公路桥梁大体积混凝土裂缝成因及预防措施

张振江

（江苏燕宁工程咨询有限公司 江苏 210017）

1 大体积混凝土裂缝成因

1.1 温度裂缝

大体积混凝土浇筑前期，由于水泥水化反应会释放大量热量，加之混凝土为一种高热阻材料，因此在浇筑完成前3d内一般只能将总热量的50%散发出去，剩余50%则积聚于混凝土内部使其温度急剧上升，而表面因热量可及时散发而温度相对较低。在此情况下，混凝土中心因高温膨胀及自身约束而处于受压状态，表面则因温度相对较低而处于受拉状态，当表面拉应力大于该阶段混凝土抗拉强度时，并会于结构表面产生裂缝现象。除此之外，由于混凝土拆模可视为表面温度骤降的过程，因此当模板拆除过早时（即混凝土强度较低），混凝土表面易因冷缩受拉而出现开裂现象。

1.2 收缩裂缝

作为一种脆性材料，混凝土抗拉强度度仅为抗压强度的1/20～1/10，且其拉伸变形能力表现极小，在短期与长期加载情况下，极限拉伸变形分别为（0.6～1.0）×10-4和（1.2～2.0）×10-4。一般而言，混凝土用水量越多（表现为浮浆越厚），其裂缝产生机率越大，在实际施工中，混凝土所含水分中只有20%左右为水泥水化所需，剩余80%则会通过蒸发作用而散失，并且在蒸发过程中，最先散失的为自由水（含量约占30%），其所引发的收缩程度极小，基本可忽略不计，但是随着蒸发作用的持续，当混凝土中吸附水（含量约占20%）逸出时，便会引发较大程度的收缩现象（即干燥收缩），并且呈现出混凝土中心收缩较小、表面收缩较大的趋势，在此情况下，表面混凝土因受中心混凝土的约束而产生拉应力，且当该应力增大至混凝土自身（抗拉）强度不足以承受时，便会于表面出现开裂现象。

2 大体积混凝土裂缝预防

2.1 材料措施

2.1.1 水泥

优选矿渣水泥与粉煤灰水泥等低热水泥，可以使用普通硅酸盐水泥与火山灰质水泥。对于水泥水化热而言，由于其为水泥矿物成分与细度模数的函数，因此要想实现水化热的降低，则需选择矿物组成合理、细度较小的水泥。试验表明，要想实现水泥水化热释放量与释放速率的有效控制，则需适当提升熟料中的C4AF（铁铝酸四钙）与C2S（硅酸二钙）含量，相应降低C3S（硅酸三钙）与C3A（铝酸三钙）含量，但是基于混凝土早期强度的考虑，C3S含量不宜过少，对应C2S增加量也不宜过多，否则会使水泥强度形成过慢。在实际操作中，通常是在提升C4AF含量（幅度不大于20%）的同时最大限度降低C3A，如此即可降低水泥水化热，又不影响其强度形成速率。除此之外，水泥细度对水化热释放速率影响明显，研究表明，水泥比表面积每增加100cm2/g，其硬化第1d水化热会提升17～21J/g，第7d与第28d则均会提升4～12J/g。故此，对于大体积混凝土所用水泥而言，在不过分影响其活性的基础上，应适当增加细度模数。

2.1.2 集料

由于混凝土所用集料级配越好，在同等强度下其对胶凝材料需求量就越少，故而可在一定程度上减少水泥与砂的用量，同时通过集料含泥量（砂应＜2%，石应＜1%）的控制，便可有效实现混凝土的收缩抑制与极限抗拉强度的提升，从而达到减少裂缝的目的，因此大体积混凝土应优先选用级配良好的集料。试验表明：当用连续级配、粒径为5～40mm的碎石与细度模数为2.3～3.7的中粗砂时，单位体积混凝土水泥与水用量可分别减少28～35kg和20～25kg，综合效益表现良好。

2.1.3 粉煤灰

基于粉煤灰的火山灰效应的分析，由于其反应较为迟缓，发热速率较慢，7d时发热量只有纯硅酸盐水泥的17%，并且对于混凝土而言，单位体积纯硅酸盐水泥用量每增加100kg，其内部温升可达8～12℃；此外，由于粉煤灰中所含玻璃体球形颗粒较多，内部结构致密且比表面积较小，故而对水吸附能力较弱，在混凝土中适量加入后即改善混合料和易性，减小干燥收缩，又可取代少量水泥，推迟并降低水化热峰值温度的出现，对混凝土抗裂性能及其裂缝抑制具有显著的效果。

2.2 施工措施

（1）合理选择水灰比。由于混凝土水灰比越大，振捣过程游离水（实为稀浆）泌出越多，致使其易因离析而产生开裂现象，因此在不影响强度的前提下，大体积混凝土应尽量减小水灰比。

（2）控制混凝土入模温度。对于大体积混凝土而言，在拌合过程中可采用加冰或冷却水的方式降低混合料出仓温度，同时在运输过程中做好保温隔热措施，并且避开高温施工，以此通过混凝土入模温度的降低来有效减小其浇筑初期的温度应力，从而抑制温度裂缝的出现。

（3）加强混凝土浇筑。为使混凝土热量及时散发和提升密实效果，采用分层浇筑、分层振捣的连续施工方式，其分层厚度宜≤30cm（最大不得大于50cm），同时合理控制振捣间距，且以混凝土表面不再下沉、无气泡冒出以及泛浆均匀为控制标准，但需注意不得过振，以防混凝土表面因浮浆过厚而出现收缩裂缝。此外，在必要情况下，还可实施二次振捣及抹压收光，以此减少混凝土表面收缩裂缝。

（4）尽量延迟拆模时间。由于混凝土拆模可视为温度骤降的过程，拆模过早易因表面冷缩而形成裂缝，因此延迟拆模时间，可使混凝土因强度提升而减少表面裂缝。

2.3 养护措施

2.3.1 内降（冷却水循环）

对于大体积混凝土而言，为降低其内部温度，减小内表温差，抑制温度裂缝，可采用内部通水冷却（需在混凝土浇筑前预埋冷却管）的方式进行温度控制。在实际操作过程中，对于降温速率根据经验可按1.0～1.5℃/d进行控制，如此可不会出现明显裂缝；当混凝土标号＞C40时，可适当提升温降速率至 2.0～3.0℃/d。

2.3.2 外保（保温保湿）

在降低混凝土内部温度的同时，加强混凝土外部养护，以减小热量散失为目的，可于混凝土表面包裹1～2塑料薄膜后外加一层保温材料（如保温被，覆盖厚度需经计算确定），然后洒水养护不少于14d。需要强调的是，大体积混凝土浇筑完成后不宜立即洒水养护，以防因表面温度降低而引发早期裂缝，且在洒水时可利用冷却管循环出来的热水进行养护，如此即可为混凝土硬化提供所需水分，又可提升其表面温度，减小内表温差。

3 结语（经验总结）

基于公路桥梁大体积混凝土裂缝的预防，本文笔者经自身实践经验的总结，建议性提出以下2点措施：

（1）增设钢筋网片。在钢混结构中，由于钢筋为拉应力的主要承载体，故而为提升结构抗拉性能，抑制裂缝出现，可于构件内部适当增设防裂钢筋网片，以此增强结构极限拉伸强度εPa。具体配筋可参考下式（1）（经验公式）：

式中：Rf为混凝土设计抗拉强度，MPa；ρ为结构截面配筋率，一般取值0.3～0.5%；d为钢筋直径，mm。

分析上式可知，钢筋直径越细、布置间距越小，混凝土结构抗裂性能提升越明显。在具体实施过程中，施工单位可采用φ8～12@100～200的钢筋网片来提升大体积混凝土的防裂性能。

（2）掺加合成纤维。混凝土内掺入适量合成纤维后，会于内部形成数以千万计呈网状结构的三维纤维，在此情况下，当处于塑性阶段的混凝土发生收缩（干缩或冷缩）变形时，一旦发展至与合成纤维碰触，便会在其牵制作用下阻止变形进一步扩大，以此实现混凝土裂缝的抑制。