桥梁工程大体积混凝土裂缝成因分析及控制措施

魏 林 马成贤

(中国国家铁路集团有限公司， 北京 100844)

随着我国国民经济水平的不断提高和城市化进程的加速推进，作为交通基础建设的重要组成部分，桥梁工程也进入了高速发展的阶段，朝着更大体量、跨度、荷载以及更长运营寿命周期等方向不断突破[1]。混凝土是桥梁工程的主要建筑材料，具有可塑性强、经济性和耐久性较好、抗压强度较高的优点，但也同时存在结构效率较低、易裂、抗拉强度低、质量控制难度大等缺点，尤其是大体积混凝土结构，易产生表面裂缝，对结构耐久性影响较大，若形成贯穿裂缝则会严重削弱结构体受力性能。因此，需对施工过程中混凝土结构的裂缝成因进行分析,并分阶段制定控制措施,提高施工质量。

1 裂缝成因分析

施工期间，大体积混凝土裂缝主要成因可分为四个部分：(1)内部水泥水化热反应；(2)外界温度变化；(3)外部约束作用；(4)混凝土收缩变形[2]。

1.1 内部水泥水化热反应

混凝土在凝结过程中，以水泥为主的组成物与约20%的拌和水会发生水化热反应，其中铝酸三钙(3CaO·Al2O3)和硅酸三钙(3CaO·SiO3)为组成物中的主要水化放热化合物，化学能转化为大量热能，形成粘结砂石材料的可塑性浆体，最后凝结硬化成为石状体。在一定的环境温度下，断面厚、表面系数和导热效率较低，使得大体积混凝土结构水化放热速度显著高于自发散热速度，并形成由芯部至表面的温度梯度，大温差将产生较大的温度应力，该应力受外部及外层混凝土约束。在温升阶段，表现为浇筑体芯部受压，表面受拉，当温度拉应力超过混凝土极限拉应力时，将在局部形成裂缝。

1.2 外界温度变化

环境温度随时间呈周期性变化，且变温幅度一般较大。混凝土表层温度受内部传热等因素影响，其变化速率相对缓慢。当浇筑体表层与环境温度温差较大时，热传导速率增高，将加剧混凝土内外温度梯度，加剧裂缝发育。混凝土结构在试验室绝热、恒温环境及现场施工环境下应力随龄期的发展曲线如图1所示。从图1可以看出，温差控制对降低混凝土受拉开裂风险影响显著。

图1 混凝土在不同温控环境下应力-龄期曲线图

1.3 外部约束作用

在水化热反应末期，混凝土由内至外开始逐渐导热降温，非水化热反应水分散失，其叠加作用导致混凝土体积逐渐收缩。收缩趋势受到原浇筑基础等的外部约束作用(嵌固或摩擦)，将会产生较大的局部拉应力。

1.4 混凝土收缩变形

在养护阶段，混凝土若遭受风吹日晒，则会加剧毛细孔道失水，从而加剧混凝土收缩。同时，含水量的减少将导致后续硬化效率降低，而此时混凝土尚处于强度发展的初期，抗裂能力不强，从而易产生裂缝。

相对低标号混凝土而言，高强混凝土水灰比较小，在水化反应中需消耗的内部水分较多，其收缩特性更为明显。目前大跨度桥梁工程广泛使用高强混凝土，因此更加需要关注收缩变形产生的混凝土裂缝。

2 裂缝控制措施探讨

大体积混凝土施工裂缝可从设计阶段、前期施工阶段、后期施工阶段分别进行控制。

(1)设计阶段

①在构造方面，通过设置混凝土保护层防裂网、在结构中间部位增设水平钢筋网以及适度加密构造钢筋等措施，限制大体积混凝土易裂部位的收缩，提高其抗裂能力。

②在配合比设计方面，首先可从水化反应散热源头出发，优选胶凝材料及掺合料，降低水化热总量或其反应速率，从而达到减小混凝土绝热温升、增强其抗收缩性能的目的[3]。作为活性材料，粉煤灰有改善细骨料级配、减小泌水的作用。同时，其释放的水化热量(同等含量下)一般仅为水泥放热量的 5%～35%,并可一定程度上延缓前期水化反应速率，从而降低温升速率和峰值温度，减小早期自收缩[4]。与粉煤灰相比，矿渣虽能有效缓释早期水化热反应，但其收缩性较大，在大体积混凝土配合比设计中不宜大掺量使用。

其次，选用合适的外加剂，能在一定程度上发挥改善混凝土工作性能、控制水化反应速度或补偿后期收缩的功效。膨胀剂水化生成的细微结晶产物可以填堵毛细孔，降低孔隙率，因此，在混凝土中掺入适量的膨胀剂，可使混凝土的强度和膨胀同步发生，协调发展，达到适宜的应力状态，从而提高混凝土抗裂能力。但目前仍存在其作用期与混凝土温度升降期不协调的情况，使得在大体积混凝土中，膨胀效能在早期温升过程中被大量无效释放，补偿温降收缩的实际能力有限。此外，膨胀材料基本不降低混凝土的温升，仍需从混凝土水化放热源头开展研究，优化并控制结构的温度历程。在混凝土中掺用减水剂可分散水泥，提升混凝土流动性。掺加缓凝剂可推迟初凝时间，降低水化速度且不影响后期强度，但在一定程度上会引起混凝土泌水和离析。

再者，可应用钢纤维和聚丙烯腈纤维等掺用技术。聚丙烯腈纤维可在混凝土中分散成单丝状，从而形成内部约束，减少离析，并降低混凝土失水收缩率，有效提高混凝土的抗拉强度[5]。

(2)前期施工阶段

在正式浇筑前，宜对前轮施工完成的混凝土作 3 d以上的喷淋保湿处理，使混凝土充分吸水湿胀，从而达到减小对上节新浇混凝土收缩约束的目的。在不影响既有结构物受力特征的前提下，还可在浇筑体底部涂刷沥青等材料，并铺设油毡，以形成滑动面，减弱嵌固作用下基础部位对硬化阶段混凝土的约束程度。

在控制入模温度方面，应根据施工期间外界环境的温度、湿度来确定相应的温控措施，如低温天气下，原材料应保温、防雨雪，拌和用水可提前利用锅炉加热再进行供应，泵管采用橡塑海绵等保温材料包裹；高温天气下，应搭设遮阳棚遮盖防晒，骨料堆应适当喷水降温[6]，拌和水可适当掺加冰块，同时还应考虑泵送管道的沿程降温，如在泵送管道外包缠土工布或麻袋等保水材料并持续洒水保湿等。单位水加冰量参考公式(1)计算。

(1)

式中：X——每吨水需加冰量(kg);

Tw0——加冰前水的温度(℃);

Tw——加冰后水的温度(℃)。

在浇筑施工方面，宜选取环境温度较为稳定的夜间施工，水平均匀分层连续浇筑，并严格控制分层厚度，配合振捣密实，加速早期过量水化热能向外界的均匀传导。在高温天气下还应对模板进行遮阳及喷水雾降温处理。若采用预埋冷却水管调控新浇大体积混凝土的内部温度，应根据温升情况调整冷却水流量，快速带走热量，削弱温度峰值，并控制混凝土芯部与表面温差。冷却水与周圈混凝土温差也应控制在一定范围内，防止局部冷击导致裂缝。在降温阶段，逐步降低冷却水进水流量直至关闭，使大体积混凝土内部缓慢匀速降温[7]。

(3)后期施工阶段

①拆模前养护

混凝土浇筑完成后，在高温环境下可采取通水喷淋养护方式，在低温环境下可采用铺设防风棉被养护方式，养护过程中不得干湿交替，避免反复收缩加剧裂缝发育。应避免持续日照曝晒，施工前根据水泥及外加剂类型或试验结论，规划拆模前后养护时间，现场还宜根据温度、湿度监控结果，合理判定，保证带模养护时间，减缓混凝土表面温度、湿度变化速率，使混凝土局部温度应力恒低于抗拉强度。

②拆模后养护

拆模后应及时延续对混凝土表面进行控温保湿，并可在大体积混凝土表面涂刷防护剂(如硅烷液体等)，在混凝土表面形成薄膜层，延缓水分流失。初凝前表面刮平、终凝前再适当抹面也可在一定程度上减少表层裂缝的生成。

3 结束语

目前，大体积混凝土在大桥梁工程领域的应用越来越普遍，质量标准也日益提升，但限于混凝土自身特性和裂缝控制技术的欠缺，混凝土裂缝病害在许多工程项目中仍难以避免。因此应针对其内在机理，分阶段制定抗裂质量控制措施。重点是从源头出发，优化混凝土材料组分设计。随着新材料、新理念的不断诞生，其研发应用前景广阔[8]。理论基础的不断加深拓宽、跨界工艺的不断融合改良、工装设备的不断升级提效，将为大体积混凝土的施工质量奠定坚实的基础。