桥梁大体积混凝土温度裂缝成因及控制措施

陈奕升

广东长大公路工程有限公司第四分公司（511431）

0 前言

随着我国交通事业的迅速发展，大跨度桥梁大量出现，在桥梁中大体积混凝土承台、锚碇、塔等亦随之大量出现。目前所生产的水泥放热速度较过去大为提高，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出，已成为普遍性的问题。大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作用，由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素,从而影响结构的整体性、防水性和耐久性，成为结构的隐患。一般认为体积很大的现场浇筑的混凝土，其尺寸大到必须采取措施以对付水泥水化发出的热量及伴随发生的体积变化，尽量减少温度裂缝。主要分析桥梁大体积混凝土裂缝产生的成因,提出了相关的处治技术措施。

1 裂缝产生的原因分析

大体积混凝土产生裂缝，一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变，另一方面是结构物的外部约束和混凝土各质点间的约束，而产生的应力和应变。一旦温度应力超过混凝土的抗拉应力时，即会出现裂缝。温度裂缝产生的主要有以下几个影响因素:

1.1 水泥水化热

水泥的水化热是最主要影响因素。在大体积混凝土中,水泥在水化过程中要散发一定的热量，由于断面较厚，水泥散发的热量聚集在结构内部不易散失，因而会导致混凝土内部温度持续的上升。水泥水化热引起的温度变化与混凝土的配合比有关，如水泥和粉煤灰的用量，单位体积水泥水化放热量,并随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在1.5～3天达到最高温度。由于混凝土导热性能差，浇筑初期强度和刚度都较小，对水化热引起的急剧温升而产生的变形约束不大，相应的温度应力也较小。随着龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也愈来愈大,以至产生了很大的拉应力。当混凝土抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。

1.2 外界气温

在大体积混凝土施工中，由于受温差控制的影响，表面温度和由水化热引起的中心温度是相对统一的。外界气温愈高，混凝土浇筑温度也高，相应地就会增加结构的中心温度。当外界气温下降时，特别是气温突然下降时，会大大增大混凝土的内外温差和温度梯度，因变形差更大，从而产生更大的温度应力，这对大体积混凝土的施工极为不利。因此，在气温变化幅度较大时，通常都采用养护措施以保证温差在控制范围内,以达到控制温度裂缝的目的。

1.3 混凝土收缩

混凝土中含有大量空隙、粗孔隙及毛细孔隙,孔隙中存在水分，而水分的活动将影响到混凝土的一系列性质。混凝土的收缩变形主要有以下几种形式:

1）自由收缩。混凝土硬化过程中由于化学作用引起的收缩,是化学结合水与水泥的化合结果，它与外界湿度变化无关。

2）塑性收缩。混凝土浇筑前20 h，水泥水化反应激烈，逐渐形成分子链，出现在泌水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩，此时骨料和胶结料之间产生不均匀的收缩变形。

3）碳化收缩。指大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。

4）干缩。水泥石在干燥和水湿的环境中要产生干缩和湿胀作用，最大的收缩发生在第一次干燥之后。

1.4 约束条件

结构在变形变化中，必然会受到一定的“约束”或“抑制”，阻碍其变形。弄清楚变形与约束的关系，就能采取必要的措施达到阻止产生裂缝的目的。约束种类可概括为两类，外约束和内约束。外约束是指结构手的边界条件，一般指支座或其它外界因素对结构物变形的约束。内约束是指大断面的结构，由于内部非均匀的温度及收缩分布，名质点变形不均匀而产生的相互约束。具有大断面的结构，其变形还可能受到其他物体的宏观约束，同样会产生应力。

1.5 徐变性质

结构物在任意内应力作用下，除瞬时弹性变形外,其变形值随时间的增加的现象称为徐变变形，结构物的最终变形由弹性变形和徐变变形两部分组成，徐变变形也会导致结构物的开裂。结构随某一固定约束变形时，由于徐变性质，其约束应力将随时间下降，称之为“应力松弛”。徐变引起的应力松弛有其不利的一面，如随时间变化的变形荷载可以引起异号应力，在压应力区引起的拉应力特别是当降温速度大于升温速度时，更容易引起开裂。

2 裂缝的主要控制措施

2.1 合理分缝分块

在大体积混凝土施工过程中，为了有效降低大体积混凝土的内外温差，常采用分块浇筑。分块浇筑又可分为分层浇筑法和分段浇筑法两种。分层浇筑法目前有全面分层法、分段分层法、斜面分层法3种浇注方案。在时间允许的条件下，可将大体积混凝土结构采用分层多次浇注，施工层之间按施工缝处理，即薄层浇筑技术，它可以使混凝土内部的水化热得以充分地散发，应该注意的是分层浇筑的间歇时间。目前水工大体积混凝土中遵循的原则是薄层短间歇，对施工缝的处理要求十分严格。而在桥梁大体积混凝土施工中，由于体积相对较小，多采用一次性整体浇筑和全面分层多次浇筑。

2.2 降低浇筑温度

要降低混凝土的最高温度和温差，比较直接的措施是降低浇筑温度，但其实施必须拥有一定的条件才能实现，在特大型工程中可能才用得到。降低浇筑温度的具体措施包括:①降低原材料温度，如做好水泥散热、骨料浇水冷却和预冷等；②采用冷却拌和水与加冰拌和；③浇筑前预冷混凝土；④减少运输途中的热量倒灌，包括减小运输距离，采用特制的保温罐车,用保温材料包裹混凝土泵送管道等。在桥梁大体积混凝土的施工中比较实用的措施是做好水泥散热工作、对骨料浇水冷却、采用冷却拌和水和减小运输距离等。

2.3 合理安排施工进度

施工进度对大体积混凝土的温度的变化影响非常明显。特别应该注意的是分次、分层浇筑的间歇时间。在分次当中，若间歇时间过长，则会延长施工工期，另一方面也会使老混凝土对新浇筑的混凝土产生较大的约束，从而在上下层混凝土结合面产生难以发现的垂直裂缝。若间歇时间过短，则正处于下层混凝土升温阶段，表面温度较高，这时覆盖上层混凝土,会明显不利于下层混凝土的散热，也容易导致上层混凝土升温，可能超过混凝土要求的最高温升，从而加大混凝土产生裂缝的可能性。因此，上层混凝土覆盖的适宜时间应是在下层混凝土温度己降到一定值时,即上层混凝土温升倒入后，下层混凝土温度回升值不大于原混凝土最高温升。在每次浇筑中，又分几层，其层间的间隔时间应尽量缩短，必须在上层混凝土初凝之前，开始浇筑下层混凝土。层间最长的时间间隔不大于混凝土的初凝时间。当层间间隔时间超过混凝上的初凝时间。

2.4 冷却水管

目前,在大体积混凝土的现场温控措施中，较为常用的就是采用冷却水管，因为其具有直接、经济、易施工等特点，在桥梁中得到广泛应用。在冷却水管的使用中,影响冷却效果的因素包括:管材、管径、管长、埋设方式、间距、冷却水温度、通水速率等。管长根据现场情况而定，但长度应≤400 m；在埋设方式上，分为矩形排列、梅花形排列和纵横交错；冷却水温度当然是越低越好，但也要考虑冷却水与混凝土的温差，以防在冷却水管周围引起裂缝；通水速率保证管内产生紊流即可。

2.5 养护措施

大体积混凝土常用的养护方法是保温隔热法。其中在严寒地区可采用托克托古尔法。采用的表面保温材料包括：保温被、泡沫塑料板、聚苯乙烯泡沫塑料板、草袋、砂层保温及喷涂保温层等。养护的主要目的是保持适宜的温度和湿度条件，混凝土的保温措施常常也起到保湿的效果。保温的目的有两个:①减少混凝土表面的热扩散，减小混凝土表面的温度梯度，防止产生表面裂缝；②延长散热时间，充分发挥混凝土强度的潜力和材料松弛特性，使由温差导致混凝土产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，防止产生贯穿裂缝。保湿养护的作用是:①浇筑不久尚处于凝固硬化阶段的混凝土,水化的速度较快，适宜的潮湿条件可防止混凝土表面的脱水而产生干缩裂缝；②混凝土在保温及潮湿条件下可使水泥的水化作用顺利进行，提高混凝土的抗拉强度。

[1]史江涛.浅析十天高速大体积混凝土的施工技术[J].山西建筑,2010(9).

[2]李晨.师磊.大体积混凝土施工问题浅析[J].建材世界,2010(5).

[3]张保善.混凝土结构[M].武汉.武汉理工大学出版社,2003.

[4]范立础.桥梁工程[M].北京.人民交通出版社,1983.