桥梁大体积混凝土裂缝原因及控制措施分析

张美华 梁少杰

摘要：随着交通基础设施的进一步扩大，大体积混凝土在桥梁结构中的应用越来越多，如桥墩、大梁、盖梁、桥台等，裂缝问题越来越受到工程界的关注。裂缝的出现不仅影响了桥梁的美观，而且降低了桥梁的整体抗压能力。因此，采取有效措施将大体积混凝土的裂缝控制在容许范围内具有重要意义。本文对桥梁工程中大体积混凝土结构的裂缝问题进行了研究，分析了裂缝产生的原因及应力变化特点，并且提出了几种裂缝控制措施，以期为今后的相关工程提供借鉴和参考。

关键词：桥梁大体积混凝土;裂缝原因;控制措施

1 桥梁大体积混凝土裂缝原因

1.1 溫度变化

温度变化是引起混凝土结构裂缝的主要原因，尤其是大体积混凝土。在混凝土浇筑初期，由于水泥水化热的影响，混凝土结构内部温度较高。同时也会受到输入温度和结构散热的影响，从而导致与混凝土表面温度的差异。在外界环境温度的变化下，混凝土的表面温度会受到很大的影响。如果温度急剧下降，将导致混凝土结构内外温差大。混凝土结构是一种不良的导热体。在高温环境下，其散热能力较差。内部温度可达到65℃甚至更高，并可长期保持。在温差作用下，混凝土结构内部的应力较大，与温差成正比。当混凝土结构的应力达到一定水平时，会发生表面开裂。

1.2 水泥水化热

大体积混凝土浇筑后，由于水泥水化放出的热量使混凝土内部温度升高（高达70℃左右，甚至更高），由于混凝土内部和表面的冷却条件不同，大体积混凝土内部温度不易扩散，从而形成从中心到外部的温度梯度，内外温差变形，温度应力，混凝土表面产生拉应力、压应力。一旦拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，混凝土表面就会出现裂缝，不利于构件的工作。

1.3 混凝土收缩

混凝土属于脆性材料，其抗拉强度一般为抗压强度的1/20～1/10，因此主要表现为抗压强度。短期荷载作用下，混凝土极限拉伸变形为（0.6～1.0）×10-1，长期荷载作用下，混凝土极限拉伸变形为（1.2～2.0）×10-4。根据以往的工程经验，当混凝土耗水量较低时，可以降低裂缝产生的概率。反之，如果用水量过高，容易出现结构裂缝问题。特别是大体积混凝土结构，由于厚度的增加和浮浆量的增加，必须严格控制混合料中粗细骨料的含水量。在施工过程中，应采用软件方法自动调整混凝土水灰比，严格控制用水量。此外，水化反应工程中混凝土的主要性能是收缩变化，需要注意温度应力问题。

2 大体积混凝土应力分析

在大体积混凝土结构施工中，单次浇筑的尺寸一般较大。在绝热环境中，混凝土内外的温度变化主要以绝热温升曲线的形式出现。混凝土浇筑施工完成后，由于混凝土结构和自然环境中的空气、水等构件基础，在传热过程中会损失部分热量。这也是混凝土结构内外温差的主要原因。工程中若仅采用表面散热法对混凝土结构进行降温，由于表面散热速度慢，很难达到良好的散热效果。因此，目前许多工程采用在大体积混凝土中埋设冷却管的方法来实现内部冷却。通过这种人工干预，可以提高混凝土结构的降温效果，但仍表现出内部温度高、外部温度低的特点。

2.1 浇筑初期

混凝土浇筑初期，温度场变化迅速，弹性模量随龄期的增长而明显增大。混凝土结构中积聚了大量的热量，产生的应力是早期应力。从混凝土浇筑到水泥水化反应结束，这一阶段将持续约30天。在混凝土内部温度升高的过程中，如果外部环境温度下降，在热胀冷缩的影响下，混凝土表面容易产生裂缝。这种早期温度应力引起的裂纹，应与表面泌水和维护不当引起的裂纹问题区别开来。一般来说，早期应力引起的断裂较深。

2.2 浇筑中期

在混凝土浇筑中期，当混凝土与外界温度场相互作用时，混凝土内部会产生中间应力，并与早期残余应力叠加，这也是导致混凝土开裂的主要原因。从混凝土水化热反应结束到混凝土温度场稳定，属于混凝土浇筑的中间阶段，其特点是弹性模量无明显变化，混凝土处于冷却状态。在这种情况下，混凝土体积开始收缩，此时混凝土的冷却和外界温度的变化是影响其温度应力的主要因素。与早期残余应力叠加后，混凝土内部的应力水平也会更高，从而产生裂缝问题。

2.3浇筑后期

在浇筑后期，混凝土的应力主要受外界环境温度变化的影响。与早期残余应力叠加后，使用寿命可能结束，均属于浇注后期。在这一阶段，混凝土结构的弹性模量趋于稳定，混凝土结构产生裂缝的主要原因是内外温度的突变。当温差较大时，混凝土内部会形成拉应力，最终导致裂缝问题。

3 减少大体积混凝土裂缝产生的措施

3.1 材料质量控制措施

混凝土出现裂缝主要原因就是混凝土水泥水化过程释放大量热量，使混凝土内外受力不同产生裂缝，所以在选材的时候，应该优先选择水化热较小的水泥，例如：中热硅酸盐水泥。大体积混凝土配料要添加一定量的粉煤灰，粉煤灰能降低水泥水化热，提高和易性，增强抗渗能力，而且还能降低水泥的用量，极大地提高混凝土强度，所以大体积混凝土要添加一定量的粉煤灰。粗骨料优先选用5mm-20mm粒径的连续级配石子，细骨料优先选用中砂，这样的骨料空隙较小，能够减少水泥的使用量，产生的水化热较小，减少干缩，能够控制混凝土裂缝的出现。

3.2 施工现场控制措施

3.2.1 温度测控

大体积混凝土施工时，应加强对混凝土内外温差的监测，采用计算机模拟技术对混凝土施工过程中的动态监测进行计算机模拟，并记录混凝土结构沿厚度方向的温度变化，一次发现混凝土内外温差超过规范要求（设计要求，温差不应超过25摄氏度），采取措施提高混凝土外部温度。同时最佳选择在春秋季大体积混凝土施工、浇筑过程中，加强通风，尽量避免直接曝晒。

3.2.2 控制大体积混凝土浇筑时间

浇筑振捣时，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振。薄层浇捣均匀上升，便于散热，抓住混凝土流淌的最近点和最远点等边缘部位。高频振捣器应尽量垂直插入，插入快，牵引慢，排列均匀。采用二次振捣和二次抹面技术，清除混凝土中的水分和气泡。

3.3 养护措施

大体积混凝土的养护对结构裂缝的控制具有重要作用。在大体积混凝土的养护和施工阶段，应采取措施保护混凝土的外部温度，尽量减小混凝土内外温差。具体包括：（1）外保温措施，通过控制温差，及时覆盖保温材料，避免混凝土表面温度迅速下降，降低内应力，抑制混凝土裂缝的发生。此外，还可以促进粉煤灰的水化反应，避免混凝土温度梯度过大，从而降低混凝土的开裂概率。（2）内部冷却措施，主要是通过在混凝土内部设置冷却水循环系统，减少混凝土内部产生的热量。具体可分为初期和后期两种部署模式。在初始阶段，可以降低混凝土的水化热峰值，减小内外温差。后期主要是满足接缝灌浆的要求，控制混凝土的温度变化。养护工作可以有效地降低混凝土开裂的概率。

4 结语

综上所述，大体积混凝土裂缝的控制主要可以从三个方面着手，分别是温度控制、混凝土浇筑时间控制，材料质量控制等，在施工的过程中借助于合理方法有效降低大体积混凝土内外温差，减小混凝土裂缝的产生。还需要加强对混凝土施工材料的质量控制，提高桥梁工程的整体稳定性，从而促进我国桥梁工程的优化与发展。

参考文献：

[1]魏林，马成贤.桥梁工程大体积混凝土裂缝成因分析及控制措施[J].高速铁路技术，2020，11（1）：38-40.

[2]刘鹏.桥梁承台大体积混凝土温度分析与裂缝控制[D].长沙：长沙理工大学，2017.