承台大体积混凝土施工裂缝的控制与研究

刘宏国

（太原铁路建设有限公司，山西 太原 030000）

1 引言

近年来，由于交通运输事业的迅速发展，大型桥梁如雨后春笋般不断涌现。大体积混凝土、高强度混凝土以及耐久性混凝土被越来越广泛地应用于实际工程中。连续梁桥或连续刚构桥中的0#块、斜拉桥中的塔墩承台、悬索桥中的锚锭承台等混凝土块体的尺寸和用量一般都超过了水工结构规范的要求，属于大体积混凝土，例如苏通大桥每个主墩的承台混凝土用量达4万多方，东海大桥主桥[1]采用单索面结合箱梁斜拉桥，承台中心轴线为49.8×27.4 m，高6 m，体积达到8 200 m3，南京二桥南汊桥圆柱形承台混凝土方量为5 130 m3，对于此类混凝土结构或构件而言，水化热是施工中的一个突出问题，其引起的温度应力往往超过外荷载引起的应力导致结构产生温度裂缝，对结构的承载力和耐久性等都会产生很大影响。因此对大体积混凝土温度裂缝及其控制技术的研究有着重大的工程意义和经济效益，是大型桥梁建设中必须面对并认真解决的新课题。

2 施工阶段裂缝产生的原因

研究表明大体积混凝土施工阶段产生的裂缝，基本上是由于水分蒸发和浆体（水泥石）收缩造成的，主要体现在混凝土施工阶段水泥水化反应产生的温度收缩和混凝土自身的收缩两方面原因。

2.1 水泥水化热产生的温度效应

国内外实践证明，水泥在水化过程中会产生大量的热量，而且在浇筑初期（1~3 d）内放出的热量是总热量的1/2，会引起混凝土浇筑块内部温度和温度应力的剧烈变化。由于混凝土表面和内部的散热条件不同，将形成中心温度高、表面温度低的温度场分布情况，使混凝土内部膨胀变形产生压应力，表面产生拉应力，当这个拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。但由于初期混凝土的弹性模量较小，升温产生的膨胀变形受基础约束也较小，因此变形变化引起的应力较小，一般可忽略不计。

待混凝土浇筑一定时间后，水泥的水化热已基本释放，混凝土从最高温度逐渐降温，进入了降温阶段。此时，混凝土的弹性模量和强度也已发展起来。降温引起混凝土体积收缩变形，但却受到地基和结构边界条件的约束，从而产生相当大的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会产生温度裂缝，对混凝土结构产生不同程度的危害。实际情况表明，当温度变幅在15℃左右时，对于受到完全约束的混凝土，后期产生的拉应力足以将其拉断。

2.2 混凝土的收缩效应

除了温度产生的过大拉应力导致混凝土开裂以外，由于混凝土本身的收缩应变也会影响结构的开裂性能。混凝土的收缩主要包括自收缩与干缩两部分。自收缩是指混凝土凝结后，水化物的绝对体积小于水化前未水化水泥和水的体积；干缩是由于水分的蒸发而产生，混凝土拌和用水中80%要蒸发。混凝土的收缩变形，同样也受到地基和结构边界条件的约束，产生拉应力。混凝土的收缩主要受其自身材料选用的影响，因此，在研究混凝土温度应力及裂缝控制措施的同时，也应该研究材料对于干缩应变的影响。

经上述介绍可知，裂缝是大体积混凝土施工阶段中的关键问题，而温度应力引起的裂缝是问题的核心。因此，解决大体积混凝土的裂缝问题应该从控制混凝土的温度场分布入手，采取措施降低混凝土中的温度梯度以及绝热温升，同时也要研究不同材料和配合比情况下的自收缩性能，经综合比较后，得出相应的安全可靠的控制措施。

3 裂缝的控制措施

混凝土开裂牵涉的因素较多，要完全杜绝裂缝的出现，既有可能，又很不容易，需要精心设计，精心施工。对于混凝土结构的裂缝问题，应以预防为主，主要可以从以下几个方面着手进行控制。

3.1 材料方面的措施

3.1.1 选择水泥品种及用量

在保证强度和耐久性的同时尽量选用低水化热品种水泥，水泥用量与大体积混凝土的最高升温有直接关系，降低水泥用量是最有效的温控措施。但对水泥用量的选择应从混凝土的放热量和强度性能两个方面进行综合考虑后确定。内部混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两方面的要求，一般采用低热矿渣水泥。外部混凝土，除抗裂性能外，还要求抗冻融性、耐磨性、抗蚀性、强度较高及干缩较小，因此一般采用较高标号的中热硅酸盐水泥。

3.1.2 掺用混合材料

适当掺用混合材料可降低混凝土的绝热温升、提高混凝土抗裂能力。混合材料包括矿渣、粉煤灰、烧粘土等，目前多采用粉煤灰。研究表明，粉煤灰可以使混凝土水化热在一定程度上延缓释放，降低混凝土的绝热温升，对大体积混凝土的温控有利。同时，粉煤灰对混凝土的强度有所提高，可以增加混凝土的后期强度。另外，粉煤灰表面呈球状的粉状物，在混凝土浇筑施工中有润滑作用，具有较好的和易性，可以改善大体积混凝土的泵送施工性能。

3.1.3 掺用外加剂

外加剂有减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等多种类型。减水剂是最常用、最重要的外加剂，它具有减水和增塑作用，在保持混凝土坍落度及强度不变的条件下，可减少用水量，节约水泥，降低绝热温升。引气剂的作用是在混凝土中产生大量微小气泡以提高混凝土的抗冻融能力。缓凝剂能有效延缓水化热的释放时间，降低水化热放热峰值，使混凝土水化热释放比较平缓，常用于夏季施工，早强剂则用于冬季施工。

3.1.4 优化混凝土配合比

严格控制砂石骨料的含泥量，在保证混凝土强度及流动条件下，尽量节省水泥，降低混凝土绝热温升。选用较大粒径的碎石和低的砂率，合理的级配使混凝土密实，能够改善混凝土的体积稳定性，提高混凝土的抗裂性能。

3.2 选择合适的结构形式和合理的分缝分块

工程结构裂缝控制专家王铁梦教授在大量建设实践和现场实验研究的基础上，从力学的角度对混凝土裂缝产生的原因进行了研究，提出了“抗”与“放”的混凝土设计准则。其中“放”的内容主要体现在结构形式的选择上，即采取微动、滑动及设缝措施。

在结构设计中有意识的在构造物某处设置薄弱部分，诱使裂缝发生在该处。在施工中根据混凝土浇筑过程中温度裂缝控制的要求、混凝土浇筑能力和方便结构钢筋的绑扎等因素综合确定水平施工缝的设置方式，采取分块、分段等施工方法，控制收缩与温差导致的裂缝。

3.3 严格控制混凝土浇筑温度、减小内外温差，避免表面温度骤降

施工中采用的主要措施如下：

（1）降低混凝土浇筑温度，通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少浇筑过程中的温度回升。

（2）水管冷却。在混凝土内埋设水管，通低温水以降低混凝土温度。

（3）表面保温。在混凝土表面覆盖保温材料，以减小内外温差，降低结构内的温度梯度。

（4）重视施工过程中的温度监测，发现异常，尽早处理，以绝后患。

4 结束语

通过对裂缝产生的原因、机理的分析，有针对性地采取一定的控制措施，可以使大体积混凝土的裂缝减少到合理的范围。但大体积混凝土裂缝的控制和预防，牵涉到结构的设计、原材料的选择、施工的工艺、养护过程以及其他一些不确定的因素，任何因素出现问题，都可能导致裂缝的产生。在这些因素中，温度应力是关键。因此，作为工程技术人员，应了解混凝土内部的温度变化规律，合理选择水泥品种，严格控制水泥用量，合理掺加混合材料和外加剂，优化混凝土配合比，严格施工，实时监测，加强养护。

针对已经出现的裂缝，也应该认真进行研究，区别对待，并采取合理的方法进行处理，防止裂缝的进一步发展以及对结构耐久性的影响，保证建筑物和构件的安全。