浅析高速铁路桥梁大体积混凝土裂缝产生的原因及控制措施

纪坤

摘要：随着我国高速铁路事业的迅猛发展，铁路桥梁大体积混凝土施工中普遍会遇到裂缝控制问题，研究裂缝的形成原因及控制措施显得越来越重要。本文通过对沪昆客专坪蒿地特大桥连续梁在施工过程中采取的一些防止裂缝产生的控制措施，结合多年的桥梁施工经验，阐述了大体积混凝土裂缝产生的机理，并提出了相应的控制措施。

关键词：大体积混凝土；裂缝；控制措施

中图分类号：U445，71 文献标识码：A 文章编号：1674-3024（2016）06-05-02

1.大体积混凝土的定义及相关概念

我国对大体积混凝土作了如下定义（《GB 50496-2009大体积混凝土施工规范》）：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土因为桥梁体积大，聚集的大量水化热会导致混凝土内外散热不均匀，在受到内外约束的情况下，混凝土内部会产生较大的温度应力并很可能导致裂缝产生，最终为工程埋下严重质量隐患。因此，大体积混凝土施工中应严格控制裂缝产生和发展，以确保工程质量。

2.工程概况

新建沪昆客运专线是一条时速250km/h双线CRTS I型双块式无砟轨道铁路，坪蒿地特大桥里程范围：DK946+316，45～DK947+006，85，全长690，4m，混凝土中心里程为DK946+674，孔跨样式为lx24+20X32m。本桥梁体设计为40+64+40m的预应力变截面连续箱梁，设计采用三向预应力体系，挂篮施工每一段都是一次浇注成型，浇注后覆盖养生达到设计要求强度和龄期后施加预应力并压浆，挂篮方可前移并施工下一段连续梁。

3.大体积混凝土裂缝类型及裂缝产生原因分析

大体积混凝土结构裂缝主要包括收缩裂缝、安定性裂缝、温差裂缝等。

3，1收缩裂缝

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩，混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形，受到外部约束时（支承条件、钢筋等），将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。混凝土在逐渐散热和硬化过程中会导致其体积的收缩，对于大体积混凝土，这种收缩更加明显。如果混凝土的收缩受到外界的约束，就会在混凝土体内产生相应的收缩应力，当产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝，影响混凝土收缩的主要因素主要是混凝土中的用水量、水泥用量及水泥品种。混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土收缩就越大，水泥品种对干缩量及收缩量也有很大的影响，一般中低热水泥和粉煤灰水泥的收缩量较小。

自身收缩是混凝土收缩的一个主要来源。自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起的，但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降形成弯月面，产生所谓的白干燥作用，导致混凝土体的相对湿度降低及体积减小而最终自身收缩，塑性收缩也是大体积混凝土收缩一个主要来源。在水泥活性大、混凝土温度较高或者水灰比较低的条件下，混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝，出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展，所以在这种情况下混凝土浇筑后需要及早覆盖养生。

3.2温差裂缝

混凝土内部和外部的温差过大会产生裂缝，温差裂缝产生的主要原因是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。温差的产生主要有三种情况：第一种是在混凝土浇筑初期，这一阶段产生大量的水化热，形成内外温差并导致混凝土开裂，这种裂缝一般产生在混凝土浇筑后的第3天（升温阶段）。另一种是在拆模前后，这时混凝土表面温度下降很快，从而导致裂缝产生。第三种情况是当混凝土内部温度高达峰值后，热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度，它们与最高温度的差值即内部温差。这三种温差都会产生裂缝，但最严重的是水化热引起的内外温差。

3.3安定性裂缝

安定性裂缝表现为龟裂，主要是由于水泥安定性不合格而引起

4.大体积混凝土裂缝的控制措施

4.1设计措施

（1）精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能降低混凝土的单位用水量。采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉值”的抗裂混凝土，

（2）增配构造筋，提高抗裂性能。应采用小直径、小间距的配筋方式，全截面的配筋率应在0.3～0.5%之间。

（3）避免结构突变产生应力集中。在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。

（4）在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限抗拉强度，

（5）在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，在正常施工条件下，后浇缝间距20～30m。保留时间一般不小于60天，如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。

4.2原材料控制措施

（1）尽量选用低热或中热水泥，降低水泥用量，减少水化热，水化热与水泥用量成正比。在条件许可的情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥，因为这种水泥在水化膨胀期（1～5d）可产生一定的预压应力，而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力，减少混凝土内的拉应力，提高混凝土的抗裂能力。

（2）适当掺加粉煤灰。混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，减少新拌混凝土的泌水等。

（3）选择级配良好的骨料。骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%以上，因此在选择骨料时，应选择膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料，尽量采用中砂，严格控制粗细骨料的含泥量，控制水灰比在0.6以下。还可以在混凝土中掺缓凝剂，减缓浇筑速度，以利于散热。

（4）适当选用高效减水剂和引气剂，这对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善新拌混凝土的工作性能，提高混凝土的耐久性等性能起着极为重要的作用。

4.3施工方法控制措施

大体积混凝土施工时内部应适当预留一些孔道，在内部通循环冷水或冷气冷却，降温速度不应超过0.5℃～1，0℃/h。对桥梁基础混凝土可采用分块分层浇筑（每层间隔时间5d～7d），分块厚度为1，0m～1，5m，以利于水化热散发和减少约束作用。此外，还应加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上。尽量采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。还可根据具体工程特点，采用补偿收缩混凝土技术。

4.4温度控制措施

混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝是极其敏感的。当混凝土从零应力温度降低到混凝土开裂温度时，混凝土拉应力超过了此时的混凝土极限拉应力。因此，通过应降低混凝土内水化热温度和混凝土初始温度，减少和避免裂缝风险。人工控制混凝土温度的措施对早期因热原因引起的裂缝作用不明显。比如表面保温材料保护可以减少内外温差，但不可避免地招致混凝土体内温度很高，从受约束而导致贯穿裂缝的角度看，是一个潜在恶化裂缝的条件，因为混凝土内部热量迟早是要散发掉的，另外还需注意的问题是防止过速冷却和超冷，过速冷却不仅会使混凝土温度梯度过大，而且早期的过速超冷会影响体系的水化程度和早期强度，更易产生早期热裂缝，超冷会使混凝土温差过大，引起温差裂缝浇筑时间尽量安排在夜间，最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置，或用湿麻袋覆盖，必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时，可在水平及垂直泵管上加盖草袋并喷冷水。所以，大体积混凝土施工重点主要是将温度应力产生的不利影响减少到最小，防止和降低裂缝的产生和发展，

4.5施工过程中控制措施

4.5.1控制混凝土入模温度

入模温度的高低，与出机温度密切相关，另外还与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有關。在温度较高的情况下进行施工，可以在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖，以减少阳光对其的辐射，同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水。

如果是在冬季进行施工，因为要防止早期混凝土被冻问题，所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热，对原材料应视气温高低进行加热。

4.5.2严格控制混凝土的浇筑速度

一次浇注的混凝土不可过高、过厚，以保证混凝土温度均匀上升。保证振捣密实，严格控制振捣时间，移动距离和插入深度，严防漏振及过振。

4.5.3温度控制、监测与养生

（1）温度控制、监测

为降低大体积混凝土的水化热，在混凝土的内部通入冷却循环水，采用循环法保温养护，以便加快混凝土内部的热量散发。为能够较准确地测量出砼内部温度，在砼中预埋测温管，用水银温度计测温。上下层温差控制在15-20℃之内。根据各测点的温度，可及时绘制出混凝土内部温度变化曲线，对照混凝土理论计算值，分析存在的问题。有的放矢地采取相应的技术措施。坪蒿地特大桥采用了“内降外保”的温控措施，“内降”主要是采用循环冷却水进行降温，经实测：入管前水温10℃，出管后最高水温49℃，冷却水带走了大部分热量，经计算使内部温度整体降低15℃。“外保”是通过采取措施，控制梁体外表面温度，使梁体内外温差不大于25℃，在施工中，通过外面保温，使混凝土表面降温速度减慢，以减小混凝土的内外温差，从而防止混凝土因温差过大引起变形而产生的温度裂缝。

（2）混凝土的养护

混凝土养护是大体积混凝土施工中一项十分关键的工作。主要是保持适宜的温度和湿度，以便控制混凝土的内外温差，促进砼强度的正常发展及防止裂缝的产生和发展。从混凝土浇筑完成到终凝这段时间的养护对混凝土而言十分重要，混凝土浇筑完毕后，在其顶面及时加以覆盖，要求覆盖严密，并经常检查覆盖保湿效果。其主要作用有二：一是蓄水保温，防止表面水分蒸发和抵抗受太阳辐射与刮风时温度骤变，二是保持内外温差的稳定，

4.5.4健全施工组织管理

在制订技术措施和质量控制措施的同时，还需落实组织指挥系统，逐级进行技术交底，做到层层落实，确保顺利实施。通过坪蒿地特大桥施工实践证明，在优化配合比设计，改善施工工艺，提高施工质量，做好温度监测工作及加强养护等方面采取有效技术措施，坚持严谨的施工组织管理，完全可以控制大体积混凝土温度裂缝和施工裂缝的发生，

5.控制措施的结果

经过检测，坪蒿地特大桥施工完7天后，梁体混凝土达到了设计强度的80%以上，混凝土的表面只有少量1～10cm长、缝宽小于0，1mm的微细裂缝，呈不规则分布，没有形成通缝，符合规范要求。在混凝土施工完56天后，上述裂缝没有进一步发展，也没有新的裂缝产生，

6.结束语

对于混凝土裂缝，应以预防为主，为此需要精心设计、施工，掌握住它的基本知识，并根据实际采取有较措施，会使施工质量得到很好的保证，以上各项技术措施并不是孤立的，而是相互联系、相互制约的，施工过程中必须结合实际、全面考虑、合理采用，才能起到良好的效果。通过坪蒿地特大桥梁体大体积混凝土防裂缝控制措施，可以看出大体积混凝土裂缝虽然不可能避免，但是通过合理手段是可以控制的，说明沪昆客专坪蒿地特大桥连续梁大体积混凝土的裂缝控制措施是可行的，可以为类似的大体积混凝土施工提供借鉴。