張美華 梁少杰

摘要：隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步擴(kuò)大，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越多，如橋墩、大梁、蓋梁、橋臺(tái)等，裂縫問(wèn)題越來(lái)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(duì)橋梁工程中大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題進(jìn)行了研究，分析了裂縫產(chǎn)生的原因及應(yīng)力變化特點(diǎn)，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(shí)也會(huì)受到輸入溫度和結(jié)構(gòu)散熱的影響，從而導(dǎo)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(huì)受到很大的影響。如果溫度急劇下降，將導(dǎo)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(dǎo)熱體。在高溫環(huán)境下，其散熱能力較差。內(nèi)部溫度可達(dá)到65℃甚至更高，并可長(zhǎng)期保持。在溫差作用下，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力較大，與溫差成正比。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力達(dá)到一定水平時(shí)，會(huì)發(fā)生表面開(kāi)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(dá)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(kuò)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(yīng)力，混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力、壓應(yīng)力。一旦拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，混凝土表面就會(huì)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(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的1/20～1/10，因此主要表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)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(zhǎng)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(yàn)，當(dāng)混凝土耗水量較低時(shí)，可以降低裂縫產(chǎn)生的概率。反之，如果用水量過(guò)高，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)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(yán)格控制混合料中粗細(xì)骨料的含水量。在施工過(guò)程中，應(yīng)采用軟件方法自動(dòng)調(diào)整混凝土水灰比，嚴(yán)格控制用水量。此外，水化反應(yīng)工程中混凝土的主要性能是收縮變化，需要注意溫度應(yīng)力問(wèn)題。

2 大體積混凝土應(yīng)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(chǔ)，在傳熱過(guò)程中會(huì)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫，由于表面散熱速度慢，很難達(dá)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(shè)冷卻管的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部冷卻。通過(guò)這種人工干預(yù)，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(diǎn)。

2.1 澆筑初期

混凝土澆筑初期，溫度場(chǎng)變化迅速，彈性模量隨齡期的增長(zhǎng)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(yīng)力是早期應(yīng)力。從混凝土澆筑到水泥水化反應(yīng)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(guò)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(yīng)力引起的裂紋，應(yīng)與表面泌水和維護(hù)不當(dāng)引起的裂紋問(wèn)題區(qū)別開(kāi)來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，早期應(yīng)力引起的斷裂較深。

2.2 澆筑中期

在混凝土澆筑中期，當(dāng)混凝土與外界溫度場(chǎng)相互作用時(shí)，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生中間應(yīng)力，并與早期殘余應(yīng)力疊加，這也是導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的主要原因。從混凝土水化熱反應(yīng)結(jié)束到混凝土溫度場(chǎng)穩(wěn)定，屬于混凝土澆筑的中間階段，其特點(diǎn)是彈性模量無(wú)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(kāi)始收縮，此時(shí)混凝土的冷卻和外界溫度的變化是影響其溫度應(yīng)力的主要因素。與早期殘余應(yīng)力疊加后，混凝土內(nèi)部的應(yīng)力水平也會(huì)更高，從而產(chǎn)生裂縫問(wèn)題。

2.3澆筑后期

在澆筑后期，混凝土的應(yīng)力主要受外界環(huán)境溫度變化的影響。與早期殘余應(yīng)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(dāng)溫差較大時(shí)，混凝土內(nèi)部會(huì)形成拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致裂縫問(wèn)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(guò)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(shí)候，應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)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(jí)配石子，細(xì)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(chǎng)控制措施

3.2.1 溫度測(cè)控

大體積混凝土施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土內(nèi)外溫差的監(jiān)測(cè)，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)混凝土施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(guò)規(guī)范要求（設(shè)計(jì)要求，溫差不應(yīng)超過(guò)25攝氏度），采取措施提高混凝土外部溫度。同時(shí)最佳選擇在春秋季大體積混凝土施工、澆筑過(guò)程中，加強(qiáng)通風(fēng)，盡量避免直接曝曬。

3.2.2 控制大體積混凝土澆筑時(shí)間

澆筑振搗時(shí)，根據(jù)不同的混凝土坍落度正確掌握振搗時(shí)間，避免過(guò)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(diǎn)和最遠(yuǎn)點(diǎn)等邊緣部位。高頻振搗器應(yīng)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(hù)措施

大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)對(duì)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(hù)和施工階段，應(yīng)采取措施保護(hù)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(guò)控制溫差，及時(shí)覆蓋保溫材料，避免混凝土表面溫度迅速下降，降低內(nèi)應(yīng)力，抑制混凝土裂縫的發(fā)生。此外，還可以促進(jìn)粉煤灰的水化反應(yīng)，避免混凝土溫度梯度過(guò)大，從而降低混凝土的開(kāi)裂概率。（2）內(nèi)部冷卻措施，主要是通過(guò)在混凝土內(nèi)部設(shè)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(hù)工作可以有效地降低混凝土開(kāi)裂的概率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，大體積混凝土裂縫的控制主要可以從三個(gè)方面著手，分別是溫度控制、混凝土澆筑時(shí)間控制，材料質(zhì)量控制等，在施工的過(guò)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(qiáng)對(duì)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(jìn)我國(guó)橋梁工程的優(yōu)化與發(fā)展。

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