淺談客專工程中大體積混凝土裂縫的成因與防治

宋 健, 王慶華

1中鐵七局集團鄭州工程有限公司 2河南省建筑設(shè)計研究院有限公司

高速鐵路客運專線鐵路工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計均提出了設(shè)計使用年限100年的要求，對混凝土結(jié)構(gòu)而言，尤其是客運專線的建設(shè),大體積混凝土在客運專線大型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已經(jīng)變得非常普遍。然而，混凝土在國內(nèi)外的應(yīng)用實踐表明，開裂問題已成為亟待解決。裂縫影響著工程進度，更給結(jié)構(gòu)本體造成不可預(yù)知的損傷,大大降低了結(jié)構(gòu)的使用性能。因此,有必要通過對開裂問題尤其是早期裂縫產(chǎn)生的原因進行綜合分析,總結(jié)出比較符合實際的建議和措施,切實解決混凝土施工過程中出現(xiàn)的裂縫問題,提高施工質(zhì)量。

1 大混凝土施工裂縫分類

大體積混凝土裂縫的類型大致可以分為三種:

1）收縮裂縫:混凝土的收縮引起的裂縫。

2）溫差裂縫:混凝土內(nèi)部和外部的溫差過大產(chǎn)生裂縫。

3）安定性裂縫:安定性裂縫表現(xiàn)為龜裂，主要是因水泥安定性不合格而引起。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常具有以下特點:1）混凝土是脆性材料，抗拉強度只有抗壓強度的1／10左右；2）大體積混凝土的斷面尺寸較大,由于水泥的水化熱會使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升以及在以后的降溫過程中,在一定的約束條件下會產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力;3）大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋或者不配鋼筋，因此，拉應(yīng)力要由混凝土本身來承擔(dān)。

2.1 水泥水化熱的影響

水泥水化過程中放出大量的熱,且主要集中在澆筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500 J左右的熱量，如果以水泥用量350 kg/m3～550 kg/m3來計算,每立方米混凝土將放出17 500 kJ～27 500 kJ的熱量,從而使混凝土內(nèi)部溫度升高（可達70℃左右，甚至更高）。尤其對于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因為混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

2.2 混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下這種自發(fā)變形受到外部約束時（支承條件、鋼筋等），將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結(jié)硬過程中產(chǎn)生的體積變化,后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。

2.3 外界氣溫濕度變化的影響

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系,外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快，會造成很大的溫度應(yīng)力，極其容易引發(fā)混凝土的開裂。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會加速混凝土的干縮，也會導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

3 對混凝土裂縫的控制

3.1 材料的控制

施工工藝是保證混凝土構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵。施工操作應(yīng)嚴(yán)格按照施工技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定進行,對原材料(鋼筋、水泥、砂、碎石、水等)進行嚴(yán)格的抽樣檢驗,對混凝土成份比進行測試;在高溫下或雨后施工還應(yīng)對砂、碎石進行含水量測試,以及時調(diào)整施工配合比,確保施工質(zhì)量。

3.2 混凝土拌和澆筑

混凝土應(yīng)嚴(yán)格按配合比計量投料,拌和時間應(yīng)在l～2 min或更長。澆筑時分層澆筑，分層厚度不應(yīng)大于30 cm,振搗時應(yīng)讓振搗棒插入前層5～l0 cm,振搗時間為lmin左右,直至排出氣泡為止。

3.3 混凝土坍落度的控制

混凝土坍落度是混凝土施工檢測手段,主要用于評價混凝土拌和物的和易性。在施工過程中準(zhǔn)確控制坍落度,可提高混凝土的內(nèi)在強度及混凝土表面光潔度。若在施工時忽略高溫下的坍落度會降低混凝土的和易性及粘性,從而出現(xiàn)離析現(xiàn)象,使得混凝土構(gòu)件表面出現(xiàn)蜂窩、麻面、露砂等缺陷,減弱土的內(nèi)在強度。

3.4 混凝土運輸

混凝土運輸是混凝土施工過程中的一道工序,在此工序中應(yīng)保證運輸工具不滲漏、不析水、避開日曬雨淋。在運輸過程中,混凝土不能離析,運輸時間不應(yīng)長于30 min，在高溫下運輸應(yīng)及時檢測混凝土坍落度,并補充蒸發(fā)造成的水分損失,及時調(diào)整坍落度。

3.5 混凝土養(yǎng)生

養(yǎng)生的目的是減少混凝土內(nèi)外溫差,防止混凝土表面裂縫,增強混凝土內(nèi)在強度?；炷琉B(yǎng)生的方法有灑水養(yǎng)生、薄膜養(yǎng)生、蒸汽養(yǎng)生等。在橋梁施工中多采用灑水和薄膜兩種養(yǎng)生方法。在混凝土澆筑完畢后,應(yīng)立即對混凝土構(gòu)件進行覆蓋,保持濕潤。養(yǎng)生時間不應(yīng)少于7天。養(yǎng)生使混凝土具有足夠的耐久性和強度,并且減少混凝土構(gòu)件變形,避免混凝土過分泛白,或因收縮而發(fā)生裂縫。

3.6 混凝土溫度控制方法

1）混凝土的生產(chǎn)、運輸、澆筑和溫度及表面養(yǎng)護，是保護大體積混凝土溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)外溫差△T:

式中:Tp—起始澆筑溫度；Tr—水泥水化溫升；Tf—天然或人工冷卻后澆筑塊的穩(wěn)定溫度。

2）大體積混凝土內(nèi)部最高溫度計算

在大體積混凝土施工前先進行混凝土絕對升溫計算,以便預(yù)先采取相應(yīng)措施降低溫度，改變約束條件，防止混凝土裂縫，確保大體積混凝土的施工質(zhì)量?；炷羶?nèi)部的最高溫度Tmax按下式計算:

式中:T0—混凝土的澆筑入模溫度(℃);W—每立方米混凝土中水泥的用量 (kg/m3)；F—每立方米混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)；Q—每千克水泥水化熱(J/kg)；C—混凝土的比熱；r—混凝土的密度；ξ—不同厚度的澆筑塊散熱系數(shù)，可參考客運專線鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南相關(guān)。

4 結(jié)語

大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫,產(chǎn)生裂縫的原因很多,情形也非常復(fù)雜,不僅要嚴(yán)格控制混凝土自身收縮,還應(yīng)在施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)上進行科學(xué)合理控制,及時采取相應(yīng)適當(dāng)?shù)拇胧?就能有效地控制大體積混凝土施工過程中大部分裂縫的產(chǎn)生,從而提高混凝土的施工質(zhì)量,延長其壽命。對橋梁工程中大體積混凝土的裂縫原因與控制進行深入系統(tǒng)的研究，對工程質(zhì)量、安全、節(jié)能、環(huán)境與勞動保護等方面都具有重大的意義，保證了又快又好的客專建設(shè)。

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