混凝土由于龄期短，抗拉强度较低，当拉应力超过混凝土此时的抗拉强度时，混凝土表面就会开裂，出现温度裂缝。如何控制混凝土内外温差，避免温度裂缝的发生与扩展，对提高大体积混凝土的整体性、抗渗性和耐久性至关重要。本文对此进行了分析，提出裂缝出现的原因及控制的主要措施。
1 大体积混凝土裂缝产生的主要原因
      大体积混凝土结构裂缝的发生是由多种因素引起的，各类裂缝产生的主要影响因素如下：
1.1 水泥水化热的影响
      水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的热量，如果以水泥用量350kg/m3～550kg/m3来计算 ，每立方米混凝土将释放出17　500KJ～27 500KJ的热量，从而使混凝土内部温度升高(可达70℃左右，甚至更高)。尤其对大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。因为混凝土内部和表面的散热条件不同，故混凝土中心温度很高，就会形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。
1.2 混凝土的收缩
      混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形，受到外部约束时(支撑条件、钢筋等)，将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。
1.3 外界气温湿度变化的影响
      大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温度和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温差梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。
1.4 其他因素的影响
      结构物基础的不均匀沉降也会产生裂缝，这种裂缝会随着基础沉降而不断的增大，待地基下沉稳定后，将不会变化。
      超荷载使用或未达到设计过早加荷载导致结构出现裂缝，这种裂缝称之为荷载裂缝。
      混凝土配合比不良会造成混凝土塑性沉降裂缝，一般是混凝土配合比中，粗骨料级配不连续、数量不够，砂率及水灰比不当所造成的裂缝。
2 大体积混凝土裂缝的控制措施
2.1 裂缝控制的原材料要求
2.1.1 水泥的品种及用量选择。
      理论 研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。于是，对于桥梁中的大体积混凝土应该选择低热或者中热的水泥品种。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙(C3A)，其他成分依次为硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)和铁铝酸四钙(C4AF)。另外，水泥越细发热速率越快，但是不影响最终发热量。因此，在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥，充分利用混凝土的后期强度，以减少水泥的用量。因为大体积混凝土施工期限长，不可能28d向混凝土施加设计荷载，因此将试验混凝土标准强度的龄期向后推迟至56d是合理的。正是基于这一点，国内外很多专家均提出类似的建议。这样充分利用后期强度则可以每方混凝土减少水泥40Kg～70Kg左右，混凝土内部的温度相应降低4℃～7℃。
2.1.2 掺加外加料和外加剂。在大体积混凝土中掺入一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密实度，提高抗渗能力及耐久性，改善混凝土性能，降低最终收缩值，减少水泥用量。要降低大体积混凝土的水泥水化热引起的内部温升，防止结构出现温度裂缝，利用粉煤灰作混凝土的掺和料是最有效的方法之一。外加剂可以从以下几个方面来选择：UEA膨胀剂，它可以等量替换水泥，使混凝土产生适度的膨胀。一方面保证混凝土的密实度，另一方面使混凝土内部产生压力，以抵消混凝土中产生的部分拉应力；减水缓凝剂：应保证一定的坍落度，可以延缓水化热的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的。
2.1.3 大体积混凝土的骨料控制。在骨料的选择上应该选取粒径大、强度高、级配好的骨料，可获得较小的孔隙率及表面积，从而减少水泥的用量，降低水化热，减少干缩，减小了混凝土裂缝的开展。
2.2 裂缝控制的施工措施
2.2.1 优化大体积混凝土的设计。虽然大体积混凝土不布置钢筋或者布筋较少，但还是可以在裂缝易发生部位如孔洞周围以及转角处布置一些斜筋，从而让钢筋代替混凝土承担拉应力，可以有效地控制裂缝的发展 。为了避免裂缝的出现，在设计中利用中低强度水泥，宜选用水化速度稍缓、凝结时间稍长、后期强度较高的水泥品种，其强度设计以控制后期强度满足要求为好，充分利用混凝土的后期强度。设计中要特别注意降低结构的约束度。对于混凝土中钢筋保护层的厚度应当尽量取较小值，因为保护层的厚度愈大愈容易发生裂缝。
2.2.2 控制入混凝土模温度。为了使混凝土的入模温度不高于气温且不超过30℃，不使用刚出窑的水泥，用冰水拌和混凝土，控制水温在20℃以下。在砂、石料堆放处搭设简易遮阳棚，防止太阳直射而使骨料温度过高。
2.2.3 埋设循环水冷却管。在浇筑混凝土前预设循环水冷却管，管内通入冷却循环水，采用循环法保温养护，以便加快混凝土内部的热量散发。
2.2.4 预埋测温计。为了及时掌握混凝土内部温升与表面温度变化值，可以在混凝土内埋设一定量的测温点，从而可以更好的了解混凝土的温度变化情况，一旦内外温差超过允许值20℃，以便及时采取措施。
2.2.5 大体积混凝土的养护。混凝土表面应该覆盖一些织物进行保温、保湿养护，不但可以降低混凝土内外温差，防止表面产生裂缝，还可以防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝，并且还可以使水泥顺利水化，防止产生湿度裂缝。
2.3 大体积混凝土的裂缝检查与处理
      对于混凝土裂缝，应以预防为主，为此需要精心设计、施工，但是由于目前 采用的防止裂缝的安全系数较小，而实际情况有复杂多变，所以实际工程中还是难免出现一些裂缝。大体积混凝土的裂缝分为三种：表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。对于表面裂缝因为其对结构应力、耐久性和安全基本没有影响，一般不作处理。对深层裂缝和贯穿裂缝可以采取凿除裂缝，可以用风镐、风钻或人工将裂缝凿除，至看不见裂缝为止，凿槽断面为梯形再在上面浇筑混凝土。限裂钢筋，在处理较深的裂缝时，一般是在混凝土已充分冷却后，在裂缝上铺设1～2层的钢筋后再继续浇筑新混凝土。对比较严重的裂缝可以采取水泥灌浆和化学灌浆。水泥灌浆适用于裂缝宽度在0.5mm以上时，对于裂缝宽度小于0.5mm时应采取化学灌浆。化学灌浆材料一般使用环氧——糠醛丙酮系等浆材。
3 结束语
      在控制大体积混凝土温度裂缝时既要控制混凝土的内外温差又要防止混凝土表面温度的突然变化。重视温度监测，实际施工中应随时监测混凝土内部温度和内外温差的变化趋势，并据此来调整温控措施，确保混凝土不开裂。影响大体积混凝土开裂的因素很多，应从造成裂缝的各种原因着手，采取全面防治措施，并根据工程具体情况确定防裂重点。
［参考文献］
［1］ 铁路混凝土与砌体工程施工规范.北京：中国铁道出版社,2001.
［2］ 控制大体积被覆混凝土裂缝的措施.铁道建筑技术,2004.
［3］ 混凝土结构设计规范.(GB50010-2002).  HYPERLINK “http://www.studa.net/china/”北京：中国建材工业出版社.2002.
［4］ 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准.北京：中国铁道出版社,2005.

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