橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工的防裂技術(shù)探討

毛鑫

（桐廬縣公路管理段，浙江 桐廬 311500）

0 引言

橋梁承臺(tái)是連接樁基礎(chǔ)和橋墩的重要結(jié)構(gòu)，能夠更加均勻地將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到下部樁基礎(chǔ)中。對(duì)于大跨徑橋梁而言，由于橋梁整體荷載水平較高，需要更大尺寸的承臺(tái)才能有效地承載墩柱或者索塔，而將上部軸力和彎矩均勻而有效地傳遞到下部結(jié)構(gòu)中。大體積的承臺(tái)施工面臨開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榛炷敛牧献陨硖匦允沟闷渌磻?yīng)中產(chǎn)生大量的熱量，混凝土澆筑水化熱與周邊環(huán)境溫度形成的差異，很容易在混凝土表面形成溫差效應(yīng)從而引起早期混凝土開(kāi)裂，另外混凝土材料自身收縮特性等也使得大體積混凝土施工中的開(kāi)裂問(wèn)題更加突出[1]。

承臺(tái)開(kāi)裂會(huì)影響橋梁的安全與耐久性能，因?yàn)榇蠖鄶?shù)橋梁承臺(tái)處于水下環(huán)境或者水與空氣作用區(qū)域，這使得承臺(tái)的侵蝕較為容易，因此需要確保承臺(tái)不能開(kāi)裂。本文首先分析橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工中開(kāi)裂的原因，基于開(kāi)裂原因，經(jīng)分析提出施工防裂技術(shù)，從而降低施工中橋梁承臺(tái)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

1 橋梁承臺(tái)大體積混凝土開(kāi)裂原因分析

1.1 大體積混凝土開(kāi)裂機(jī)理分析

大體積混凝土相對(duì)于常規(guī)混凝土的差別是厚度與長(zhǎng)度、寬度的比值不同，導(dǎo)致其相對(duì)厚度很小，在混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱量，大體積混凝土表面的熱量散發(fā)效率遠(yuǎn)大于內(nèi)部熱量的散失，使得混凝土內(nèi)外溫差很大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。具體而言，由于大體積混凝土表面與環(huán)境直接接觸，溫度散失較快；內(nèi)部混凝土水化熱量消散很慢，導(dǎo)致內(nèi)部溫度遠(yuǎn)大于外部溫度，外部混凝土約束內(nèi)部熱量的散失，導(dǎo)致表面受拉出現(xiàn)開(kāi)裂，其裂縫的分布不是受力裂縫，因此沒(méi)有明顯分布規(guī)律。

1.2 橋梁承臺(tái)開(kāi)裂原因分析

根據(jù)大體積混凝土的開(kāi)裂機(jī)理分析，影響大體積混凝土開(kāi)裂的主要因素是水泥水化放熱、環(huán)境溫度變化、混凝土自身收縮性能、養(yǎng)護(hù)措施等[2]、[3]。以下對(duì)這些影響因素進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)分析。

（1）混凝土水化熱?；炷恋乃嗨療崾钱a(chǎn)生內(nèi)外熱量不均衡的最直接原因，如果水泥的水化放熱較慢，則在施工過(guò)程中會(huì)使得內(nèi)部熱量不斷累積，溫度迅速上升，更容易產(chǎn)生混凝土裂縫。水化放熱的大小與水泥種類(lèi)、標(biāo)號(hào)等級(jí)、礦物組成等高度相關(guān)，需要根據(jù)大體積混凝土的面積和厚度確定適宜的水泥品種。

（2）環(huán)境溫度變化。由于水泥水化顯著放熱效應(yīng)會(huì)使得內(nèi)部局部上升到70～80℃，而環(huán)境溫度即便采取相關(guān)保溫措施也很難達(dá)到上述溫度，這使得大體積混凝土施工必然存在環(huán)境與混凝土內(nèi)部溫度的偏差。如果環(huán)境溫度出現(xiàn)突然的下降，則極大地增加了開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要避免環(huán)境溫度的驟然降低。

（3）混凝土收縮特性。混凝土具有顯著的干縮性能，在大體積混凝土澆筑過(guò)程中，如果環(huán)境溫度較低，則混凝土表面與外界環(huán)境進(jìn)行非常頻繁的熱交換，導(dǎo)致混凝土的水分大量蒸發(fā)，從而導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)干燥收縮效應(yīng)。內(nèi)部混凝土由于水分散發(fā)較慢，表面混凝土水分散發(fā)較快，導(dǎo)致表面混凝土收縮效應(yīng)顯著，梯度收縮效應(yīng)直接導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。

（4）混凝土養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?？紤]到外界環(huán)境對(duì)于大體積混凝土開(kāi)裂的顯著影響，養(yǎng)護(hù)不當(dāng)也會(huì)引起混凝土的開(kāi)裂。我國(guó)對(duì)于混凝土的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)條件是在溫度18～22℃下，濕度不低于95%情況下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。很多施工現(xiàn)場(chǎng)并不嚴(yán)格執(zhí)行該養(yǎng)護(hù)條件，使得混凝土表面的溫度和濕度不能得到保證，溫度過(guò)低則會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，濕度不足則會(huì)使得混凝土發(fā)生干縮產(chǎn)生裂縫。

2 大體積橋梁承臺(tái)防裂技術(shù)

通過(guò)適當(dāng)?shù)幕炷琉B(yǎng)護(hù)措施，可以有效地控制橋梁承臺(tái)大體積混凝土表面的溫度和濕度，使得裂縫能夠得到有效控制。綜合而言，開(kāi)裂控制措施可以從混凝土原材料控制、施工防護(hù)措施和養(yǎng)護(hù)管理措施三個(gè)角度進(jìn)行考慮[4]。

2.1 混凝土原材料控制

水化發(fā)熱是產(chǎn)生大體積裂縫的直接原因，而優(yōu)化混凝土的水泥種類(lèi)、配合比、水泥含量等，可以降低水化熱效應(yīng)，提高混凝土抗拉強(qiáng)度。

首先，對(duì)水泥種類(lèi)的選擇與優(yōu)化。為了使得混凝土具有較低的開(kāi)裂敏感性，可以使得水泥在早期具有較大的彈性模量和強(qiáng)度，這可以使得水泥具有較好的預(yù)壓應(yīng)力，保證在后期因?yàn)楦鞣N約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力水平低于材料的抗裂極限，從而降低裂縫的出現(xiàn)概率。另一方面，應(yīng)該盡量在保證混凝土材料和易性和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，盡量減少水泥的用量以降低水化熱，同時(shí)可以采用火山灰取代部分硅酸鹽水泥。實(shí)踐證明：其不僅可以降低水化熱量的發(fā)展，還能夠達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

其次，摻入適當(dāng)?shù)耐饧觿??？紤]摻入減水劑、引氣劑和超塑劑等，減少水泥的用量，同時(shí)保證混凝土的工作性能及預(yù)設(shè)水膠比；也可以考慮采用礦物摻合料取代部分水泥，例如火山灰、粉煤灰、礦渣、石粉等。

最后，改善骨料級(jí)配和選擇，采用熱膨脹系數(shù)低的集料以降低混凝土的溫度變形，從而降低混凝土在收縮過(guò)程中產(chǎn)生的約束應(yīng)力。例如，可以采用碎集料，使得集料表面與水泥膠等具有很好的粘結(jié)性能，即便在約束應(yīng)力作用下由于其良好的粘結(jié)性能，使得開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

良好的混凝土配比，可以有效地降低混凝土材料的水化熱，改善其抗裂性能，降低初始缺陷，提高大體積混凝土的結(jié)構(gòu)性能。

2.2 施工防護(hù)措施

從施工角度而言，嚴(yán)格控制混凝土表面的溫度和濕度，降低混凝土澆筑溫度、延緩較少內(nèi)外表面溫差，避免溫度驟降等問(wèn)題，都可以有效地控制橋梁承臺(tái)大體積混凝土早期裂縫。

首先，控制混凝土的澆筑溫度。降低混凝土澆筑溫度可以在澆筑過(guò)程中降低水化熱的呈現(xiàn)結(jié)果，從而減少整體的施工溫度。例如，可以對(duì)骨料和水泥進(jìn)行事前冷卻的方式，凍結(jié)骨料和水泥，或者摻入冰塊等降低澆筑的溫度，此外還可以通過(guò)在拌合裝置中注入液氮的方式進(jìn)行降溫。另外，還需要結(jié)合各種降溫措施的經(jīng)濟(jì)效益予以選定。

其次，人工控制硬化混凝土的溫度，降低溫度峰值和溫度差值。例如，通過(guò)在大體積混凝土中植入冷水管，通過(guò)循環(huán)冷水的方式進(jìn)行冷卻；通過(guò)植入鋼管，循環(huán)冷空氣的方式進(jìn)行混凝土內(nèi)部的冷卻；通過(guò)在表面覆蓋保溫材料的方式，減少內(nèi)外溫差并降低表面的溫度梯度效應(yīng)。

最后，選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)行承臺(tái)混凝土施工，由于環(huán)境溫度對(duì)于承臺(tái)大體積混凝土開(kāi)裂的顯著影響，應(yīng)該盡可能選擇在環(huán)境溫度比較平穩(wěn)的時(shí)機(jī)進(jìn)行承臺(tái)混凝土施工，避免在環(huán)境溫度變化較大的天氣施工。

總而言之，這些措施的目的都是保證大體積混凝土的內(nèi)部和外部溫度的差別不大，從而降低溫度開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，避免水分的過(guò)渡散失。

2.3 養(yǎng)護(hù)管理措施

混凝土施工的養(yǎng)護(hù)措施同樣可以控制開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。大體積混凝土早期開(kāi)裂的直接原因是表面暴露在較低的環(huán)境溫度中，或者在較高的表面溫度中，或者因?yàn)楦煽s原因，特別是在混凝土澆筑的早期，水化熱仍然處于升溫階段，對(duì)于表面溫度的變化非常敏感。一般而言，可以從以下幾個(gè)方面注意養(yǎng)護(hù)措施的合理性：

首先，控制模板的脫模時(shí)間。在混凝土澆筑早期，由于水化熱量集聚，而混凝土自身的抗裂性能較低，這個(gè)時(shí)間段進(jìn)行脫模將直接導(dǎo)致開(kāi)裂，一般在混凝土澆筑2 d后才能進(jìn)行脫模。

其次，進(jìn)行絕熱保溫。當(dāng)外界環(huán)境溫度很低時(shí)，應(yīng)該對(duì)大體積混凝土表面進(jìn)行絕熱保溫，避免內(nèi)外溫差過(guò)大產(chǎn)生開(kāi)裂，保溫層的撤離應(yīng)該分層撤去，避免全部一次性撤離導(dǎo)致表面冷激出現(xiàn)溫差開(kāi)裂。

最后，適時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)。需要保證表面混凝土的濕度，避免干縮裂縫的產(chǎn)生，可以采用表面灑水養(yǎng)護(hù)或者采用密封劑，特別是夏季施工中應(yīng)該避免陽(yáng)光直射，導(dǎo)致表面濕度失衡。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某跨江公路大橋?yàn)殡p塔中央索面斜拉橋結(jié)構(gòu)，主墩16#、17#鉆孔灌注樁施工，承臺(tái)構(gòu)造采用圓形，構(gòu)造示意如圖1所示，承臺(tái)直徑22 m，厚5 m。由于該橋承臺(tái)處于深水沖刷區(qū)環(huán)境，橋梁承臺(tái)如果出現(xiàn)裂縫對(duì)于整體橋梁的耐久性影響非常顯著，因此需要在施工過(guò)程中采取措施避免開(kāi)裂。

圖1 承臺(tái)構(gòu)造圖（單位：cm）

3.2 防裂施工技術(shù)

為了有效地控制該大體積承臺(tái)混凝土施工過(guò)程可能出現(xiàn)的開(kāi)裂問(wèn)題，綜合采用了下述措施進(jìn)行裂縫控制：

（1）優(yōu)化混凝土的配合比。優(yōu)化配合比在水化熱控制上起到的作用較為明顯，可以顯著降低混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱量。該工程對(duì)混凝土材料控制其粉煤灰摻入量不高于膠凝用量的30%，可以降低水化熱量29%左右。

（2）分層澆筑。承臺(tái)的混凝土工程量較大，為了降低澆筑過(guò)程混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大的問(wèn)題，采用整體分層的方法將混凝土從豎向進(jìn)行劃分，通過(guò)分層澆筑有效地降低內(nèi)外溫差。

（3）預(yù)留變形縫。對(duì)于超大體積混凝土，可以采用留置變形縫的方法進(jìn)行施工，即人為將混凝土劃分為多個(gè)區(qū)段分別進(jìn)行澆筑，在溫度降低到一定程度后再通過(guò)現(xiàn)澆接縫將各部分連接為整體。

（4）設(shè)置管冷設(shè)備。對(duì)于承臺(tái)大體積混凝土，為了有效控制溫度裂縫，在承臺(tái)混凝土中設(shè)置管冷系統(tǒng)。即在混凝土澆筑過(guò)程中通過(guò)冷水循環(huán)將熱量進(jìn)行疏散，降低水化熱引起的溫度上升。

（5）冷凝混凝土骨料。采用冷卻骨料的方法將骨料中摻入冰塊，使得澆筑過(guò)程中水化放熱能夠得到控制。

通過(guò)上述施工措施，該橋梁承臺(tái)混凝土在施工過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)任何裂縫，取得了良好效果。

4 結(jié)論

大跨徑橋梁往往采用大尺寸承臺(tái)結(jié)構(gòu)，有效地將上部結(jié)構(gòu)荷載均勻地傳遞到下部樁基礎(chǔ)中。然而，大體積承臺(tái)施工面臨開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，主要原因是混凝土中水泥水化產(chǎn)生大量熱量，加上與環(huán)境的溫差效應(yīng)及混凝土的收縮特性，容易開(kāi)裂。本文詳細(xì)歸納了大體積混凝土開(kāi)裂的機(jī)理，分析了橋梁承臺(tái)大體積混凝土開(kāi)裂的原因，并提出了防裂控制技術(shù)，降低施工中橋梁承臺(tái)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，為橋梁承臺(tái)施工質(zhì)量控制提供參考。