桥梁工程中大体积混凝土的裂缝成因及防治对策

吴同国

（江苏金堰交通工程有限公司，江苏 泰州225500）

0 引言

随着公路工程技术的突飞猛进，大体积混凝土在桥梁结构中应用的越来越多。我国普通混凝土配合比设计规范规定：混凝土结构物中实体最小尺寸不小于1m的部位所用的混凝土即为大体积混凝土；美国则规定为：任何现浇混凝土，只要有可能产生温度影响的混凝土均称为大体积混凝土。

目前，国内外对机械荷载引起的开裂问题研究得较为透彻。而对温度荷载引起的有关裂缝的研究尚不充分。我们应对此加以重视，防止危害结构的裂缝产生。另外，对于大体积混凝土内温度应力与裂缝控制多集中在桥梁工程中的底板、箱身等。在工程施工过程中，由于水泥的水化热作用，混凝土浇筑后需要经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这个过程中，混凝土的体积随之伸缩、凝固、易出现裂缝。因此，广大工程建设者都在积极探究裂缝产生的原因，寻求能有效防止裂缝出现的措施和途径，根据大体积混凝土热量大、散热慢等特点，采取相应措施，对施工过程进行控制。本文将对此进行分析，探讨裂缝出现的原因及控制对策。

1 大体积混凝土裂缝产生的原因

大体积混凝土在施工阶段之所以会产生裂缝，是其内外因素共同作用的结果。要控制大体积混凝土的裂缝，首先必须弄清裂缝产生的原因，才能有的放矢，对症下药，实施有效控制。

1.1 收缩裂缝

混凝土凝结硬化时体积减小，这种混凝土的自发变形，在受到外部环境约束时，将使混凝土中产生拉应力，致使混凝土开裂。在硬化初期主要是表现在混凝土凝结硬化过程中产生的体积变化，后期主要是自由水分蒸发而引起的干缩变形。

1.2 温度裂缝

1）混凝土升温阶段产生的裂缝：大体积钢筋混凝土结构，浇筑后水泥的水化热很大，由于混凝土体积大，聚积在内部的水泥水化热不易散出，混凝土的内部温度显著升高，从而形成较大的内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。如果在混凝土表面附近存在较大的温度梯度，就会引起较大的表面拉应力，而此时混凝土的龄期很短，抗拉强度很低，当温差产生的表面拉应力超过此时混凝土极限抗拉强度时，就会在混凝土表面产生裂缝。

2）混凝土降温阶段产生的裂缝：当混凝土降温时，由于逐渐散热而产生收缩，再加上混凝土硬化过程中，由于混凝土内部拌和水的水化和蒸发，以及胶质体的胶凝等作用，促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩，在收缩时由于受到基底或结构本身的约束，会产生很大的收缩应力（拉应力），如果产生的收缩应力，超过当时混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝，这种收缩裂缝有时会贯穿全断面，成为结构性裂缝，带来严重危害。

2 防治大体积混凝土裂缝开展的对策

采用施工技术措施应从控制温升，延缓降温速率，减少混凝土收缩，提高混凝土极限拉伸强度，改善约束程度等方面着手。

2.1 原材料控制

1）合理选择材料品种：为减少水泥水化热引起过大温升，应采用中低热水泥，诸如粉煤灰水泥、矿渣水泥等，考虑在混凝土中掺粉煤灰，以使用普通水泥为宜；为减少混凝土的收缩，应选用干缩值小的材料，如山砂、碎石等；为有利于混凝土内部热量的散失，应选用导温系数大的砂石骨料，如石灰岩、石英岩、白云岩等。

2）确保材料的质量：骨料级配良好，粗骨料粒径5～40mm，尽量采用中砂，严格控制砂、石子的含泥量（石子在1%以内，砂在2%以内）等，确保各组成材料的质量符合规范要求。

3）选用合适的外加剂：使用减水剂，以减少水泥用量、改善和易性；使用缓凝剂，以减缓混凝土浇筑速度，以利散热；使用膨胀剂，以补偿混凝土收缩；添加化工纤维，增加混凝土抗拉强度。在实际工程中，可结合具体情况组合使用，如底板可采用缓凝型减水剂，闸墩用膨胀型减水剂等。

2.2 优化配合比设计

1）在满足强度、和易性、耐久性的前提下，尽量减少单位水泥用量。混凝土中单位水泥用量每增减10kg，水泥水化后的温度将增减1℃，减少单位水泥用量，有利于降低水泥水化热引起的绝热温升，从而减小混凝土内外温差。

（1）掺加适量的粉煤灰。对于大体积混凝土厚度不大，在满足强度、和易性、耐久性的前提下，掺量以15%～20%为宜。如厚度超过2m，在大体积混凝土内部可适当加大粉煤灰掺量。另粉煤灰愈合能力强，也有利于减少混凝土裂缝。使用时，粉煤灰质量应达到Ⅰ级灰标准。

（2）抛块石。在大体积混凝土中抛10%～15%的坚硬无裂缝、干净的大块石，规格为150～300mm。抛块石除了可减少水泥用量，降低水泥水化热外，石块本身可吸收热量，也使水化热进一步降低。在混凝土结构中部配筋少的部位，宜多抛块石，并保持石块间的间距10～15cm，注意块石底部不能积水，块石分布均匀。

（3）合理使用外加剂。如减水剂可大大改善混凝土的工作性能，同时减少水及水泥用量10%左右，降低了水泥水化热。

2）砂率不宜过大，在满足泵送混凝土前提下，尽可能选较小的砂率。砂率过大，混凝土的抗裂性能将降低，混凝土的干燥收缩加大，易产生收缩裂缝。

3）水灰比不宜大于0.5。水灰比大，混凝土内部孔隙增多，将使混凝土的强度和抗裂性能降低。在实际工程中，对混凝土配合比确定的水灰比和坍落度值，应严格控制。

2.3 注重施工过程的控制

2.3.1 采用切实可行的施工工艺，合理组织施工

1）上下层混凝土浇筑间隔时间控制在5～7d为宜。实际施工时可能有难度，但上层施工速度应尽可能快，以减少下层混凝土对上层混凝土的约束。

2）混凝土中每层铺料厚度不宜超过30cm，以利散热，并使温度分布较均匀，及时抽走泌水，同时便于振捣密实，以提高弹性模量。

3）混凝土浇筑速度保持均衡，浇筑高度均衡上升，以改善约束条件，削减温度应力。

4）合理选择混凝土的浇筑时间，外界气温以10～30℃为宜；夏季降低入仓温度15～20℃为宜，可采用石子喷水预冷、地下水拌和、运输过程遮盖、仓面搭棚等措施；冬季应采取必要的保温措施。

2.3.2 确保混凝土施工质量

混凝土的拌和、运输、浇筑应严格执行合同规定。对混凝土表面可采用二次振捣，并加强抹面，以提高混凝土表面的抗裂度。

2.3.3 加强对混凝土的养护

1）冬季采用保温养护，延长养护时间，减少大体积混凝土内外温差。水平面上用薄膜加草袋（或彩条布）覆盖，用此方法可使混凝土表面增加10～15℃，立面上推迟拆模时间，外挂草袋，并注意适当洒水养护。对下部混凝土结构拆模后应及时回填土。

2）夏季应针对混凝土升、降温这两个不同阶段采取相应措施：①升温阶段，养护以降低混凝土表面温度为原则。采用草袋覆盖，并尽可能多的洒水养护，有条件的可采用灌水养护法，以利于混凝土内部水化热的散失，降低其内部最高温度，从而相应减小混凝土的内外温差。②降温阶段，养护以提高混凝土表面温度为原则。一般5d后开始降温时，在水平面上用薄膜加草袋覆盖；立面上推迟拆模时间(7d后），并注意洒水养护，用此方法可延缓降温速度，减小混凝土内外温差。

另应高度重视测温工作（前5d每2h测1次，5d后每4h测1次），发现温差过大，辩证采取保温或降温措施，防止裂缝的产生。

2.4 大体积混凝土的裂缝处理

对于混凝土裂缝，应以预防为主，为此需要精心设计、施工。但是由于目前采用的防止裂缝的安全系数较小，而实际情况又复杂多变，所以具体工程中还是难免出现一些裂缝。混凝土裂缝的处理措施主要有以下一些方法：表面修补法，灌浆、嵌逢封堵法，混凝土置换法，电化学防护法，仿生自愈合法等。其中前两种方法运用较多。现简述如下：

1）表面修补法：表面修补法是一种简单、常见的修补方法，通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料，在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂，通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。

2）灌浆、嵌逢封堵法：灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补，它是利用压力设备将胶结材料压人混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。

嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法，它通常是沿裂缝凿槽，在槽中嵌填塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等；常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

3）混凝土置换法：混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法，此方法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换人新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。

4）电化学防护法：电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态，钝化钢筋，以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的3种方法。

5）仿生自愈合法：仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法，它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分(如含粘结剂的液芯纤维或胶囊)，在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。

3 结束语

虽然大体积混凝土易产生温度裂缝和收缩裂缝，但只要在设计、施工工艺、材料选择及养护过程中能够精细化考虑，并及时采取合理的处治措施，就能避免或减少裂缝的出现。在公路工程建设实践中应做到：

1）在大体积混凝土施工时要全面和有针对性的考虑施工方案，尽可能利用国内较先进的施工技术及控制方法。

2）要做充分的施工准备，把影响质量的关键问题量化、细化、分解到具体措施上。

3）材料控制及检测要规范，在施工过程中严格按技术方案要求执行，操作和指挥一致，实施和检查一致。

4）施工中混凝土自身升温时间很短，大约在浇筑后的三到五天，此时混凝土基本处于塑性弹塑性状态，约束力很低。降温阶段，约束拉应力随时间增加，由于许多施工条件难以预测，不能用线性理论的方法，要利用相似的工程其裂缝控制实测数据及降温曲线，以近似值作参照。

总之，对桥梁结构中的大体积混凝土施工，裂缝虽易产生，但只要有针对性地采取必要的技术组织措施，严格按混凝土结构工程施工及验收规范，精心施工，严格按科学规律办事，就能有效地控制大体积混凝土结构的裂缝。

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