公路與橋梁混凝土施工溫度與裂縫防治分析

摘要：施工溫度是影響公路與橋梁混凝土工程建設(shè)的主要因素之一。施工溫度若控制不合理，容易使得公路橋梁產(chǎn)生裂縫，影響道路的穩(wěn)定性和安全性。文章在闡述溫度應(yīng)力對公路與橋梁的影響基礎(chǔ)上，分析了公路與橋梁混凝土裂縫的發(fā)生機理，并提出混凝土溫差裂縫防治策略。

關(guān)鍵詞：混凝土;施工溫度;裂縫

文獻標(biāo)識碼：U418.6-A-09-024-3

0 引言

混凝土是公路與橋梁工程建設(shè)的重要材料，從結(jié)構(gòu)形態(tài)來看，其具有較為突出的剛度和穩(wěn)定性，能夠充分滿足公路與橋梁項目的耐久性需要。然而混凝土結(jié)構(gòu)受溫度影響較大，一旦不能合理地控制施工溫度，勢必導(dǎo)致道路產(chǎn)生裂縫，影響公路與橋梁的穩(wěn)定性和安全性。本文就公路與橋梁混凝土施工溫度與裂縫防治的對策展開分析。

1 溫度應(yīng)力對公路與橋梁的影響

約束應(yīng)力與自生應(yīng)力是公路與橋梁混凝土裂縫的兩種主要形式。就約束應(yīng)力而言，其主要是受到外界溫度變化而引起的。具體而言，部分公路與橋梁的建設(shè)時間跨度較長，這使得工程溫度變化明顯，施工過程中，已完成施工部分與正在建設(shè)部分的固化環(huán)境較為惡劣，由此給公路與橋梁結(jié)構(gòu)增加了一定的作用力，影響了結(jié)構(gòu)的整體性。而自應(yīng)力變化是由混凝土結(jié)構(gòu)本身的特征所引起的，其在建設(shè)及使用過程中，本身產(chǎn)生一定的約束作用力，由此對內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致公路與橋梁出現(xiàn)了裂縫。

根據(jù)混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生的時間差異，人們將混凝土中的溫度應(yīng)力分為三個階段。早期階段從澆筑混凝土開始，一直持續(xù)到混凝土放熱結(jié)束（見圖1）。在該階段內(nèi)，已澆筑的混凝土本身會發(fā)生水化熱反應(yīng)，這使得其內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生劇烈變化，影響混凝土的彈性模量。當(dāng)混凝土放熱結(jié)束后，混凝土性質(zhì)會逐漸趨于穩(wěn)定，這一時間段為混凝土溫度應(yīng)力的中期階段。與溫度應(yīng)力早期階段相比，這一階段的彈性模量變化雖然不夠明顯，但其仍然會產(chǎn)生些許應(yīng)力，并且這些新產(chǎn)生的應(yīng)力會與早期階段余下的應(yīng)力相互重疊，并對公路與橋梁產(chǎn)生綜合作用。溫度應(yīng)力到達晚期時，材料本身已經(jīng)完全冷卻，此時，其應(yīng)力變化主要是由于外界環(huán)境變化所引起的。

2 公路與橋梁混凝土裂縫發(fā)生機理

2.1 混凝土發(fā)生自縮

公路與橋梁工程建設(shè)中，混凝土本身會發(fā)生一定的自縮反應(yīng)，這與混凝土原材料的選擇和應(yīng)用有較大關(guān)系。（1）水泥是造成混凝土自縮的重要原因。通常，在水泥硬化過程中，其水分消耗和蒸發(fā)量能達到20%，同時，其余的水分會通過末期外部變化進一步流失，這使得水分蒸發(fā)與混凝土自縮的平衡關(guān)系被打破[1]。工程建設(shè)中，一旦水泥中水分蒸發(fā)量過大，且明顯超出混凝土的自縮值，則會產(chǎn)生較為嚴重的混凝土裂縫問題。（2）混凝土自縮還與外加劑的應(yīng)用有一定關(guān)系。外加劑應(yīng)用的目的在于提升混凝土材料自身的功能屬性，在一定程度上，外加劑會影響混凝土的流動速度，確?；炷翝仓拿軐嵭?，然而外加劑類型、用量不同，其對混凝土的影響也就不同，因此為防止混凝土產(chǎn)生自縮裂縫，需注重外加劑和用量的合理選擇。此外，混凝土材料中包含了一定的礦物質(zhì)材料，與外加劑不同的是，礦物質(zhì)材料本身不會對混凝土造成影響，然而當(dāng)用量設(shè)計不合理時，水泥的自縮值會受到一定的影響，由此間接影響了混凝土材料的性能，導(dǎo)致公路與橋梁出現(xiàn)裂縫。

2.2 混凝土水化熱反應(yīng)

水化熱反應(yīng)是混凝土工程建設(shè)中的一種常見現(xiàn)象，項目施工中，水泥會釋放出一定的熱能，這些熱量會隨著澆筑施工傳遞到公路與橋梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)路橋工程混凝土用量較大時，這些熱量很難有效地散發(fā)出去，同時，混凝土構(gòu)造的路面防護體系相對較厚，這使得混凝土路面具有一定的聚合作用，其導(dǎo)致水熱化中釋放的熱量無法及時散出，由此造成了公路與橋梁內(nèi)外溫度差異較大。當(dāng)內(nèi)外溫度應(yīng)力超出混凝土設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，就會產(chǎn)生一定的破壞，導(dǎo)致公路與橋梁發(fā)生裂縫。

2.3 施工環(huán)境變化

相比于其他結(jié)構(gòu)形式，混凝土公路與橋梁本身具有較強的穩(wěn)定性和耐久性。然而在施工中，其不可避免地會受到熱脹冷縮這一自然現(xiàn)象的影響。項目施工中，一旦外界施工環(huán)境發(fā)生驟然變化，混凝土結(jié)構(gòu)本身也就會受到一定的影響，當(dāng)溫度升高時，混凝土表面的溫度較高，水分蒸發(fā)較快，極易產(chǎn)生干縮裂縫;而當(dāng)溫度降低時，混凝土結(jié)構(gòu)外部溫度低，內(nèi)部溫度高，內(nèi)部熱力膨脹會對外界阻礙形成一定的沖擊，并在一定溫差下產(chǎn)生裂縫。

3 公路與橋梁混凝土溫差裂縫防治

3.1 注重溫度應(yīng)力變化

公路與橋梁混凝土溫差裂縫防治過程中，首先應(yīng)控制混凝土溫度應(yīng)力的變化情況。（1）水泥的拌和會產(chǎn)生一定的熱量，因此在施工中應(yīng)合理地設(shè)計水泥的實際用量，即施工人員應(yīng)在考慮工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合水泥基本屬性進行添加。需注意的是，可通過選用低水化熱水泥進行水化熱溫度控制，如采用f45、f60、f90代替f28水泥等（見表1），這樣能將水泥水化熱反應(yīng)控制在預(yù)期目標(biāo)之內(nèi)，減少水化熱對公路與橋梁結(jié)構(gòu)的影響。（2）在溫度控制中，應(yīng)合理選擇公路與橋梁建設(shè)的季節(jié)，減少外界溫度因素對混凝土的影響。如遇到惡劣天氣施工時，應(yīng)做好澆筑混凝土的防曬及避雨處理，防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。此外，隨著現(xiàn)代施工工藝的成熟，人們開始采用強制措施進行混凝土公路與橋梁施工溫度的控制，如在大體積混凝土內(nèi)部溫度控制中，可采用人工注水的方式平衡混凝土內(nèi)外溫度，以此來提升工程項目的建設(shè)質(zhì)量。

3.2 優(yōu)化混凝土抗裂性能

混凝土材料是影響公路與橋梁建設(shè)質(zhì)量的重要因素。在施工過程中，施工人員還可通過優(yōu)化混凝土抗裂性能的方式進行溫差裂縫控制。（1）在材料選擇中，應(yīng)注重水泥材料的合理選取，盡可能地減少水泥水分的蒸發(fā)量。（2）添加劑影響著水泥的流動速度和自縮值，在混凝土添加劑的選擇中，應(yīng)考慮添加劑本身的自縮性能，防止施工中出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。當(dāng)施工條件允許時，可引入一定的金屬纖維，這樣能提升混凝土的抗裂性，并最終提升公路與橋梁工程的施工質(zhì)量。（3）技術(shù)人員應(yīng)進行行之有效的試驗測試，做好不同比例下材料應(yīng)用性能的記錄，并從中選擇最優(yōu)比例的混凝土進行施工，從源頭上保證工程項目建設(shè)質(zhì)量。

3.3 注重約束力控制

地基基礎(chǔ)的約束力控制措施為：

（1）弱化混凝土內(nèi)部的約束力。這是由于在施工中，混凝土內(nèi)部溫度增加會使得材料的約束力受到影響，此時，通過保溫措施可使得溫度對內(nèi)應(yīng)力的影響降至最低，從而減少其對混凝土結(jié)構(gòu)的影響。

（2）在外部地基約束力控制中，需注重混凝土澆筑厚度的有效控制，這樣既避免了混凝土對地基的影響，同時也有效地保證了內(nèi)外溫度的均衡。

（3）控制約束力還應(yīng)注重移動層設(shè)置的有效優(yōu)化，最大限度地確保移動層與混凝土結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，避免公路與橋梁發(fā)生裂縫。需注意的是，完成混凝土橋梁施工后，還應(yīng)注重橋梁抗裂性能的有效計算。如針對全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，其抗應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件（如表2所示）。

3.4 規(guī)范混凝土保養(yǎng)

優(yōu)化混凝土保養(yǎng)能有效地提升工程項目建設(shè)質(zhì)量，防止其產(chǎn)生施工裂縫。在公路與橋梁工程養(yǎng)護時，防止混凝土表面失水是其控制的核心所在。對此，應(yīng)注重對混凝土固化過程中失水的有效控制，尤其是混凝土表面，應(yīng)盡可能地覆蓋保濕膜，防止水分過快蒸發(fā)出現(xiàn)干縮裂縫。其次，采用注水法進行混凝土內(nèi)部溫度控制，應(yīng)結(jié)合水的溫度進行其流速的合理管理。同時在冷卻管設(shè)計中，應(yīng)對冷卻管進行注漿或者真空壓漿處理，提升混凝土工程的整體強度。最后，還需嚴格控制混凝土的養(yǎng)護時間，通常，公路與橋梁工程養(yǎng)護時間應(yīng)≥14 d，以此有效保證公路與橋梁建設(shè)的質(zhì)量。

4 結(jié)語

施工溫度對于公路與橋梁工程建設(shè)具有較大影響，其是造成公路與橋梁施工裂縫的重要原因。工程項目建設(shè)中，人們只有充分認識到溫度應(yīng)力對公路與橋梁的影響，并在探究公路與橋梁混凝土裂縫發(fā)生機理的同時，規(guī)范化地進行防治處理，才能有效地避免工程項目出現(xiàn)溫差裂縫，提升公路與橋梁建設(shè)質(zhì)量。

參考文獻

[1]侯 偉.公路與橋梁混凝土的施工溫度控制及其裂縫對策[J].低碳世界，2018（2）：244-245.

收稿日期：2021-03-18

作者簡介：

趙有富（1983—），工程師，主要從事公路工程監(jiān)理及計量工作。