桥梁工程中大体积混凝土裂缝的原因与防治

葛浚

摘要：本文结合工路桥梁工程的实践，从设计、施工的角度，分析了造成桥梁结构中大体积混凝土裂缝的原因，并提出控制措施。

关键词：大体积混凝土 裂缝 外加剂 混凝土强度 控制

裂缝是混凝土结构常见的病害，也是桥梁施工中一直困扰技术人员的一个难题。裂缝根据其成因可以分为多个类型，大多数裂缝只要在施工和养护时加以控制，是可以避免的。

1 施工材料质量引起的裂缝

1.1 水泥。水泥安定性达不到设计要求，水泥中存在大量的游离氧化钙：水泥强度不达标，过期或受潮：水泥含碱量超标，而且骨料含有碱活性，易发生碱骨料反应。

1.2 砂、石骨料。砂石的级配、粒径和空隙率与设计要求不符；使用超出规定的特细砂，后果更严重。砂石中含有较多云母，水泥和骨料的粘结力下降，继而使得混凝土强度无法达到设计要求。砂石的含泥量高，使得水与水泥的用量增加，相应的造成混凝土强度及抗冻、抗渗性能降低。砂石中含有大量的有机质及轻物质，导致水泥硬化缓慢，混凝土强度尤其是早期强度不达标。

1.3 拌和水及外加剂。拌和水与外加剂中氯化物等杂质含量较高时，对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制混凝土，或采用含碱的外加剂，可能对碱骨料反应有影响。

2 水泥水化热的影响

2.1 大体积混凝土结构通常具有以下特点。混凝土属抗拉强度较小的脆性材料。大体积混凝土的断面尺寸大，而水泥在水化作用中会散发大量的水化热，使得混凝土内部与表层形成温差，而降温时表层会受到内部较大的拉应力。按照常规施工方法，大体积混凝土一般不配钢筋，如有必要也仅在表面配置少量钢筋，因此必须是混凝土自身承担拉应力。

2.2 水泥水化过程中放出大量的热。浇筑后7d左右放热，放热量通常为500J/Kg。如果以水泥用量350Kg/m3～550Kg/m3来计算，则每立方米混凝土的热量为17500KJ～27500KJ，这会增加混凝土内部的温度。尤其对于大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。混凝土内部升温过高，极易与表层形成较大的温差，造成混凝土内部的压应力与外部的拉应力相互作用，结构的抗拉强度一旦小于其拉应力，就会造成混凝土表层开裂。这是大体积混凝土产生裂缝病害的主要原因。

3 混凝土的收缩引起的裂缝

收缩裂缝是混凝土工程中的常见病害。混凝土体积变形主要是塑性收缩和缩水收缩（干缩）引起的。除此之外，还有自生收缩与炭化收缩两种现象。在施工阶段，或在混凝土浇筑后四、五小时左右，混凝土试件会出现伴有剧烈水化作用的塑性收缩的现象。在这一过程中分子链逐渐形成，出现泌水现象，水分过快散失，导致混凝土失水收缩，骨料下沉，而此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。骨料下沉阶段如果受到钢筋的约束，通常会沿钢筋方向开裂。在构件竖向变截面处，由于混凝土硬化前沉实的均匀性达不到总体要求，表面的顺腹板方向会出现裂缝。混凝土缩水收缩（干缩）硬结后，表层因水分散失会逐渐变干，构件体积缩小，我们通常称之为干缩现象。表层混凝土水分散失速率远远超过内部水分散失速率，使得表层出现较严重的收缩，而内部收缩量小，内部收缩对表层收缩变形产生一定的拉应力，约束了表层混凝土的收缩变形，当混凝土抗拉强度小于表层混凝土承受拉力时会导致表层开裂。混凝土硬化后可能出现缩水收缩现象。比如，配筋率大于3%的超过大的混凝土，其收缩变形在很大程度上会受到钢筋的约束，致使表层龟裂。

4 外界气温、湿度变化的裂缝

4.1 温度变化产生影响。温差裂缝产生的主要原因是水泥水化热引起的砼内部和砼表面的温差过大，特别是大体积砼更易发生此类裂缝。混凝土浇筑后，水泥在水化作用中释放大量的水化热，使结构内部快速升温，按照经验判断，100kg水泥的温升速率能达到10℃，加之混凝土的入模温度，混凝土内部温度在两三天内能够达到50～80℃。而线膨胀系数能达到10×10-6/℃，也就是说，温度每升降10℃，混凝土会出现0.01％的线膨胀或收缩。由此可见，如果在无风的大气环境中，表层混凝土和外界的温差超过25℃时，就可能导致表层开裂。

4.2 湿度变化影响。水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降形成弯月面，产生自干燥作用，导致砼体的相对湿度降低及体积减小，因自身收缩而产生裂缝；混凝土初凝前由于水分散失，内部水分向表面迁移，使得混凝土结构发生塑性收缩，收缩量约为1％，表面会出现不规则的塑性收缩裂缝；砼工程在硬化后，内部的游离水会由表及里逐渐蒸发失水，当施工时温度高，相对湿度低时，混凝土水分快速且大量散失，甚至超过其内部水分向表层迁移的速率，使得表层严重失水，受下面混凝土结构的约束，导致砼由表及里逐渐产生干燥收缩，收缩变形量导致的收缩应力大于砼的抗拉强度时，砼就会出现由表及里的干燥收缩裂缝。

5 施工工艺质量引起的裂缝

5.1 混凝土振捣密实度不达标，均匀性差，成型后极易出现孔洞、蜂窝、麻面等结构缺陷，导致钢筋锈蚀或引发其它荷载裂缝。混凝土流动性差，过快的浇筑使得混合料硬化后沉实过大，混凝土浇筑成型数小时后极易在塑性收缩的作用下开裂。

5.2 混凝土拌和时间过长，经过长时间运输，混合料中水分大量蒸发，降低了混凝土塌落度，在这种条件下极易产生不规则裂缝。在初期养护阶段洒水量少，使得表面缺水干燥，造成表面开裂。

5.3 在泵送施工中，可在混合料中适量加水或水泥，以确保混凝土保持良好的流动性，或水灰比控制不当，造成混凝土在凝结硬化阶段过度收缩，致使混凝土开裂。

5.4 未按要求处理分层分段浇筑的接头部位，新旧混凝土与施工缝之间极易出现裂缝。分段浇筑时，先浇混凝土接触面的凿毛和清洗不彻底，降低了新旧混凝土之间的粘结力，或者未按要求对后浇混凝土严格养护，使得构件开裂。

6 大体积混凝土裂缝控制措施

6.1 掺加外加料和外加剂。将粉煤灰掺入混凝土中以提高结构的密实度和抗渗性能，改善混凝土的密实性，减少水泥用量，控制结构收缩。在大体积混凝土浇筑阶段，水泥会发生水化作用释放大量的水化热，使结构内部迅速升温，施工中要对此严加防控，避免结构内外部温差过大造成结构开裂，利用粉煤灰作混凝土的掺合料是最有效的方法之一。在混凝土中掺加缓凝剂，减缓浇筑速度，以利于散热。在设计允许的情况下，可掺入少于混凝土体积25%的毛石，以吸收热量。

6.2 大体积混凝土的骨料控制。选用良好级配的骨料，并严格控制砂、石子含泥量，降低水灰比（0.6以下）加强振捣，以提高砼的密实性和抗拉强度。

6.3 优化大体积混凝土配合比。根据现场气候情况和材料现状，每天早中晚、雨后都要对砂石材料抽样检测。根据检测结果，及时调整配合比。可增加适量的粉煤灰，在满足施工和易性的条件下调整水灰比。同时，控制混凝土搅拌时间，规定搅拌时间2min，不能过短，也不能过长。搅拌时间短，混合料拌合不均匀；时间过长，会破坏材料的结构。如砂石材料被磨损，混凝土配合比被改变等。

6.4 大体积混凝土的施工。钢筋混凝土箱涵在施工过程中，易产生裂缝。其影响因素有：温度应力，原材料质量，地基不均匀沉降，模板支撑不稳，结构配筋，混凝土振捣及养护达不到要求等。尽量避开炎热天气浇筑大体积混凝土；必须在热天浇筑时，可采用冰水或深井凉水拌制砼，或设置简易遮阳装置，并对骨料进行喷水预冷却，以降低混凝土搅拌和浇筑的温度。分层浇筑砼，每层厚度不大于30cm，以加快热量散发，并使温度分布均匀，同时也便于振捣密实。大体积砼内适当预留一些孔道，采取通风或冷气降温。由于水泥在水化过程中产生很大的热量，浇筑后一定要喷水散热，以免混凝土由于温度过高，体积膨胀过大，在冷却后体积收缩过大。浇筑混凝土后，表面及时用草帘或草袋、锯末、砂等覆盖，设置专用的自动喷水系统，洒水养生。夏季适当延长养护时间。

7 结束语

裂缝是大体积混凝土施工中的质量通病。若要提高工程质量，防止结构开裂，必须在施工过程中严加管控，严格依照建筑行业现行规范对施工组织设计环节、选材、浇筑环节等进行监督管理，确保各项技术措施达标，以期在保质保量完成施工任务的同时能够保证结构安全耐用。浇筑后的养护环节需要重点关注结构温湿度的变化，洒水适量，防止干缩裂缝或收缩裂缝产生。

参考文献：

[1]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）.人民交通出版社.

[2]混凝土结构施工及验收规范（GB50204-2002）.人民交通出版社.

[3]杨文渊，徐志远.桥梁施工工程师手册[M].人民交通出版社，2002.

[4]杨立晖.浅谈公路工程的施工质量管理问题[J].太原科技， 2005.

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