王學(xué)儒

（河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，河北 保定 071051）

在公路橋梁工程的大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫問題，需要采取有效的控制措施，降低裂縫產(chǎn)生概率。因此，有必要對(duì)大體積混凝土裂縫成因及對(duì)策進(jìn)行研究，從而促進(jìn)公路橋梁工程施工質(zhì)量的提升。

1 大體積混凝土裂縫成因

1.1 溫度變化

溫度變化是引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的主要原因，對(duì)于大體積混凝土更是如此。在澆筑初期，受混凝土中的水泥水化熱影響，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度較高。同時(shí)也會(huì)受到入模溫度、結(jié)構(gòu)散熱的影響，進(jìn)而與混凝土表層溫度產(chǎn)生差異。在外部環(huán)境溫度的變化下，混凝土表層溫度會(huì)受到較大影響，若出現(xiàn)溫度驟降的情況，則會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差?；炷两Y(jié)構(gòu)屬于不良導(dǎo)熱體，若處于高溫環(huán)境，其散熱能力較差，內(nèi)部溫度可能達(dá)到65℃甚至更高，并保持較長(zhǎng)時(shí)間。在溫差作用下，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，與溫差呈正比例關(guān)系。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到一定水平后，就會(huì)引起表面開裂現(xiàn)象[1]。

1.2 水泥水化熱

水泥的水化熱作用是導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫升較大的主要原因。水泥釋放的水化熱，主要與其品種及單位體積用量有關(guān)。而且水泥水化熱會(huì)隨混凝土齡期增長(zhǎng)出現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，在10～12d接近達(dá)到最終絕熱溫升。在自然散熱條件下，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度最大值一般出現(xiàn)在澆筑后3～5d。之后在混凝土齡期增加下，混凝土彈性模量出現(xiàn)升高，內(nèi)部降溫收縮約束作用越來越明顯，會(huì)形成較大的拉應(yīng)力。如果混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度不足，無法抵抗內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，則會(huì)出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，單位體積水泥用量增加10kg，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度上升1℃，混凝土膨脹增加0.01mm[2]。

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。在短期加載下，混凝土極限拉伸變形為（0.6～1.0）×10-1，在長(zhǎng)期加載下，混凝土極限拉伸變形為（1.2～2.0）×10-4。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土中的用水量較少時(shí)，可以降低裂縫產(chǎn)生概率，相反，如果用水量過高，則容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫問題。特別是對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于其厚度增大，浮漿明顯增多，需要對(duì)混合料中的粗細(xì)骨料含水量進(jìn)行嚴(yán)格控制。在施工過程中，還需要采用軟件方法對(duì)混凝土水膠比進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，嚴(yán)格控制用水量。此外，混凝土在水化反應(yīng)工程中主要表現(xiàn)為收縮變化，需要對(duì)溫度應(yīng)力問題加以重視[3]。

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，一般單次澆筑的尺寸較大。在絕熱環(huán)境下，混凝土內(nèi)外溫度變化主要表現(xiàn)為絕熱溫升曲線形式。在混凝土澆筑施工完成后，由于混凝土結(jié)構(gòu)與自然環(huán)境中的空氣、水以及其他構(gòu)件基礎(chǔ)，在熱量傳遞過程中，會(huì)散失部分熱量。這也是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)外溫差的一個(gè)主要原因。如果在工程中僅采取表面散熱方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫，由于表面散熱速度慢，難以取得較好的散熱效果。因此，目前許多工程采用在大體積混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻管的方法，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部降溫。通過采取這種人工干預(yù)措施，可以使混凝土結(jié)構(gòu)降溫效果得到改善，但仍表現(xiàn)為內(nèi)部溫度高、外部溫度低。特別是在外部環(huán)境溫度發(fā)生急劇變化時(shí)，混凝土內(nèi)外溫差較大，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。其溫度應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)為澆筑初期、中期、晚期三個(gè)階段。

2.1 澆筑初期

在混凝土澆筑初期，其溫度場(chǎng)變化較快，隨著齡期增長(zhǎng)，彈性模量會(huì)出現(xiàn)明顯增加。在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部積聚了大量熱量，由此產(chǎn)生的應(yīng)力為早期應(yīng)力。從混凝土澆筑一直到水泥水化反應(yīng)結(jié)束，該階段會(huì)持續(xù)30d左右。在混凝土內(nèi)部溫度的上升過程中，如果遇到外部環(huán)境溫度下降，受熱脹冷縮作用的影響，其表面容易出現(xiàn)裂縫。這種由早期溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫應(yīng)該與表面泌水和養(yǎng)護(hù)不當(dāng)引發(fā)的裂縫問題加以區(qū)分。一般情況下，由早期應(yīng)力引發(fā)的裂縫要相對(duì)較深。

2.2 澆筑中期

在混凝土的澆筑中期，在與外界環(huán)境溫度場(chǎng)進(jìn)行交互作用的情況下，會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生中期應(yīng)力，并與早期殘余應(yīng)力疊加，也是導(dǎo)致混凝土裂縫的主要原因。從混凝土水化熱反應(yīng)結(jié)束到混凝土溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定，都屬于混凝土澆筑中期階段，其特點(diǎn)是彈性模量沒有較大變化，混凝土內(nèi)部呈降溫狀態(tài)。在此情況下，混凝土體積會(huì)開始出現(xiàn)縮小，此時(shí)混凝土的冷卻和外部溫度變化，是其溫度應(yīng)力的主要影響因素。在與早期的殘余應(yīng)力疊加后，也會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部應(yīng)力水平較高，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫問題。

2.3 澆筑晚期

在澆筑晚期，混凝土應(yīng)力主要是在外界環(huán)境溫度變化的影響下產(chǎn)生的，在與前期的殘余應(yīng)力疊加后，可能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞。從混凝土溫度下降一直到構(gòu)件壽命終結(jié)，都屬于澆筑晚期階段。在該階段，混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量已經(jīng)趨于穩(wěn)定，引起混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的主要原因是內(nèi)外溫度的突然變化，如果出現(xiàn)較大溫差，會(huì)在混凝土內(nèi)部形成較大的拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致裂縫問題的出現(xiàn)。

3 大體積混凝土裂縫控制措施

3.1 材料措施

基于上述分析，混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度變化及溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，是造成裂縫問題的主要原因。其內(nèi)部溫度變化受材料選用的影響較大，必須對(duì)材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。具體可采取以下幾方面控制措施：（1）在拌合過程中，使用標(biāo)準(zhǔn)要求的冷卻水，并控制好混凝土的入模溫度。（2）對(duì)水泥的選用進(jìn)行嚴(yán)格控制，根據(jù)混凝土溫度變化的梯度特點(diǎn)，選擇使用低水化熱的水泥材料，控制其3d水化熱量在240kJ/kg以下，7d水化熱量在270kJ/kg以下。比如選擇礦渣硅酸鹽水泥或粉煤灰硅酸鹽水泥。（3）在集料選用方面，應(yīng)保證級(jí)配良好，降低膠凝材料的用量。同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制骨料中的含泥量，其中砂的含泥量應(yīng)控制在2%以內(nèi)，石的含泥量應(yīng)控制在1%以內(nèi)。此外還要盡量降低水泥、水的用量，從而降低水化熱影響，防止出現(xiàn)裂縫問題。（4）合理運(yùn)用混凝土摻加料，主要包括緩凝減水劑、粉煤灰和膨脹劑。其中，緩凝減水劑可以通過延長(zhǎng)混凝土初凝時(shí)間，推遲水化熱峰值出現(xiàn)時(shí)間，有利于改善混凝土抗裂性能。粉煤灰的適量使用相當(dāng)于減少水泥用量，從而降低水化熱量。另外可以通過加入適量的膨脹劑，抵消混凝土結(jié)構(gòu)收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，達(dá)到裂縫控制效果。

3.2 施工措施

在施工控制措施方面，主要通過對(duì)混凝土澆筑過程以及二次振搗過程進(jìn)行控制，降低混凝土裂縫產(chǎn)生概率。

（1）澆筑控制。在澆筑過程中應(yīng)及時(shí)去除表面浮漿、軟弱層和松動(dòng)的石子，確保表面粗骨料的露出均勻。在新澆筑施工前，需要采用高壓水槍沖洗下層混凝土，保證其表面潔凈、潤(rùn)濕，且不能存在積水。若采取非泵送澆筑方式，或混凝土流動(dòng)性較低，需要在接漿處理后再進(jìn)行澆筑。在大體積混凝土澆筑過程中，應(yīng)采取分層澆筑及振搗方式，并確保每層澆筑施工的連續(xù)性，控制分層厚度在30cm以內(nèi)，最大不能超過50cm，從而確保混凝土澆筑密實(shí)，讓熱量及時(shí)散發(fā)。在澆筑過程中，需要對(duì)振搗間距進(jìn)行控制，確?；炷帘砻鏌o氣泡、翻漿、下沉現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)防止出現(xiàn)過振，否則容易因浮漿過厚導(dǎo)致混凝土結(jié)果出現(xiàn)收縮裂縫。

（2）二次振搗控制。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，為提升其極限抗拉強(qiáng)度，需要采用二次振搗方法，并在二次投料過程中，采用水泥裹砂的方法，提升施工技術(shù)質(zhì)量。具體是在拌制砂漿時(shí)，一次性投入全部水泥和細(xì)集料，并投入1/3的水，攪拌約60s后，投入剩余材料。采用這種方法拌制的混凝土，可以在一定程度上提升其抗拉強(qiáng)度，提升幅度約為15%左右，而且能夠節(jié)約20%左右的水，避免在入模時(shí)出現(xiàn)離析現(xiàn)象。在二次振搗施工過程中，需要進(jìn)一步排除混凝土內(nèi)部空隙及泌水，提高混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度。具體應(yīng)在混凝土初凝前、未達(dá)到振動(dòng)界限前采取二次振搗措施，通過把握好二次振搗時(shí)間，充分發(fā)揮二次振搗的作用，并為混凝土塑性狀態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。在判斷二次振搗時(shí)機(jī)時(shí)，可以通過采用插入振動(dòng)棒進(jìn)行檢測(cè)，或采用貫入阻力值測(cè)定方法。在標(biāo)注貫入阻力小于3.5N/mm2的條件下進(jìn)行二次振搗，不會(huì)對(duì)已成型結(jié)構(gòu)造成破壞。此外，還要考慮水泥品種和用量、氣溫條件、混凝土坍落度等因素，確定二次振搗時(shí)間，一般為澆筑后的1～3h。

3.3 養(yǎng)護(hù)措施

做好大體積混凝土養(yǎng)護(hù)工作對(duì)于控制結(jié)構(gòu)裂縫有顯著效果。在大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)施工階段，需要采取外保內(nèi)降的措施，在混凝土表面覆蓋保溫材料，并在內(nèi)部采取冷卻水管冷卻措施，盡可能縮小混凝土內(nèi)外溫差。具體包括：（1）外部保溫措施，在澆筑后及時(shí)覆蓋保溫材料，避免混凝土表面溫度出現(xiàn)快速下降，通過控制溫差，減小內(nèi)部應(yīng)力，抑制混凝土裂縫產(chǎn)生。此外還可以通過促進(jìn)粉煤灰的水化反應(yīng)，避免混凝土內(nèi)部出現(xiàn)過大的溫度梯度，從而降低裂縫幾率。（2）內(nèi)部降溫措施，主要通過在混凝土內(nèi)部布置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，降低混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。具體可分為初期、后期兩種部署方式，在初期主要通過降低混凝土的水化熱峰值，縮小內(nèi)外溫差。在后期則是為了滿足接縫灌漿需求，控制混凝土溫度變化。通過做好養(yǎng)護(hù)工作，能夠有效降低混凝土裂縫概率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在混凝土裂縫控制過程中，需要綜合采用多種控制措施，盡可能降低負(fù)面因素的影響，提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)，在混凝土裂縫控制方面，可采取以下措施：

（1）設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)，混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力實(shí)際由鋼筋承擔(dān)，通過設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)，能夠起到提升結(jié)構(gòu)抗拉能力的效果，從而防止裂縫出現(xiàn)。在防裂鋼筋網(wǎng)配筋過程中，可以參考公式：

式中：εPa為混凝土拉伸強(qiáng)度；Rf為設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；ρ為結(jié)構(gòu)截面配筋率；d為鋼筋直徑?；谠摴?，鋼筋直徑越小，間距越密，對(duì)結(jié)構(gòu)抗裂性能的提升越顯著。

（2）在混凝土中適量加入合成纖維，使其在混凝土內(nèi)呈網(wǎng)狀均勻分布，可以抑制混凝土冷縮和干縮裂縫，也能夠降低裂縫出現(xiàn)概率。