橋梁大體積混凝土裂縫原因及控制措施分析

張美華 梁少杰

摘要：隨著交通基礎設施的進一步擴大，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的應用越來越多，如橋墩、大梁、蓋梁、橋臺等，裂縫問題越來越受到工程界的關(guān)注。裂縫的出現(xiàn)不僅影響了橋梁的美觀，而且降低了橋梁的整體抗壓能力。因此，采取有效措施將大體積混凝土的裂縫控制在容許范圍內(nèi)具有重要意義。本文對橋梁工程中大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題進行了研究，分析了裂縫產(chǎn)生的原因及應力變化特點，并且提出了幾種裂縫控制措施，以期為今后的相關(guān)工程提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：橋梁大體積混凝土;裂縫原因;控制措施

1 橋梁大體積混凝土裂縫原因

1.1 溫度變化

溫度變化是引起混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的主要原因，尤其是大體積混凝土。在混凝土澆筑初期，由于水泥水化熱的影響，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度較高。同時也會受到輸入溫度和結(jié)構(gòu)散熱的影響，從而導致與混凝土表面溫度的差異。在外界環(huán)境溫度的變化下，混凝土的表面溫度會受到很大的影響。如果溫度急劇下降，將導致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大?；炷两Y(jié)構(gòu)是一種不良的導熱體。在高溫環(huán)境下，其散熱能力較差。內(nèi)部溫度可達到65℃甚至更高，并可長期保持。在溫差作用下，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力較大，與溫差成正比。當混凝土結(jié)構(gòu)的應力達到一定水平時，會發(fā)生表面開裂。

1.2 水泥水化熱

大體積混凝土澆筑后，由于水泥水化放出的熱量使混凝土內(nèi)部溫度升高（高達70℃左右，甚至更高），由于混凝土內(nèi)部和表面的冷卻條件不同，大體積混凝土內(nèi)部溫度不易擴散，從而形成從中心到外部的溫度梯度，內(nèi)外溫差變形，溫度應力，混凝土表面產(chǎn)生拉應力、壓應力。一旦拉應力超過混凝土的極限抗拉強度，混凝土表面就會出現(xiàn)裂縫，不利于構(gòu)件的工作。

1.3 混凝土收縮

混凝土屬于脆性材料，其抗拉強度一般為抗壓強度的1/20～1/10，因此主要表現(xiàn)為抗壓強度。短期荷載作用下，混凝土極限拉伸變形為（0.6～1.0）×10-1，長期荷載作用下，混凝土極限拉伸變形為（1.2～2.0）×10-4。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，當混凝土耗水量較低時，可以降低裂縫產(chǎn)生的概率。反之，如果用水量過高，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫問題。特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于厚度的增加和浮漿量的增加，必須嚴格控制混合料中粗細骨料的含水量。在施工過程中，應采用軟件方法自動調(diào)整混凝土水灰比，嚴格控制用水量。此外，水化反應工程中混凝土的主要性能是收縮變化，需要注意溫度應力問題。

2 大體積混凝土應力分析

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，單次澆筑的尺寸一般較大。在絕熱環(huán)境中，混凝土內(nèi)外的溫度變化主要以絕熱溫升曲線的形式出現(xiàn)?；炷翝仓┕ね瓿珊?，由于混凝土結(jié)構(gòu)和自然環(huán)境中的空氣、水等構(gòu)件基礎，在傳熱過程中會損失部分熱量。這也是混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差的主要原因。工程中若僅采用表面散熱法對混凝土結(jié)構(gòu)進行降溫，由于表面散熱速度慢，很難達到良好的散熱效果。因此，目前許多工程采用在大體積混凝土中埋設冷卻管的方法來實現(xiàn)內(nèi)部冷卻。通過這種人工干預，可以提高混凝土結(jié)構(gòu)的降溫效果，但仍表現(xiàn)出內(nèi)部溫度高、外部溫度低的特點。

2.1 澆筑初期

混凝土澆筑初期，溫度場變化迅速，彈性模量隨齡期的增長而明顯增大?；炷两Y(jié)構(gòu)中積聚了大量的熱量，產(chǎn)生的應力是早期應力。從混凝土澆筑到水泥水化反應結(jié)束，這一階段將持續(xù)約30天。在混凝土內(nèi)部溫度升高的過程中，如果外部環(huán)境溫度下降，在熱脹冷縮的影響下，混凝土表面容易產(chǎn)生裂縫。這種早期溫度應力引起的裂紋，應與表面泌水和維護不當引起的裂紋問題區(qū)別開來。一般來說，早期應力引起的斷裂較深。

2.2 澆筑中期

在混凝土澆筑中期，當混凝土與外界溫度場相互作用時，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生中間應力，并與早期殘余應力疊加，這也是導致混凝土開裂的主要原因。從混凝土水化熱反應結(jié)束到混凝土溫度場穩(wěn)定，屬于混凝土澆筑的中間階段，其特點是彈性模量無明顯變化，混凝土處于冷卻狀態(tài)。在這種情況下，混凝土體積開始收縮，此時混凝土的冷卻和外界溫度的變化是影響其溫度應力的主要因素。與早期殘余應力疊加后，混凝土內(nèi)部的應力水平也會更高，從而產(chǎn)生裂縫問題。

2.3澆筑后期

在澆筑后期，混凝土的應力主要受外界環(huán)境溫度變化的影響。與早期殘余應力疊加后，使用壽命可能結(jié)束，均屬于澆注后期。在這一階段，混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量趨于穩(wěn)定，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因是內(nèi)外溫度的突變。當溫差較大時，混凝土內(nèi)部會形成拉應力，最終導致裂縫問題。

3 減少大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的措施

3.1 材料質(zhì)量控制措施

混凝土出現(xiàn)裂縫主要原因就是混凝土水泥水化過程釋放大量熱量，使混凝土內(nèi)外受力不同產(chǎn)生裂縫，所以在選材的時候，應該優(yōu)先選擇水化熱較小的水泥，例如：中熱硅酸鹽水泥。大體積混凝土配料要添加一定量的粉煤灰，粉煤灰能降低水泥水化熱，提高和易性，增強抗?jié)B能力，而且還能降低水泥的用量，極大地提高混凝土強度，所以大體積混凝土要添加一定量的粉煤灰。粗骨料優(yōu)先選用5mm-20mm粒徑的連續(xù)級配石子，細骨料優(yōu)先選用中砂，這樣的骨料空隙較小，能夠減少水泥的使用量，產(chǎn)生的水化熱較小，減少干縮，能夠控制混凝土裂縫的出現(xiàn)。

3.2 施工現(xiàn)場控制措施

3.2.1 溫度測控

大體積混凝土施工時，應加強對混凝土內(nèi)外溫差的監(jiān)測，采用計算機模擬技術(shù)對混凝土施工過程中的動態(tài)監(jiān)測進行計算機模擬，并記錄混凝土結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度變化，一次發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)外溫差超過規(guī)范要求（設計要求，溫差不應超過25攝氏度），采取措施提高混凝土外部溫度。同時最佳選擇在春秋季大體積混凝土施工、澆筑過程中，加強通風，盡量避免直接曝曬。

3.2.2 控制大體積混凝土澆筑時間

澆筑振搗時，根據(jù)不同的混凝土坍落度正確掌握振搗時間，避免過振或漏振。薄層澆搗均勻上升，便于散熱，抓住混凝土流淌的最近點和最遠點等邊緣部位。高頻振搗器應盡量垂直插入，插入快，牽引慢，排列均勻。采用二次振搗和二次抹面技術(shù)，清除混凝土中的水分和氣泡。

3.3 養(yǎng)護措施

大體積混凝土的養(yǎng)護對結(jié)構(gòu)裂縫的控制具有重要作用。在大體積混凝土的養(yǎng)護和施工階段，應采取措施保護混凝土的外部溫度，盡量減小混凝土內(nèi)外溫差。具體包括：（1）外保溫措施，通過控制溫差，及時覆蓋保溫材料，避免混凝土表面溫度迅速下降，降低內(nèi)應力，抑制混凝土裂縫的發(fā)生。此外，還可以促進粉煤灰的水化反應，避免混凝土溫度梯度過大，從而降低混凝土的開裂概率。（2）內(nèi)部冷卻措施，主要是通過在混凝土內(nèi)部設置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，減少混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。具體可分為初期和后期兩種部署模式。在初始階段，可以降低混凝土的水化熱峰值，減小內(nèi)外溫差。后期主要是滿足接縫灌漿的要求，控制混凝土的溫度變化。養(yǎng)護工作可以有效地降低混凝土開裂的概率。

4 結(jié)語

綜上所述，大體積混凝土裂縫的控制主要可以從三個方面著手，分別是溫度控制、混凝土澆筑時間控制，材料質(zhì)量控制等，在施工的過程中借助于合理方法有效降低大體積混凝土內(nèi)外溫差，減小混凝土裂縫的產(chǎn)生。還需要加強對混凝土施工材料的質(zhì)量控制，提高橋梁工程的整體穩(wěn)定性，從而促進我國橋梁工程的優(yōu)化與發(fā)展。

參考文獻：

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