摘要： 文章分析了大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，對在施工中如何采取措施控制混凝土水化熱的影響，有效地防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，提出了幾點看法。
關鍵詞：橋梁； 大體積混凝土； 裂縫； 水化熱
1. 前言
隨著橋梁技術的突飛猛進，大體積混凝土在橋梁結構中應用的越來越多。我國普通混凝土配合比設計規(guī)范規(guī)定：混凝土結構物中實體最小尺寸不小于1 m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土；美國則規(guī)定為：任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。目前，國內(nèi)外對機械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對溫度荷載引起得有關裂縫的研究尚不充分。我們應對此加以重視，防止危害結構的裂縫產(chǎn)生。另外對于大體積混凝土內(nèi)溫度應力與裂縫控制也多集中在水利工程中的大壩、高層建筑的深基礎底板。而對于橋梁中大體積混凝土的裂縫的研究并未得到足夠的重視。
2. 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因
2.1 水泥水化熱
水泥水化過程中放出大量的熱，且主要集中在澆筑后的2～5 d左右，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高。．尤其對于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴重。因為混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，表面產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。
2.2 混凝土的收縮
混凝土在空氣中硬結時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下的這種自發(fā)變形受到外部約束時(支承條件、鋼筋等)，將在混凝土中產(chǎn)生拉應力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮3種。在硬化初期主要是水泥水化凝固結硬過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。
2.3 外界氣溫、濕度變化
大體積混凝土結構在施工期間，外界氣溫的變化對裂縫的產(chǎn)生有著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結構的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度下降過快，會造成很大的溫度應力，極易引發(fā)混凝土的開裂。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會加速混凝土的干縮，也會導致混凝土裂縫的產(chǎn)生。
3. 大體積混凝土施工質量控制措施
3.1 大體積混凝土配合比設計
1) 原材料選用。①水泥：由于水泥的用量直接影響著水化熱的多少及混凝土溫升，大體積混凝土應選用水化熱較低的水泥，如低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥等，并盡可能減少水泥用量。②細骨料：宜采用Ⅱ區(qū)中砂，因為使用中砂可減少水及水泥的用量。③粗骨料：在可泵送情況下，選用粒徑5-20 mm連續(xù)級配石子，以減少混凝土收縮變形。④含泥量：在大體積混凝土中，粗細骨料的含泥量是要害問題，若骨料中含泥量偏多，不僅增加了混凝土的收縮變形，又嚴重降低了混凝土的抗拉強度，對抗裂的危害性很大。因此，骨料必須現(xiàn)場取樣實測，石子的含泥量控制在1％ 以內(nèi)，砂的含泥量控制在2％以內(nèi)。⑤摻合料：應用添加粉煤灰技術。在混凝土中摻用的粉煤灰不僅能夠節(jié)約水泥，降低水化熱，增加混凝土和易性，而且能夠大幅度提高混凝土后期強度，推移溫升峰值出現(xiàn)時間。
2) 減水劑的使用。采用減水劑，如SF一1緩凝高效減水劑；膨脹劑采用廣泛使用的U型膨脹劑，如無水硫鋁酸鈣(C4 S)或硫酸鋁(Al2(SO4) )，試驗表明在混凝土添加了膨脹劑之后，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應力可以抵消一部分混凝土的收縮應力，相應地提高混凝土抗裂強度。
3.2 溫控措施及施工現(xiàn)場控制
1) 溫度預測分析。根據(jù)現(xiàn)場混凝土配合比和施工中的氣溫氣候情況及各種養(yǎng)護方案，采用計算機仿真技術對混凝土施工期溫度場及溫差進行計算機模擬動態(tài)預測，提供結構沿厚度方向的溫度分布及隨混凝土齡期變化情況，制定混凝土在施工期內(nèi)不產(chǎn)生溫度裂縫的溫控標準及進行保溫養(yǎng)護優(yōu)化選擇。
2) 混凝土澆筑方案。采用延緩溫差梯度與降溫梯度的措施，在澆筑前經(jīng)詳細計算安排分塊、分層澆筑次序、流向、澆筑厚度、寬度、長度及前后澆筑的搭接時間；控制混凝土入模溫度并加強振搗，嚴格控制振搗時間，移動距離和插入深度，保證振搗密實，嚴防漏振及過振，確?；炷辆鶆蛎軐?；做好現(xiàn)場協(xié)調、組織管理，要有充足的人力、物力，保證施工按計劃順利進行，保證混凝土供應，確保不留冷縫；澆筑后對大體積混凝土表面較厚的水泥漿進行必要的處理(一般澆筑后3～4 h內(nèi)初步用水長刮尺刮平，初凝前用鐵滾筒碾壓兩遍，再用木抹子搓平壓實)以控制表面龜裂；混凝土澆灌完及拆模后，立即采取有效的保溫措施并按規(guī)定覆蓋養(yǎng)護。
3) 混凝土溫度監(jiān)測。在混凝土內(nèi)部及外部設置溫度測點，并且設置保溫材料溫度測點及養(yǎng)護水溫度測點，現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀自動采集并進行整理分析，每一測點的溫度值及各測位中心測點與表層測點的溫差值，作為研究調整控溫措施的依據(jù)，防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。
4) 溫度應力檢測。為反映溫控效果可在少數(shù)混凝土層中埋設應變計進行溫度應力檢測，應變計沿水平方向布置，檢測水平向應力分量。
5) 通水冷卻。采用薄壁鋼管在一些混凝土澆筑分層中布設冷卻水管，冷卻水管使用前進行試水，防止管道漏水、阻塞，根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測，控制冷卻水管進水流量及溫度。
3.3 構造設計上采取的防裂措施
1) 設計合理的結構形式，減少工程數(shù)量，降低水化熱。如可根據(jù)懸索橋錨碇受力特點，設計挖空非關鍵受力部分混凝土體積，利用土方壓重方案，減少混凝土結構體積。
2) 充分利用混凝土在基坑有側限條件，在混凝土中摻加微膨脹劑，使其在基坑約束下成一定的預壓力，補償混凝土內(nèi)部溫度、收縮產(chǎn)生的拉應力，從而有效的避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。
3) 大體積混凝土體積龐大，施工周期一般較長，依據(jù)結構受力情況(如懸索橋錨碇受力是逐步參與的，施工期僅承受自重和施工過程產(chǎn)生的次應力，此階段受力不足其最終受力的30％)，可合理的確定混凝土評定驗收齡期，打破正常標準28 d的評定驗收齡期，改為60 d或更多天，評定驗收齡期充分考慮混凝土的后期強度，從而減低設計標號，達到減少混凝土水泥用量，降低水化熱的目的。
4) 由于邊界存在約束才會產(chǎn)生溫度應力，采用改善邊界約束的構造設計，如遇有約束強的巖石類地基、較厚的混凝土墊層時，可在接觸面上設滑動層來減少溫度應力。在外約束的接觸面上全部設滑動層，則可大大減弱外約束。
5) 在設計構造方面還應重視合理配筋對混凝土結構抗裂的有益作用。可采取增配構造鋼筋(配筋應盡可能采用小直徑、小間距，全截面含筋率控制在0.3％～0.5％之間)、在混凝土表面增設金屬擴張網(wǎng)等有效措施，有效地提高混凝土抗裂性能。
4. 大體積混凝土的裂縫檢查與處理
大體積混凝土的裂縫分為3種：表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對于表面裂縫因其對結構力、耐久性和安全基本沒有影響，一般不作處理。對深層裂縫和貫穿裂縫可以采取鑿除裂縫，可以用風鎬、風鉆或人工將裂縫鑿除，至看不見裂縫為止，鑿槽斷面為梯形再在上面澆筑混凝土。限裂鋼筋，在處理較深的裂縫時，一般是在混凝土已充分冷卻后，在裂縫上鋪設I～2層的鋼筋后再繼續(xù)澆筑新混凝土。對比較嚴重的裂縫可以采取水泥灌漿和化學灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度在0.5 mm 以上時，對于裂縫寬度小于0.5 mm時應采取化學灌漿?；瘜W灌漿材料一般使用環(huán)氧一糠醛丙酮系等漿材。
5. 結束語
綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明：只要我們在設計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是完全可以避免危害結構的裂縫的產(chǎn)生。
關鍵詞：橋梁； 大體積混凝土； 裂縫； 水化熱
1. 前言
隨著橋梁技術的突飛猛進，大體積混凝土在橋梁結構中應用的越來越多。我國普通混凝土配合比設計規(guī)范規(guī)定：混凝土結構物中實體最小尺寸不小于1 m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土；美國則規(guī)定為：任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。目前，國內(nèi)外對機械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對溫度荷載引起得有關裂縫的研究尚不充分。我們應對此加以重視，防止危害結構的裂縫產(chǎn)生。另外對于大體積混凝土內(nèi)溫度應力與裂縫控制也多集中在水利工程中的大壩、高層建筑的深基礎底板。而對于橋梁中大體積混凝土的裂縫的研究并未得到足夠的重視。
2. 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因
2.1 水泥水化熱
水泥水化過程中放出大量的熱，且主要集中在澆筑后的2～5 d左右，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高。．尤其對于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴重。因為混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，表面產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。
2.2 混凝土的收縮
混凝土在空氣中硬結時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下的這種自發(fā)變形受到外部約束時(支承條件、鋼筋等)，將在混凝土中產(chǎn)生拉應力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮3種。在硬化初期主要是水泥水化凝固結硬過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。
2.3 外界氣溫、濕度變化
大體積混凝土結構在施工期間，外界氣溫的變化對裂縫的產(chǎn)生有著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結構的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度下降過快，會造成很大的溫度應力，極易引發(fā)混凝土的開裂。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會加速混凝土的干縮，也會導致混凝土裂縫的產(chǎn)生。
3. 大體積混凝土施工質量控制措施
3.1 大體積混凝土配合比設計
1) 原材料選用。①水泥：由于水泥的用量直接影響著水化熱的多少及混凝土溫升，大體積混凝土應選用水化熱較低的水泥，如低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥等，并盡可能減少水泥用量。②細骨料：宜采用Ⅱ區(qū)中砂，因為使用中砂可減少水及水泥的用量。③粗骨料：在可泵送情況下，選用粒徑5-20 mm連續(xù)級配石子，以減少混凝土收縮變形。④含泥量：在大體積混凝土中，粗細骨料的含泥量是要害問題，若骨料中含泥量偏多，不僅增加了混凝土的收縮變形，又嚴重降低了混凝土的抗拉強度，對抗裂的危害性很大。因此，骨料必須現(xiàn)場取樣實測，石子的含泥量控制在1％ 以內(nèi)，砂的含泥量控制在2％以內(nèi)。⑤摻合料：應用添加粉煤灰技術。在混凝土中摻用的粉煤灰不僅能夠節(jié)約水泥，降低水化熱，增加混凝土和易性，而且能夠大幅度提高混凝土后期強度，推移溫升峰值出現(xiàn)時間。
2) 減水劑的使用。采用減水劑，如SF一1緩凝高效減水劑；膨脹劑采用廣泛使用的U型膨脹劑，如無水硫鋁酸鈣(C4 S)或硫酸鋁(Al2(SO4) )，試驗表明在混凝土添加了膨脹劑之后，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應力可以抵消一部分混凝土的收縮應力，相應地提高混凝土抗裂強度。
3.2 溫控措施及施工現(xiàn)場控制
1) 溫度預測分析。根據(jù)現(xiàn)場混凝土配合比和施工中的氣溫氣候情況及各種養(yǎng)護方案，采用計算機仿真技術對混凝土施工期溫度場及溫差進行計算機模擬動態(tài)預測，提供結構沿厚度方向的溫度分布及隨混凝土齡期變化情況，制定混凝土在施工期內(nèi)不產(chǎn)生溫度裂縫的溫控標準及進行保溫養(yǎng)護優(yōu)化選擇。
2) 混凝土澆筑方案。采用延緩溫差梯度與降溫梯度的措施，在澆筑前經(jīng)詳細計算安排分塊、分層澆筑次序、流向、澆筑厚度、寬度、長度及前后澆筑的搭接時間；控制混凝土入模溫度并加強振搗，嚴格控制振搗時間，移動距離和插入深度，保證振搗密實，嚴防漏振及過振，確?；炷辆鶆蛎軐?；做好現(xiàn)場協(xié)調、組織管理，要有充足的人力、物力，保證施工按計劃順利進行，保證混凝土供應，確保不留冷縫；澆筑后對大體積混凝土表面較厚的水泥漿進行必要的處理(一般澆筑后3～4 h內(nèi)初步用水長刮尺刮平，初凝前用鐵滾筒碾壓兩遍，再用木抹子搓平壓實)以控制表面龜裂；混凝土澆灌完及拆模后，立即采取有效的保溫措施并按規(guī)定覆蓋養(yǎng)護。
3) 混凝土溫度監(jiān)測。在混凝土內(nèi)部及外部設置溫度測點，并且設置保溫材料溫度測點及養(yǎng)護水溫度測點，現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀自動采集并進行整理分析，每一測點的溫度值及各測位中心測點與表層測點的溫差值，作為研究調整控溫措施的依據(jù)，防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。
4) 溫度應力檢測。為反映溫控效果可在少數(shù)混凝土層中埋設應變計進行溫度應力檢測，應變計沿水平方向布置，檢測水平向應力分量。
5) 通水冷卻。采用薄壁鋼管在一些混凝土澆筑分層中布設冷卻水管，冷卻水管使用前進行試水，防止管道漏水、阻塞，根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測，控制冷卻水管進水流量及溫度。
3.3 構造設計上采取的防裂措施
1) 設計合理的結構形式，減少工程數(shù)量，降低水化熱。如可根據(jù)懸索橋錨碇受力特點，設計挖空非關鍵受力部分混凝土體積，利用土方壓重方案，減少混凝土結構體積。
2) 充分利用混凝土在基坑有側限條件，在混凝土中摻加微膨脹劑，使其在基坑約束下成一定的預壓力，補償混凝土內(nèi)部溫度、收縮產(chǎn)生的拉應力，從而有效的避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。
3) 大體積混凝土體積龐大，施工周期一般較長，依據(jù)結構受力情況(如懸索橋錨碇受力是逐步參與的，施工期僅承受自重和施工過程產(chǎn)生的次應力，此階段受力不足其最終受力的30％)，可合理的確定混凝土評定驗收齡期，打破正常標準28 d的評定驗收齡期，改為60 d或更多天，評定驗收齡期充分考慮混凝土的后期強度，從而減低設計標號，達到減少混凝土水泥用量，降低水化熱的目的。
4) 由于邊界存在約束才會產(chǎn)生溫度應力，采用改善邊界約束的構造設計，如遇有約束強的巖石類地基、較厚的混凝土墊層時，可在接觸面上設滑動層來減少溫度應力。在外約束的接觸面上全部設滑動層，則可大大減弱外約束。
5) 在設計構造方面還應重視合理配筋對混凝土結構抗裂的有益作用。可采取增配構造鋼筋(配筋應盡可能采用小直徑、小間距，全截面含筋率控制在0.3％～0.5％之間)、在混凝土表面增設金屬擴張網(wǎng)等有效措施，有效地提高混凝土抗裂性能。
4. 大體積混凝土的裂縫檢查與處理
大體積混凝土的裂縫分為3種：表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對于表面裂縫因其對結構力、耐久性和安全基本沒有影響，一般不作處理。對深層裂縫和貫穿裂縫可以采取鑿除裂縫，可以用風鎬、風鉆或人工將裂縫鑿除，至看不見裂縫為止，鑿槽斷面為梯形再在上面澆筑混凝土。限裂鋼筋，在處理較深的裂縫時，一般是在混凝土已充分冷卻后，在裂縫上鋪設I～2層的鋼筋后再繼續(xù)澆筑新混凝土。對比較嚴重的裂縫可以采取水泥灌漿和化學灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度在0.5 mm 以上時，對于裂縫寬度小于0.5 mm時應采取化學灌漿?；瘜W灌漿材料一般使用環(huán)氧一糠醛丙酮系等漿材。
5. 結束語
綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明：只要我們在設計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是完全可以避免危害結構的裂縫的產(chǎn)生。
