浅谈桥梁混凝土裂缝的控制与温度应力的关系

赵静

摘要： 混凝土的开裂影响了桥梁的外观性、稳定性和耐久性，危害结构安全。论文分析了在施工过程中桥梁混凝土裂缝的产生原因，通过实验和数据，介绍了如何控制温度应力以达到控制裂缝开裂的问题，并提出对桥梁混凝土裂缝控制的一些建议。

关键词：混凝土裂缝，温度应力、裂缝控制

1、 概述

改革开放以来，随着社会的高速发展，我国高等级公路与桥梁的建设驶入了快速轨道。特别是施工技术与建筑材料的不断提升与革新，桥梁建设不仅仅要在安全、美观、经济、功能这些方面满足要求，还要向大跨度方向发展，这对我们工程技术人员来说是一种新的挑战。如何减少施工过程中桥梁混凝土裂缝的产生，一直是技术人员关注的问题。如果能够掌握裂缝产生的原因，我们就可以有针对性的寻找控制裂缝的方法，从而保证了施工质量，这对于我国桥梁建设与发展有着重大的意义。

2、 裂缝的成因

现如今，混凝土作为一种家喻户晓的建筑材料，广泛用于道路桥梁、港口、大坝等工程中。混凝土具有热胀冷缩的物理性质，当外部环境或结构内部温度发生变化时，混凝土如果不能自由伸缩与膨胀，则会在其结构内产生拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会导致裂缝的产生。

造成混凝土结构产生裂缝的原因有许多，例如：混凝土原材料不均因造成的离析现象；施工工艺不合理；施工质量低劣；施工温度和湿度的变化；外部荷载等。但总体说来，温度变化对结构应力状态的影响最为重要，这是因为温度变形受约束在混凝土内部结构产生的应力往往较其他外载引起的应力大，并对结构产生不利的影响。例如：当混凝土浇筑块到了后期冷却阶段因温度变化产生的拉应力可达每平方厘米几百牛顿，严重时能形成贯穿裂缝。因此，掌握温度应力的变化规律对于减少施工裂缝的出现极为重要。

3、 温度应力

桥梁混凝土在硬化过程中，由于水泥的水化作用产生大量水化热，使混凝土快速升温。而大体积混凝土的结构较厚，导热不良，相对散热较小，所以大量的热聚集在结构内部。无论是升温还是降温，混凝土结构内部温度总是高于混凝土表面温度。在这期间，混凝土因为温度的升降变化引起的应力称为温度应力。

3.1、温度应力的分类与控制

根据引起应力的原因，温度应力可分为两类【2】：

1） 自身应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果其内部温度是非线性分布的，那么结构本身互相约束而出现的温度应力称为自身应力。例如桥墩，当混凝土冷却时内部温度比表面温度高，在表面就会出现拉应力，在中间就会出现压应力。

2） 约束应力：结构的全部或者部分边界受到外部约束，温度变化时不能自由的变形，从而产生的温度应力称为约束应力。例如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。

自生应力是产生混凝土表面裂缝的原因，约束应力是产生混凝土深层裂缝的原因。解决约束应力的方法之一是改善边界约束条件，当混凝土同龄期抗拉强度足以抵抗外界约束力时，混凝土就不会产生深层裂缝。而对于内约束力来说，决定其大小的是混凝土内部温度不均匀程度，采用的浇筑方法不同，混凝土结构内部产生的温度不一样，应力性质也会随之发生变化。要想避免因约束应力产生的早期裂缝，必须严格控制施工期间（升温和降温阶段）混凝土的内外温差。

3.2、温度应力的发展

随着龄期的变化，混凝土结构的温度应力发展分为早期、中期和晚期三个阶段：

1） 早期阶段是从混凝土浇筑开始到水泥放热作用基本结束为止。这个阶段有两个特点：一是水泥水化释放出的大量热引起温度场急剧变化；二是混凝土弹性模量的急剧变化，这两者会使混凝土结构内部形成残余应力。

2） 中期阶段是从水泥放热作用基本结束到混凝土冷卻到最终稳定温度为止。这个时期产生的温度应力，由混凝土冷却及外界温度变化而产生的应力与早期阶段形成的残余应力相叠加而成。

3） 晚期阶段是指混凝土完全冷却后的运行时期。由外界气温和水温的变化所造成的应力与前两阶段的残余应力相叠加，从而形成了混凝土结构晚期温度应力。

3-1 混凝土温度和弹性模量的变化过程

混凝土刚浇筑完毕时，如果不能完全散热，那么混凝土的温度将沿绝热温升曲线上升，实际上浇筑层顶面和侧面可以散失一部分热量，混凝土温度上升到最高温度Tp+Tr后开始下降。当上层铺设新的混凝土后，受水化热的影响老混凝土的温度略有回升；过了第二个温度高峰后，温度会继续下降。在降温的过程中，由于受到外界气温变化，温度还会随着时间有一定的波动，最终降到稳定温度Tf。

4、 温度裂缝的控制方法【1】【3】

桥梁混凝土施工过程中所产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果，一方面是混凝土结构内外温差产生的应力，另一方面是混凝土结构本身的抗拉强度，当这种应力超过了混凝土结构可以承受的抗拉强度时，温度裂缝就会产生。如果采用适当的控制措施使混凝土结构内外温度变化在一定的范围内，就可以避免一些裂缝。

这些控制措施贯穿于混凝土施工的全过程，主要有：选择混凝土成分降低水化热、降低混凝土浇筑温度、合理进行分块分层浇筑、控制拆模时间和养护保温等。

4.1、选择混凝土成分降低水化热

水泥的水化过程是桥梁混凝土中主要的温度因素，因此降低混凝土的发热量是最重要的措施。

4.1.1、采用低水化热的水泥

在满足混凝土设计要求的前提下，尽量采用水化热低的水泥，如中热硅酸盐水泥和低热量的矿渣水泥。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的水化热较高，在施工过程中一般不宜使用，早强型水泥也不宜使用。例如：黄石长江大桥承台采用的是矿渣水泥，日本明石海峡大桥锚碇基础连续墙采用的是中热硅酸盐水泥40%，矿渣40%，粉煤灰20%三种成分混合的低热水泥。

4.1.2、掺粉煤灰

粉煤灰的水化热小于水泥的，可以用适量的粉煤灰取代一部分水泥以达到削减水化热的产生量。经试验数据得出掺粉煤灰可有效降低水化热约15%（掺水泥量的15%）。另外，优质粉煤灰的需水性较小，可降低混凝土的单位用水量，还可以减小混凝土的自生体积收缩，有利于防裂。

4.1.3、采用减水剂

掺减水剂可以有效的减少水和水泥的用量，达到降低混凝土温度的目的。缓凝型减水剂有抑制水泥水化的作用，还可延迟水化热释放的速度，并且对混凝土的收缩和抗拉强度几乎没有什么影响，宜推广使用。

4.2、降低混凝土浇筑温度

混凝土经搅拌，运输，振捣等过程后的温度称为浇筑温度，浇筑温度在不同的季节有不同的要求。

降低浇筑温度常用方法有以下几种：

1. 尽可能选择在气温较低的时候浇筑混凝土。冬季施工时要避免夜间浇筑混凝土，防止因受冻影响混凝土的质量。

2. 埋设冷水管，用流动的冷水降低混凝土内部温度峰值，使混凝土结构的内部温度比较趋近，从而降低约束应力。

3. 夏季高温季节，在现场加冰拌合混凝土是一种常用的的降温方法 ，即用冰块代替部分水来拌合混凝土。需要特别注意的是在拌合终了前冰块要全部融化，从而保证混凝土质量的均匀性。

4. 袋装水泥库房要注意加强通风，尽量降低库房温度。散装水泥也要避免温度过高。

5. 控制混凝土的入仓温度，高温季节对材料进行遮盖，防止太阳直射。当气温较高时，选择在晚间或清晨进行浇筑作业。

4.3、合理进行分块分层浇筑

分块分层浇筑方法有助于减少混凝土结构的最高温度与内外温差，也可以减少约束力。根据结构尺寸的大小、厚度，混凝土的级配等具体情况，可以采用以下几种形式：

1、 全面分层法

在整个混凝土结构上分层循环连续浇筑，后一层的浇筑必须在前一层混凝土初凝前完成。这种浇筑方法适合混凝土结构的平面尺寸不是很大的工程，浇筑作业可从短边开始向长边推进，如图4-1（a）。

2、 分段分层法

混凝土浇筑从底层开始，进行一段距离后再回来浇筑第二层，依次向前浇筑以上各层。此方法适合浇筑混凝土结构厚度不大，但是面积或长度较大的工程，如图4-1（b）。

3、 斜面分层法

此方法适合浇筑混凝土结构的长度超过厚度3倍的情况。振捣作业从浇筑层的下端开始逐层上移，如图4-1（c）。

4.4、控制拆模时间

在施工过程中，往往为了提高模板周转率，要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于室外气温时应考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝。如果在拆除模板后及时在混凝土的表面覆盖一层轻型保温材料，如塑料薄膜，可防止混凝土结构表面产生过大的拉应力。

4.5、养护保温

混凝土内部温度达到峰值后降温阶段是最容易出现裂缝的时候，加强表面的保温蓄热养护，可以减缓降温速度，以达到降低内外温差的目的。在冬季施工时，混凝土结构表面用麻袋覆盖，侧面采用碘钨灯照射；夏季或气温较高时，混凝土结构表面要做到潮湿养护，防止裂缝的产生。

5、 对裂缝控制的建议【4】

混凝土裂缝的产生不仅影响桥梁结构的外观，还会影响其耐久性，严重时甚至危及结构的稳定性及安全性，给国家和人民的生命财产造成严重损害。因此，分析研究裂缝才产生原因，选择控制裂缝的措施方法是本文探讨的重点。温度变化是引起裂缝的主要原因，所以前面均是从温度和应力这两方面进行分析与总结，以下是对涉及到设计、施工等方面提出几点建议：

5.1、设计方面

1. 桥梁混凝土工程除了应满足设计规范及生产工艺的要求，还应符合：基础的配筋除了满足构造要求和基础承载力外，还应结合具体的施工方法增加承受因为水泥水化热引起的温度应力的钢筋，控制裂缝的产生。

2. 桥梁混凝土的模板宜采用钢模板或木模板或钢木混合模板。钢模板对保温不利，所以要根据温控要求采取保温措施。木模板可作为保温材料使用。

3. 在施工前，要对混凝土浇筑块体进行温度、温度应力和收缩应力方面的验算，确定施工阶段混凝土浇筑块的升温峰值、里外温差和降温速度的控制指标，从而制定温控的技术措施，防止温度裂缝的产生，确保工程质量。

5.2、施工养护方面

1. 大体积混凝土采用分层浇筑方法时，层与层的时间间隔尽量缩短，且必须在前层混凝土初凝前将次层混凝土浇筑完毕。混凝土的初凝时间应通过试验确定。

2. 桥梁混凝土施工时，水平施工缝应该清理干净，保持湿润，不得有积水。混凝土表面的泌水也要及时清除，以免降低混凝土的质量。

3. 混凝土的搅拌、运输必须满足连续浇筑施工的要求，搅拌站尽量靠近混凝土施工現场的浇筑地点，以缩短水平运输距离，并且搅拌运输车的数量要满足混凝土连续浇筑的要求。

4. 保温养护时桥梁混凝土施工的重要环节，在这一过程中要保持良好湿度和防风条件，使混凝土处在良好的环境下养护，并按照温控技术措施的要求进行保温养护。

5. 大体积混凝土在浇筑和养护过程中，应对混凝土结构的里外温度和降温速度进行监测，掌握相关的数据来调整温控技术措施和养护措施。

参考文献：【1】刘秉京，混凝土技术【M】。北京：人民交通出版社，1998，7。

【2】朱伯芳，丁同生，丁宝瑛，郭之章。水工混凝土结构的温度应力和温度控制【M】。北京：水利水电出版社，1976.9.

【3】王铁梦。工程结构裂缝控制【M】。北京：中国建设工业出版社，1997.8.

【4】彭尚银，杨南方。混凝土结构工程施工质量问答【M】。北京：中国建设工业出版社。2004，5.