文／陳美燕 領天英才（北京）企業(yè)顧問有限公司 北京 100007

引言：

大體積混凝土的實體尺寸最小為1m 的大體量混凝土，相較于普通混凝土而言，其體積相對較大。在道路橋梁工程施工中，大體積混凝土的應用十分廣泛，直接關系到道路橋梁工程的最終質量水平。裂縫一直是大體積混凝土的質量痛點所在，需要厘清大體積混凝土裂縫的類型和成因，進而探尋有效的解決之道。

1.道路橋梁施工大體積混凝土裂縫的類型

1.1 溫度裂縫

溫度裂縫是由溫度變化引起的大體積混凝土的收縮或膨脹引起的。特別是在施工環(huán)節(jié)，裂縫發(fā)生的概率相對較高。根據裂縫從深到淺的深度，可以分為三種： 貫穿裂縫、深層裂縫和表面裂縫（圖1）。大體積混凝土表面裂縫在外界溫度等條件下可以發(fā)展為深層裂縫，并進一步發(fā)展，最終形成裂縫。貫穿裂縫是最有害的，它切斷了大體積混凝土的結構截面，同時也對整個橋梁的穩(wěn)定性產生了負面影響。

圖1 溫度裂縫示意圖

1.2 收縮裂縫

在路橋工程中，收縮裂縫非常常見，主要有以下幾種類型。第一，塑性收縮。由于混凝土失水收縮、骨料沉降，混凝土沒有發(fā)生硬化問題，這種收縮屬于塑性收縮。在集料沉降階段，由于鋼筋塊的存在，在鋼筋方向附近容易產生塑性收縮裂縫。第二，縮水收縮?？s水收縮是由于混凝土表面層水分逐漸蒸發(fā)，濕度降低，混凝土體積不斷減小，但混凝土變硬，然后產生一系列變化，導致縮水收縮。第三，自生收縮。在混凝土硬化階段，水和混凝土產生水合，產生自發(fā)收縮，這與外部濕度無關。第四，碳化收縮。二氧化碳、水合物發(fā)生化學反應，使橋梁收縮變形。

1.3 荷載裂縫

對于道路和橋梁施工，當橋梁耐受力超過一定限度或頻繁荷載時，就會產生裂縫問題。荷載裂縫可分為次應力裂縫和直接應力裂縫。在路橋施工階段，橋梁結構可能會改變設計或施工過程，從而引起裂縫。在施工階段，施工設備和材料隨機堆放在橋梁上，使路橋超過最大應力承載能力，也會引起荷載裂縫。

1.4 沉降裂縫

由于地基承擔上部結構荷載，局部地基承載力不平衡，路橋工程完成后，各部分荷載的差異，使得結構不均勻，不均勻的沉降使得結構內部產生剪應力、拉應力，大于結構本身的剪應力和拉應力，裂縫出現在最脆弱的部位，并產生沉降裂縫。

2.道路橋梁施工大體積混凝土裂縫的形成原因

2.1 材料因素

橋面上的大體積混凝土是通過使用膠粘劑來穩(wěn)定的，而在固化期間，混凝土會發(fā)生一定的變形。因此，由于混凝土用量的增大，很容易造成大體積的混凝土發(fā)生較大的變形。這和混凝土的性質和大體積的混凝土的強度有著很大的聯(lián)系，是整個道路結構的弱點。由于集料處存在孔隙，導致了結構的致密，特別是細集料粒的收縮。由于受外力影響，混凝土和集料在不同的受力條件下，其變形的收縮率不同，而二者之間的結合處十分脆弱，從而導致整體混凝土的力學性能下降。此外，由于水和混凝土比例的不同，造成了混凝土的強度和收縮率的差別。一般使用的是礦渣型硅混凝土，其收縮率高?；炷辽皾{的收縮性能和收縮程度受水量和性能的影響。比如：當體積的體積增大時，體積的收縮會增大。另外，混凝土在水化期會發(fā)熱，而且因為大容積混合的特性，會造成大量的熱集中在混凝土中，而且很難迅速散發(fā)，造成了很大的溫度變化。

2.2 環(huán)境因素

在大體積混凝土的建造中，由于外界溫度的變化，導致了澆注的溫度發(fā)生了變化。特別是當短期內的溫度下降非常小的時候，由于內外溫差的增大，溫度應力也會相應的升高，從而造成了變形，從而出現裂縫（見圖2）。在夏天高溫下，由于不能很好地將混凝土的內部熱量釋放出來，將會對結構的性能造成一定的不利作用。而且在養(yǎng)護的過程中，如果環(huán)境過于潮濕，會加速混凝土中的水分蒸發(fā)，造成混凝土水化不徹底，造成混凝土的收縮和開裂，對混凝土抗?jié)B性有很大的影響。

圖2 不同混凝土用量混凝土溫升曲線

2.3 設計因素

在結構設計中出現的裂縫往往可以通過相關的科學方法計算出來。其計算過程是首先通過對大型混凝土構件的應力系統(tǒng)進行求解，然后將其與實測的結果相綜合，從而確定除計算模式之外的其它應力。大型混凝土建筑在進行設計時，會產生與現場實際加載情況不同的情況。比如在室外氣溫較高的情況下，這種差別會更加顯著，從而導致拱橋拐彎處的鋼筋混凝土發(fā)生收縮和開裂。因此，在這種條件下，大體積的鋼筋混凝土也會發(fā)生一定的收縮和開裂，從而引起鋼筋的拉伸和溫度應力。在顯著地高于板層厚度的情況下，梁與板面之間的變形差異會很大，從而引起板內部的張應力，從而形成裂縫。此外，板坯混凝土因其表層面積的差異，導致其干燥收縮速率加快，從而使其發(fā)生變化，會出現大小不一的裂縫。

3.道路橋梁施工大體積混凝土裂縫防治對策

3.1 加強對原材料的控制

水化熱是引起混凝土溫度應力的重要原因，因此，必須對原料進行嚴格的質量管理。首先，建筑企業(yè)要注重原材料的品質，強化工程材料的質量檢驗，一經查實，不得在施工現場使用。必須保證混凝土，外加劑，水的使用。采用了粗、細骨料等原料，滿足了工程需要，為保證混凝土質量提供了必要的依據。其次，施工單位也應該選擇低熱、高凝的混凝土，例如熱硅酸鹽混凝土和低熱礦渣硅酸鹽混凝土。在生產粗集料時，宜選用持續(xù)級配，而細集料宜選用中砂。在滿足混凝土強度和塌落程度的前提下，必須增加外加劑和集料的用量，以減少用量。同時，要降低混凝土的開裂，必須在混凝土中增加混凝土的摻合比例，以達到工程的要求。同時，要減少砂率、水膠比、坍落度等因素，合理添加適量的粉煤灰，防止開裂。通過多次試驗，根據工程實際承載能力的需要，對混凝土的最優(yōu)配比進行試驗。

3.2 加強對溫度的控制

第一，減少澆注的降溫，其關鍵在于減少出料的溫度，減少了大體積混凝土的整體增溫，減小了建筑的內外溫差。而在這些措施當中，最直接和最有效的辦法就是將原料的低溫降下來。在炎熱的夏天，施工單位要在沙石堆場設置遮陽設施，以防止陽光照射，并采取噴灑式的冷卻方法。在晚上進行混凝土澆注的工作是最佳的。為了減小建筑內部和外部的溫差，在冬天應避免混凝土的低溫澆注。第二，采用分段分層澆注法，各層的厚度在30cm 以內，并進行致密性振動，以加速水化熱的消散，避免開裂。此外，二次振動還可以增強兩種不同的混凝土之間的結合強度，大大增強了其抗開裂性能。另外，由于大體積混凝土的表層和中央的氣溫高于25℃，因此，在進行澆注和拆除模具后，必須采用碘鎢燈、定時噴水或儲存溫水等手段來增加混凝土表層和周圍環(huán)境的氣溫。也可以在預先埋設的管線中注入冷、熱的水，從而達到對建筑物的內部溫度進行調控。第三，要注意補水，尤其是在混凝土剛剛澆注完畢的固化期。此時水化率高，所以要采取噴灑噴霧等方法來改善濕度。適當的潤濕和養(yǎng)護可以延緩混凝土的氣化速率，從而達到充分水化的目的?；炷了纬闪思毿〉奈⒖?，可以有效地改善混凝土的抗?jié)B性能。第四，做好檢測工作，做到大體積的混凝土內溫的實時監(jiān)測。在設置溫度點時，應盡可能地反映出大體積混凝土的實際情況，應設置在其底部、表面，測量點之間應間隔2.5-5m。在升溫期間，測量時間為2h 至4h，在降低時間為8h，同時還要進行外部環(huán)境的溫度測定。對相關的數據進行記錄，并按照記錄的情況進行處理。另外，在混凝土施工中，混凝土的施工應注意合理的施工進度，并在施工中適當地進行溫度的調控?；炷翝仓戤?8h，對混凝土的溫度狀況進行常規(guī)檢測，以保證混凝土的正常運行。

3.3 優(yōu)化結構設計

在對大體積混凝土變形開裂進行分析時，必須充分考慮剛度、應力、強度等因素的作用，認真調查現場的具體狀況。在大體積混凝土的橋面拐角上設置適當的筋，在此條件下，各向異性受力既可以限制結構的受力，又可以減弱結構的內部應力，這樣可以防止出現傾斜的邊縫。通過對墻體和平面進行科學的研究，使其布置得更加合理，避免因大體積的混凝土斷面突然發(fā)生拉伸而產生的張應力。另外，由于大體積混凝土之間的裂縫間隙與約束關系也很緊密，因此可以將其分割為若干個更小型的單元，從而減小了約束。采用上述措施，既可防止出現應力集中現象，又能提高大體積混凝土的抗拉強度，保證較好的工程效果。

3.4 養(yǎng)護措施

第一，大體積混凝土養(yǎng)護，如有需要可以預先埋入冷卻管道冷卻，或在混凝土表面上鋪設防水涂料。應強化對混凝土的隔熱養(yǎng)護，以降低其內部和外部的溫差。第二，在冬天，嚴禁對混凝土表面進行灌溉。第三，按施工規(guī)程進行混凝土的養(yǎng)護。在碾壓層平整后，要盡早用保水性塑料膜進行保護，裸露的表面要嚴格地包封，并保證膠片中有冷凝的水分。在臨近初凝階段，為了去除混凝土表層的微細裂紋，需要對箱梁類等板狀結構進行二次拉拔。第四，噴淋和養(yǎng)護期不宜小于7d，以噴水為佳，每次噴淋都要保證混凝土的濕度。如有需要，可以對混凝土表面進行噴霧，采用風葉來減小速度，或覆蓋混凝土表面以避免太陽輻射，從而降低地面的氣溫。如橋墩、立柱等垂直構件，采用土工織物將圓柱包覆，并將其包覆在塑料薄膜上，并在其內用噴嘴將噴嘴卷住，將管道末端與水槽相連，達到防水保養(yǎng)的目的。第五，盡量遲地拆除混凝土模具，在拆除模具后，混凝土表層的溫度不得低于15℃。第六，采用通水降溫。在橋梁施工中，通常采取的措施是通過澆注的方法來防止橋面混凝土結構開裂。通過對鋼筋混凝土開裂機制的分析，得出了用冷卻水管進行分層澆注的結論，既能防止出現漏水、堵水，又能監(jiān)測出灌漿管道是否漏水、通水是否通透等問題。另外，通過采用薄管輸送冷卻水的方法，可以有效地減少混凝土的內部溫度，防止混凝土的內部產生過熱。因此，可以對橋梁的混凝土開裂進行有效地抑制和防止，使其整體的性能得到改善。

4.工程實例分析

4.1 工程概況

某工程采用C40 混凝土進行橋梁施工，橋梁為U 形平臺體，混凝土用量為881m3，屬大體積混凝土。在施工期間，混凝土應在基坑開挖后分層，高度為3.5m?？紤]到施工期間局部地區(qū)早晚溫差較大，有必要防止溫度裂縫的產生。

4.2 溫控防裂措施應用

4.2.1 配比設計

在混凝土配合比方面，采取了雙摻工藝，通過在水泥中添加超過30%的粉煤灰及外加劑來減少水泥的保溫溫度，從而延緩了水泥的水化溫度。在所述配方中，水泥用量為275kg，粉煤灰82kg，礦石渣量63kg，自然中的粗沙0.53m3，碎石0.83m3，水分0.19m3，外加劑381kg。在此基礎上，采用了以粉煤灰為主要原料的干燥劑，以達到8%以上的要求。為了降低砂的含沙量，保證了水泥砼的施工品質，選用大顆粒的集料取代了常規(guī)細度較低的集料，最大直徑達到40 mm。

4.2.2 冷卻管布置

在進行混凝土澆注之前，對其進行科學的計算，得出了其內、外部溫度的變化很可能超過極限，因此必須采用相應的控制方法來減緩其內部的水化熱上升速率。特別是，必須在工作臺上安裝好冷卻管道，管道的直徑為50mm，管道的厚度為2mm。在實際的管件裝配中，為了確保管子的牢固，必須采取焊接的方法對其進行定位。在臺身部位，一共三個冷卻器排布完畢，每一排都分別安裝了一個單獨的進水口和出水口，并利用閥門來進行水流的流量調節(jié)。采用鋼筋搭接、采用鋼絲繩進行鋼梁的搭接，可保證冷卻管道的安全，防止在澆注過程中出現部位的改變。在完成管線的鋪設后，必須進行分水測試，以確定是否有滲漏，確保管路沒有發(fā)生阻塞。

4.2.3 施工控制

在攪拌過程中，必須保持在60℃以內的混凝土進入槽內，保證給出充分的冷卻時間。在澆注上，采取水平分層，逐層至頂部的工藝，把短方向當作澆灌面，并強化了每層的厚度，從而有效地提高了混凝土的水化溫度。并在一定程度上加快了水泥的冷卻速率，從而達到了收縮與開裂的目的。為了確?？椢锞鶆蚨龋仨氃诨炷脸跄跋葷沧⑸弦淮位炷痢Ｍ瑫r，在澆注期間，混凝土的升溫也要盡可能地提高。在每一層的澆筑過程中，應采取二次振動技術，振動次數為2-3h，并將振動棒插入5-15 cm 處，以確保混凝土的內部和外部的致密性?；炷翝沧r，必須對混凝土的入模溫度進行嚴格的調控，宜在13～30℃范圍內，夏天時要適當添加少量的冰來降低攪拌的溫度。在工地上要做好彩色條幕遮蓋工作，避免直接暴露在太陽下。由于在本項目中已進行了大量的鋼筋集中布置，因此必須采用抽水式振動錘進行振動。在澆注完畢后，必須進行表層注漿，防止在鋼筋底部有較多的濕氣，從而防止上部混凝土發(fā)生微小裂紋。在初期和后期階段，為了防止混凝土的表面縮水，必須進行二次涂覆。

4.2.4 溫度監(jiān)測

通過對混凝土的溫度監(jiān)控，實現了對溫度控制器件的安裝，以及對橋墩部位的大氣氣溫的檢測。根據混凝土的內部部位，必須進行53 歐姆的銅熱計的安裝，并通過數碼顯示裝置精確地進行溫度的測定。在澆注完成后，采用溫度儀對混凝土的表面進行了檢測。在測區(qū)溫度控制單元的設置上，根據項目的具體條件將其分為三個部分：上、下段距離水泥面50mm 處測溫，對Φ10 鋼筋上、中、下部進行測溫。從測溫器上抽出連接點，將各個測量區(qū)域連接起來，可以對各個區(qū)域的氣溫進行全方位的監(jiān)控。通過對溫度的監(jiān)控，發(fā)現當內溫升高太大時，可以向冷卻器中注入涼水，減少了混凝土的內外溫差，防止了溫度開裂。

4.2.5 養(yǎng)護管理

在拆除之前，由于大容積的預制模板需要很長的一段時間，為了防止內部和外部的溫度相差太大，因此需要將溫度范圍限制在25℃以下。通過對實測數據的分析，發(fā)現當溫度相差較大時，也可采用土工織物進行表層施工，并在表層上鋪上塑料薄膜，澆注水泥養(yǎng)護；使水泥地面保持潮濕。在混凝土初期凝結后，可用冷卻器內的熱水來進行表面的蓄水，其厚度約為10 cm。在養(yǎng)護21d 后，必須確定混凝土的強度滿足規(guī)定。沒有滿足規(guī)定的，不得進行模具拆除，并應盡量避開上部結構的模板及支架，防止出現結構開裂。

結語：

綜上所述，大體積混凝土作為道路橋梁施工中的常用材料，其一旦出現裂縫，不僅影響到道路橋梁工程的外在美觀性，嚴重情況下，還會危及橋梁工程結構。因此需要對大體積混凝土裂縫類型和成因有一個清晰的認知，才能更好的采取應對措施。文章分別從施工材料、溫度控制、結構設計和養(yǎng)護等四個方面提出了優(yōu)化措施。同時結合工程實例，通過優(yōu)化材料配比設計，布置冷水管，強化施工過程控制，落實溫度監(jiān)測，有效消除結構溫度應力，實現了大體積混凝土溫控防裂的目標。