張寶泉

（邢臺(tái)路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北邢臺(tái) 054001）

1 引言

公路和橋梁是目前使用最為廣泛的基礎(chǔ)建設(shè)工程，其施工重要材料——混凝土的安全耐用性對(duì)于施工單位和施工人員至關(guān)重要?；炷辆哂辛己玫姆€(wěn)定性和剛度，但其結(jié)構(gòu)在溫度的影響下容易產(chǎn)生裂縫。假如施工溫度不能得到有效控制，則公路和橋梁將會(huì)出現(xiàn)裂縫，影響公路和橋梁的安全使用[1]。研究對(duì)公路和橋梁混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力的產(chǎn)生過(guò)程和混凝土裂縫的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入分析，并在此基礎(chǔ)上給出了混凝土裂縫的防治措施，旨在提升混凝土的施工質(zhì)量，使其滿足行業(yè)基本要求。

2 溫度應(yīng)力的產(chǎn)生和混凝土裂縫機(jī)理

2.1 溫度應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程

公路和橋梁混凝土的溫度應(yīng)力形成過(guò)程在混凝土澆筑工序開(kāi)始到放熱結(jié)束階段，可分為早、中、晚3 個(gè)階段。

早期階段，混凝土內(nèi)部的溫度逐漸提升，當(dāng)內(nèi)部熱量的降低程度處于穩(wěn)定水平時(shí)，即內(nèi)部熱量不再急劇增加時(shí)，混凝土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力，這是由于混凝土彈性模量改變而產(chǎn)生的參量。應(yīng)力產(chǎn)生后，混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨之發(fā)生正向變化，即混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不斷增加，則混凝土的強(qiáng)度逐漸提升。在這種情況下，混凝土內(nèi)部熱量的釋放速度會(huì)逐漸減慢，混凝土的強(qiáng)度將穩(wěn)定在一定數(shù)值不會(huì)再發(fā)生變動(dòng)[2]。

中期階段，混凝土內(nèi)部熱量有所降低，此時(shí)彈性模量的變化程度將進(jìn)一步降低，并且外界環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度將保持不變。

后期階段，外界環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度差為0，此時(shí)熱量不再?gòu)膬?nèi)部結(jié)構(gòu)釋放到外界環(huán)境。假如外界環(huán)境溫度出現(xiàn)大幅度的降低或者提升，則混凝土的整體溫度將會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的降低或提升，新的溫度應(yīng)力會(huì)隨之形成。此時(shí)混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力會(huì)達(dá)到最大數(shù)值，表現(xiàn)為早期溫度應(yīng)力和晚期溫度應(yīng)力。圖1 是不同類型混凝土的溫度在不同澆筑時(shí)間段的曲線變化。礦渣硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的整體溫度應(yīng)力曲線變化趨勢(shì)一致，但由于前種類型的水泥強(qiáng)度更高，水泥水熱化值在相同時(shí)間點(diǎn)更高，因此，前者的最大溫度應(yīng)力值更高。

圖1 不同類型混凝土的溫度在不同澆筑時(shí)間段的曲線變化

2.2 混凝土裂縫形成機(jī)理

混凝土裂縫形成原因可歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：前期工作準(zhǔn)備不到位、混凝土的水化熱反應(yīng)、外界溫度的影響。在前期準(zhǔn)備工作中，混凝土施工質(zhì)量的主要影響因素為配合比。在前期施工準(zhǔn)備階段，若施工單位沒(méi)有嚴(yán)格遵循國(guó)家對(duì)混凝土配合比的相關(guān)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得混凝土中水或者水泥的摻量不滿足要求，使混凝土的強(qiáng)度及重度不符合要求，會(huì)導(dǎo)致后期應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)縫隙、坍陷、膨脹等問(wèn)題。更為嚴(yán)重的情況是，水泥的含量失去平衡將會(huì)出現(xiàn)表面離析，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)由于水泥含量的缺失導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，進(jìn)而表面會(huì)出現(xiàn)裂縫[3]。

另外，若外加劑添加不合理，會(huì)導(dǎo)致混凝土發(fā)生徐變，從而引發(fā)裂縫。外加劑的應(yīng)用目的是提升混凝土結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，但不同類型和不同用量的外加劑的使用過(guò)程中，混凝土結(jié)構(gòu)也可能會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此，外加劑類型的選擇和用量必須合理。

在混凝土的硬化過(guò)程中，水和水泥發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水化熱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速提升。同時(shí)，混凝土構(gòu)造的路面防護(hù)體系較厚，導(dǎo)致水化熱的散發(fā)難度增加，進(jìn)而造成了公路和橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差過(guò)大?；炷帘砻鏁?huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當(dāng)該值超過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力時(shí)，結(jié)構(gòu)表面將出現(xiàn)范圍較大的裂縫。

在混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)階段，施工單位需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫處理，主要是考慮外界環(huán)境的突然變化會(huì)造成混凝土內(nèi)外部產(chǎn)生較大的溫差。如果遇到驟冷天氣，混凝土內(nèi)部的溫度在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法快速下降，混凝土表面將會(huì)形成很大的拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)表面形成裂縫，如圖2 所示。

圖2 混凝土裂縫

3 公路和橋梁混凝土的裂縫防治措施

3.1 優(yōu)化混凝土配合比，選取合適的原材料

公路和橋梁混凝土因施工溫度導(dǎo)致的裂縫較為常見(jiàn)，但施工人員和施工單位可通過(guò)有效的治理和預(yù)防手段進(jìn)行干預(yù)，能在很大程度上降低裂縫產(chǎn)生的概率，同時(shí)，也能減少由于裂縫的產(chǎn)生造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，施工相關(guān)負(fù)責(zé)人應(yīng)從施工前準(zhǔn)備、正式施工、施工后期3 個(gè)階段制定相關(guān)的混凝土溫度控制和裂縫防治措施。施工責(zé)任人在施工準(zhǔn)備階段應(yīng)對(duì)混凝土原材料進(jìn)行分析，最重要的是選擇合理的水泥材料。選擇過(guò)程遵循以下原則：首先選擇低水化熱水泥，如礦渣水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥；其次，經(jīng)多次測(cè)試和試驗(yàn)確定混凝土的配合比。依據(jù)不同水泥的特性，本文選擇粉煤灰硅酸鹽水泥進(jìn)行探討，材料選擇過(guò)程為如下。

其一，由于粉煤灰的主要成分為MgO、CaO、Al2O3、SiO2等，高溫環(huán)境下這些成分有較高的反應(yīng)活性，因此，確定MgO、CaO、Al2O3三種原材料的含量約為70%。

其二，粉煤灰顆粒的最大粒徑不超過(guò)45 um，玻璃微珠的粒徑取值范圍為10～30 um。

其三，如果需要配制的混凝土強(qiáng)度為高強(qiáng)度混凝土，則粉煤灰需選擇超細(xì)粉；反之，粉煤灰需選擇較細(xì)粉。

其四，若玻璃微珠由密實(shí)的玻璃體組成，則在配置過(guò)程中的摻水量較少；反之，若玻璃微珠由疏松的玻璃體組成，則配置過(guò)程中的摻水量較多。因此，粉煤灰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了混凝土配制過(guò)程中的需水量。

確定粉煤灰的組成后，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)。并通過(guò)評(píng)估指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。施工單位需在粉煤灰中加入減水劑，確?；炷恋暮鸵仔?。

為了評(píng)估不同配合比的效果，設(shè)計(jì)減水劑、粉煤灰、水泥等材料的相容性試驗(yàn)。相容性實(shí)驗(yàn)可評(píng)估材料的各個(gè)組成部分是否可實(shí)現(xiàn)物理相容。試驗(yàn)效果通過(guò)流淌時(shí)間、坍落度、泌水性、擴(kuò)展度四大相容性評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分析，測(cè)試過(guò)程參考相關(guān)行業(yè)的操作流程。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)由同一個(gè)人測(cè)試3 次取平均數(shù)值。正常溫濕度以及沒(méi)有外界干擾的情況下，減水劑、粉煤灰、水泥各種材料不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，各個(gè)材料間具有良好的相容性需滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：流淌時(shí)間在8～30 s，擴(kuò)展度最小值為470 mm，坍落度為20～180 mm，泌水性低于40%。如果粉煤灰的壓力泌水率低于40%，則可證明不會(huì)出現(xiàn)材料之間分層的現(xiàn)象。

3.2 合理控制施工階段的溫度

混凝土裂縫的產(chǎn)生大多數(shù)發(fā)生在混凝土施工階段，假如在該階段將溫度控制在合理范圍，則對(duì)于因溫度差的產(chǎn)生的裂縫防治效果更加明顯。若在炎熱季節(jié)施工，需要在混凝土澆筑過(guò)程中對(duì)澆筑厚度進(jìn)行控制，便于將混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水化熱在短時(shí)間內(nèi)傳遞到外界，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫差，混凝土澆筑最佳方案的選擇可依賴于混凝土溫度的檢測(cè)。同時(shí)，需將外界環(huán)境和混凝土內(nèi)部溫度控制在約25 ℃，最大不能超過(guò)30 ℃。水泥、砂石、攪拌水的溫度需控制在25～30 ℃。正式施工前期，混凝土原材料需通過(guò)降溫措施保證溫度符合施工標(biāo)準(zhǔn)?；炷翑嚢枵居玫降脑O(shè)備需避免陽(yáng)光直射，同時(shí)需視季節(jié)變化對(duì)設(shè)備進(jìn)行加熱或冷卻。攪拌過(guò)程的時(shí)間應(yīng)盡量短，這不僅能減少摩擦產(chǎn)熱，同時(shí)還能使其符合行業(yè)要求。

澆筑前期應(yīng)預(yù)先在模板內(nèi)設(shè)置冷凝管和溫度監(jiān)控裝置，冷凝水管需和主筋交叉排列，同時(shí)需綁在豎向鋼筋管或鋼架上，并保證澆筑的混凝土能夠覆蓋每一層循環(huán)冷卻水管，然后接通水管并向模內(nèi)注水，使模內(nèi)混凝土溫度快速下降。澆筑完成后，可通過(guò)溫度監(jiān)控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控模內(nèi)混凝土的溫度，一旦溫度差值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫差范圍，可及時(shí)注水冷卻。另外，工作人員還要記錄冷卻水管進(jìn)出口的水溫。

3.3 合理控制養(yǎng)護(hù)階段的溫度

混凝土養(yǎng)護(hù)能很大程度上防止出現(xiàn)施工裂縫，對(duì)于公路和橋梁工程項(xiàng)目質(zhì)量的提升至關(guān)重要。在公路和橋梁工程項(xiàng)目階段，養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)為防止混凝土表面的水分流失，特別是在混凝土固化過(guò)程中?；炷了逐B(yǎng)護(hù)包括化學(xué)養(yǎng)護(hù)和物理養(yǎng)護(hù)兩種方式，即噴膜養(yǎng)護(hù)和覆蓋養(yǎng)護(hù)。噴膜養(yǎng)護(hù)作為一種利用化學(xué)試劑的養(yǎng)護(hù)方式，通常是在拆模后在混凝土表面均勻噴灑化學(xué)養(yǎng)護(hù)劑，此時(shí)化學(xué)養(yǎng)護(hù)劑可在混凝土表面形成一個(gè)致密的薄膜層。該薄膜層能杜絕混凝土內(nèi)部水分散失，確?；炷恋臐穸缺３衷诤侠頂?shù)值內(nèi)。但該方法的投入成本較高，目前僅適用于塔柱、橋梁高墩、掛籃旋澆梁結(jié)構(gòu)。覆蓋養(yǎng)護(hù)是在混凝土上方搭建保溫棚以降低外界溫度和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的差值，或者覆蓋塑料薄膜、巖棉、麻袋等保溫材料。

除此之外，混凝土養(yǎng)護(hù)階段也可通過(guò)冷卻管對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行合理控制，冷卻管可通過(guò)真空壓漿和注漿方式進(jìn)行處理，以提升混凝土工程的整體強(qiáng)度，冷卻管需注意水的流速和溫度。另外，需注重混凝土的最佳養(yǎng)護(hù)時(shí)間，經(jīng)多名研究學(xué)者的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，混凝土養(yǎng)護(hù)的最佳時(shí)間為澆筑完成后15 d 內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)公路和橋梁混凝土的施工溫度及產(chǎn)生裂縫機(jī)理進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出了裂縫防治措施。施工單位在制定裂縫防治措施時(shí)需針對(duì)施工前準(zhǔn)備、正式施工、施工后期3 個(gè)階段進(jìn)行考慮。施工前需優(yōu)化混凝土配合比，選取合適的原材料；正式施工階段需采取冷凝管、測(cè)溫管等措施對(duì)溫度進(jìn)行控制；施工后期階段需選取合適的養(yǎng)護(hù)方法對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。研究結(jié)果可為混凝土裂縫的防治提供建議，進(jìn)而提升公路和橋梁工程混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。