桥梁承台大体积混凝土施工的防裂技术探讨

毛鑫

（桐庐县公路管理段，浙江 桐庐 311500）

0 引言

桥梁承台是连接桩基础和桥墩的重要结构，能够更加均匀地将上部结构荷载传递到下部桩基础中。对于大跨径桥梁而言，由于桥梁整体荷载水平较高，需要更大尺寸的承台才能有效地承载墩柱或者索塔，而将上部轴力和弯矩均匀而有效地传递到下部结构中。大体积的承台施工面临开裂的风险，因为混凝土材料自身特性使得其水化反应中产生大量的热量，混凝土浇筑水化热与周边环境温度形成的差异，很容易在混凝土表面形成温差效应从而引起早期混凝土开裂，另外混凝土材料自身收缩特性等也使得大体积混凝土施工中的开裂问题更加突出[1]。

承台开裂会影响桥梁的安全与耐久性能，因为大多数桥梁承台处于水下环境或者水与空气作用区域，这使得承台的侵蚀较为容易，因此需要确保承台不能开裂。本文首先分析桥梁承台大体积混凝土施工中开裂的原因，基于开裂原因，经分析提出施工防裂技术，从而降低施工中桥梁承台开裂的风险。

1 桥梁承台大体积混凝土开裂原因分析

1.1 大体积混凝土开裂机理分析

大体积混凝土相对于常规混凝土的差别是厚度与长度、宽度的比值不同，导致其相对厚度很小，在混凝土浇筑过程中产生的水化热量，大体积混凝土表面的热量散发效率远大于内部热量的散失，使得混凝土内外温差很大，产生的温度应力导致混凝土开裂。具体而言，由于大体积混凝土表面与环境直接接触，温度散失较快；内部混凝土水化热量消散很慢，导致内部温度远大于外部温度，外部混凝土约束内部热量的散失，导致表面受拉出现开裂，其裂缝的分布不是受力裂缝，因此没有明显分布规律。

1.2 桥梁承台开裂原因分析

根据大体积混凝土的开裂机理分析，影响大体积混凝土开裂的主要因素是水泥水化放热、环境温度变化、混凝土自身收缩性能、养护措施等[2]、[3]。以下对这些影响因素进行详细总结分析。

（1）混凝土水化热。混凝土的水泥水化热是产生内外热量不均衡的最直接原因，如果水泥的水化放热较慢，则在施工过程中会使得内部热量不断累积，温度迅速上升，更容易产生混凝土裂缝。水化放热的大小与水泥种类、标号等级、矿物组成等高度相关，需要根据大体积混凝土的面积和厚度确定适宜的水泥品种。

（2）环境温度变化。由于水泥水化显著放热效应会使得内部局部上升到70～80℃，而环境温度即便采取相关保温措施也很难达到上述温度，这使得大体积混凝土施工必然存在环境与混凝土内部温度的偏差。如果环境温度出现突然的下降，则极大地增加了开裂的风险，因此需要避免环境温度的骤然降低。

（3）混凝土收缩特性。混凝土具有显著的干缩性能，在大体积混凝土浇筑过程中，如果环境温度较低，则混凝土表面与外界环境进行非常频繁的热交换，导致混凝土的水分大量蒸发，从而导致混凝土出现干燥收缩效应。内部混凝土由于水分散发较慢，表面混凝土水分散发较快，导致表面混凝土收缩效应显著，梯度收缩效应直接导致混凝土表面出现开裂问题。

（4）混凝土养护不当。考虑到外界环境对于大体积混凝土开裂的显著影响，养护不当也会引起混凝土的开裂。我国对于混凝土的养护标准条件是在温度18～22℃下，湿度不低于95%情况下进行养护。很多施工现场并不严格执行该养护条件，使得混凝土表面的温度和湿度不能得到保证，温度过低则会产生温度裂缝，湿度不足则会使得混凝土发生干缩产生裂缝。

2 大体积桥梁承台防裂技术

通过适当的混凝土养护措施，可以有效地控制桥梁承台大体积混凝土表面的温度和湿度，使得裂缝能够得到有效控制。综合而言，开裂控制措施可以从混凝土原材料控制、施工防护措施和养护管理措施三个角度进行考虑[4]。

2.1 混凝土原材料控制

水化发热是产生大体积裂缝的直接原因，而优化混凝土的水泥种类、配合比、水泥含量等，可以降低水化热效应，提高混凝土抗拉强度。

首先，对水泥种类的选择与优化。为了使得混凝土具有较低的开裂敏感性，可以使得水泥在早期具有较大的弹性模量和强度，这可以使得水泥具有较好的预压应力，保证在后期因为各种约束产生的拉应力水平低于材料的抗裂极限，从而降低裂缝的出现概率。另一方面，应该尽量在保证混凝土材料和易性和强度的基础上，尽量减少水泥的用量以降低水化热，同时可以采用火山灰取代部分硅酸盐水泥。实践证明：其不仅可以降低水化热量的发展，还能够达到足够的强度。

其次，掺入适当的外加剂。考虑掺入减水剂、引气剂和超塑剂等，减少水泥的用量，同时保证混凝土的工作性能及预设水胶比；也可以考虑采用矿物掺合料取代部分水泥，例如火山灰、粉煤灰、矿渣、石粉等。

最后，改善骨料级配和选择，采用热膨胀系数低的集料以降低混凝土的温度变形，从而降低混凝土在收缩过程中产生的约束应力。例如，可以采用碎集料，使得集料表面与水泥胶等具有很好的粘结性能，即便在约束应力作用下由于其良好的粘结性能，使得开裂风险大大降低。

良好的混凝土配比，可以有效地降低混凝土材料的水化热，改善其抗裂性能，降低初始缺陷，提高大体积混凝土的结构性能。

2.2 施工防护措施

从施工角度而言，严格控制混凝土表面的温度和湿度，降低混凝土浇筑温度、延缓较少内外表面温差，避免温度骤降等问题，都可以有效地控制桥梁承台大体积混凝土早期裂缝。

首先，控制混凝土的浇筑温度。降低混凝土浇筑温度可以在浇筑过程中降低水化热的呈现结果，从而减少整体的施工温度。例如，可以对骨料和水泥进行事前冷却的方式，冻结骨料和水泥，或者掺入冰块等降低浇筑的温度，此外还可以通过在拌合装置中注入液氮的方式进行降温。另外，还需要结合各种降温措施的经济效益予以选定。

其次，人工控制硬化混凝土的温度，降低温度峰值和温度差值。例如，通过在大体积混凝土中植入冷水管，通过循环冷水的方式进行冷却；通过植入钢管，循环冷空气的方式进行混凝土内部的冷却；通过在表面覆盖保温材料的方式，减少内外温差并降低表面的温度梯度效应。

最后，选择适当时机进行承台混凝土施工，由于环境温度对于承台大体积混凝土开裂的显著影响，应该尽可能选择在环境温度比较平稳的时机进行承台混凝土施工，避免在环境温度变化较大的天气施工。

总而言之，这些措施的目的都是保证大体积混凝土的内部和外部温度的差别不大，从而降低温度开裂风险，避免水分的过渡散失。

2.3 养护管理措施

混凝土施工的养护措施同样可以控制开裂风险。大体积混凝土早期开裂的直接原因是表面暴露在较低的环境温度中，或者在较高的表面温度中，或者因为干缩原因，特别是在混凝土浇筑的早期，水化热仍然处于升温阶段，对于表面温度的变化非常敏感。一般而言，可以从以下几个方面注意养护措施的合理性：

首先，控制模板的脱模时间。在混凝土浇筑早期，由于水化热量集聚，而混凝土自身的抗裂性能较低，这个时间段进行脱模将直接导致开裂，一般在混凝土浇筑2 d后才能进行脱模。

其次，进行绝热保温。当外界环境温度很低时，应该对大体积混凝土表面进行绝热保温，避免内外温差过大产生开裂，保温层的撤离应该分层撤去，避免全部一次性撤离导致表面冷激出现温差开裂。

最后，适时洒水养护。需要保证表面混凝土的湿度，避免干缩裂缝的产生，可以采用表面洒水养护或者采用密封剂，特别是夏季施工中应该避免阳光直射，导致表面湿度失衡。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

某跨江公路大桥为双塔中央索面斜拉桥结构，主墩16#、17#钻孔灌注桩施工，承台构造采用圆形，构造示意如图1所示，承台直径22 m，厚5 m。由于该桥承台处于深水冲刷区环境，桥梁承台如果出现裂缝对于整体桥梁的耐久性影响非常显著，因此需要在施工过程中采取措施避免开裂。

图1 承台构造图（单位：cm）

3.2 防裂施工技术

为了有效地控制该大体积承台混凝土施工过程可能出现的开裂问题，综合采用了下述措施进行裂缝控制：

（1）优化混凝土的配合比。优化配合比在水化热控制上起到的作用较为明显，可以显著降低混凝土浇筑过程中产生的水化热量。该工程对混凝土材料控制其粉煤灰掺入量不高于胶凝用量的30%，可以降低水化热量29%左右。

（2）分层浇筑。承台的混凝土工程量较大，为了降低浇筑过程混凝土内外温差过大的问题，采用整体分层的方法将混凝土从竖向进行划分，通过分层浇筑有效地降低内外温差。

（3）预留变形缝。对于超大体积混凝土，可以采用留置变形缝的方法进行施工，即人为将混凝土划分为多个区段分别进行浇筑，在温度降低到一定程度后再通过现浇接缝将各部分连接为整体。

（4）设置管冷设备。对于承台大体积混凝土，为了有效控制温度裂缝，在承台混凝土中设置管冷系统。即在混凝土浇筑过程中通过冷水循环将热量进行疏散，降低水化热引起的温度上升。

（5）冷凝混凝土骨料。采用冷却骨料的方法将骨料中掺入冰块，使得浇筑过程中水化放热能够得到控制。

通过上述施工措施，该桥梁承台混凝土在施工过程中，没有出现任何裂缝，取得了良好效果。

4 结论

大跨径桥梁往往采用大尺寸承台结构，有效地将上部结构荷载均匀地传递到下部桩基础中。然而，大体积承台施工面临开裂的风险，主要原因是混凝土中水泥水化产生大量热量，加上与环境的温差效应及混凝土的收缩特性，容易开裂。本文详细归纳了大体积混凝土开裂的机理，分析了桥梁承台大体积混凝土开裂的原因，并提出了防裂控制技术，降低施工中桥梁承台开裂的风险，为桥梁承台施工质量控制提供参考。