道路桥梁施工大体积混凝土裂缝成因及防治措施

文／陈美燕 领天英才（北京）企业顾问有限公司 北京 100007

引言：

大体积混凝土的实体尺寸最小为1m 的大体量混凝土，相较于普通混凝土而言，其体积相对较大。在道路桥梁工程施工中，大体积混凝土的应用十分广泛，直接关系到道路桥梁工程的最终质量水平。裂缝一直是大体积混凝土的质量痛点所在，需要厘清大体积混凝土裂缝的类型和成因，进而探寻有效的解决之道。

1.道路桥梁施工大体积混凝土裂缝的类型

1.1 温度裂缝

温度裂缝是由温度变化引起的大体积混凝土的收缩或膨胀引起的。特别是在施工环节，裂缝发生的概率相对较高。根据裂缝从深到浅的深度，可以分为三种： 贯穿裂缝、深层裂缝和表面裂缝（图1）。大体积混凝土表面裂缝在外界温度等条件下可以发展为深层裂缝，并进一步发展，最终形成裂缝。贯穿裂缝是最有害的，它切断了大体积混凝土的结构截面，同时也对整个桥梁的稳定性产生了负面影响。

图1 温度裂缝示意图

1.2 收缩裂缝

在路桥工程中，收缩裂缝非常常见，主要有以下几种类型。第一，塑性收缩。由于混凝土失水收缩、骨料沉降，混凝土没有发生硬化问题，这种收缩属于塑性收缩。在集料沉降阶段，由于钢筋块的存在，在钢筋方向附近容易产生塑性收缩裂缝。第二，缩水收缩。缩水收缩是由于混凝土表面层水分逐渐蒸发，湿度降低，混凝土体积不断减小，但混凝土变硬，然后产生一系列变化，导致缩水收缩。第三，自生收缩。在混凝土硬化阶段，水和混凝土产生水合，产生自发收缩，这与外部湿度无关。第四，碳化收缩。二氧化碳、水合物发生化学反应，使桥梁收缩变形。

1.3 荷载裂缝

对于道路和桥梁施工，当桥梁耐受力超过一定限度或频繁荷载时，就会产生裂缝问题。荷载裂缝可分为次应力裂缝和直接应力裂缝。在路桥施工阶段，桥梁结构可能会改变设计或施工过程，从而引起裂缝。在施工阶段，施工设备和材料随机堆放在桥梁上，使路桥超过最大应力承载能力，也会引起荷载裂缝。

1.4 沉降裂缝

由于地基承担上部结构荷载，局部地基承载力不平衡，路桥工程完成后，各部分荷载的差异，使得结构不均匀，不均匀的沉降使得结构内部产生剪应力、拉应力，大于结构本身的剪应力和拉应力，裂缝出现在最脆弱的部位，并产生沉降裂缝。

2.道路桥梁施工大体积混凝土裂缝的形成原因

2.1 材料因素

桥面上的大体积混凝土是通过使用胶粘剂来稳定的，而在固化期间，混凝土会发生一定的变形。因此，由于混凝土用量的增大，很容易造成大体积的混凝土发生较大的变形。这和混凝土的性质和大体积的混凝土的强度有着很大的联系，是整个道路结构的弱点。由于集料处存在孔隙，导致了结构的致密，特别是细集料粒的收缩。由于受外力影响，混凝土和集料在不同的受力条件下，其变形的收缩率不同，而二者之间的结合处十分脆弱，从而导致整体混凝土的力学性能下降。此外，由于水和混凝土比例的不同，造成了混凝土的强度和收缩率的差别。一般使用的是矿渣型硅混凝土，其收缩率高。混凝土砂浆的收缩性能和收缩程度受水量和性能的影响。比如：当体积的体积增大时，体积的收缩会增大。另外，混凝土在水化期会发热，而且因为大容积混合的特性，会造成大量的热集中在混凝土中，而且很难迅速散发，造成了很大的温度变化。

2.2 环境因素

在大体积混凝土的建造中，由于外界温度的变化，导致了浇注的温度发生了变化。特别是当短期内的温度下降非常小的时候，由于内外温差的增大，温度应力也会相应的升高，从而造成了变形，从而出现裂缝（见图2）。在夏天高温下，由于不能很好地将混凝土的内部热量释放出来，将会对结构的性能造成一定的不利作用。而且在养护的过程中，如果环境过于潮湿，会加速混凝土中的水分蒸发，造成混凝土水化不彻底，造成混凝土的收缩和开裂，对混凝土抗渗性有很大的影响。

图2 不同混凝土用量混凝土温升曲线

2.3 设计因素

在结构设计中出现的裂缝往往可以通过相关的科学方法计算出来。其计算过程是首先通过对大型混凝土构件的应力系统进行求解，然后将其与实测的结果相综合，从而确定除计算模式之外的其它应力。大型混凝土建筑在进行设计时，会产生与现场实际加载情况不同的情况。比如在室外气温较高的情况下，这种差别会更加显著，从而导致拱桥拐弯处的钢筋混凝土发生收缩和开裂。因此，在这种条件下，大体积的钢筋混凝土也会发生一定的收缩和开裂，从而引起钢筋的拉伸和温度应力。在显著地高于板层厚度的情况下，梁与板面之间的变形差异会很大，从而引起板内部的张应力，从而形成裂缝。此外，板坯混凝土因其表层面积的差异，导致其干燥收缩速率加快，从而使其发生变化，会出现大小不一的裂缝。

3.道路桥梁施工大体积混凝土裂缝防治对策

3.1 加强对原材料的控制

水化热是引起混凝土温度应力的重要原因，因此，必须对原料进行严格的质量管理。首先，建筑企业要注重原材料的品质，强化工程材料的质量检验，一经查实，不得在施工现场使用。必须保证混凝土，外加剂，水的使用。采用了粗、细骨料等原料，满足了工程需要，为保证混凝土质量提供了必要的依据。其次，施工单位也应该选择低热、高凝的混凝土，例如热硅酸盐混凝土和低热矿渣硅酸盐混凝土。在生产粗集料时，宜选用持续级配，而细集料宜选用中砂。在满足混凝土强度和塌落程度的前提下，必须增加外加剂和集料的用量，以减少用量。同时，要降低混凝土的开裂，必须在混凝土中增加混凝土的掺合比例，以达到工程的要求。同时，要减少砂率、水胶比、坍落度等因素，合理添加适量的粉煤灰，防止开裂。通过多次试验，根据工程实际承载能力的需要，对混凝土的最优配比进行试验。

3.2 加强对温度的控制

第一，减少浇注的降温，其关键在于减少出料的温度，减少了大体积混凝土的整体增温，减小了建筑的内外温差。而在这些措施当中，最直接和最有效的办法就是将原料的低温降下来。在炎热的夏天，施工单位要在沙石堆场设置遮阳设施，以防止阳光照射，并采取喷洒式的冷却方法。在晚上进行混凝土浇注的工作是最佳的。为了减小建筑内部和外部的温差，在冬天应避免混凝土的低温浇注。第二，采用分段分层浇注法，各层的厚度在30cm 以内，并进行致密性振动，以加速水化热的消散，避免开裂。此外，二次振动还可以增强两种不同的混凝土之间的结合强度，大大增强了其抗开裂性能。另外，由于大体积混凝土的表层和中央的气温高于25℃，因此，在进行浇注和拆除模具后，必须采用碘钨灯、定时喷水或储存温水等手段来增加混凝土表层和周围环境的气温。也可以在预先埋设的管线中注入冷、热的水，从而达到对建筑物的内部温度进行调控。第三，要注意补水，尤其是在混凝土刚刚浇注完毕的固化期。此时水化率高，所以要采取喷洒喷雾等方法来改善湿度。适当的润湿和养护可以延缓混凝土的气化速率，从而达到充分水化的目的。混凝土水化形成了细小的微孔，可以有效地改善混凝土的抗渗性能。第四，做好检测工作，做到大体积的混凝土内温的实时监测。在设置温度点时，应尽可能地反映出大体积混凝土的实际情况，应设置在其底部、表面，测量点之间应间隔2.5-5m。在升温期间，测量时间为2h 至4h，在降低时间为8h，同时还要进行外部环境的温度测定。对相关的数据进行记录，并按照记录的情况进行处理。另外，在混凝土施工中，混凝土的施工应注意合理的施工进度，并在施工中适当地进行温度的调控。混凝土浇筑完毕48h，对混凝土的温度状况进行常规检测，以保证混凝土的正常运行。

3.3 优化结构设计

在对大体积混凝土变形开裂进行分析时，必须充分考虑刚度、应力、强度等因素的作用，认真调查现场的具体状况。在大体积混凝土的桥面拐角上设置适当的筋，在此条件下，各向异性受力既可以限制结构的受力，又可以减弱结构的内部应力，这样可以防止出现倾斜的边缝。通过对墙体和平面进行科学的研究，使其布置得更加合理，避免因大体积的混凝土断面突然发生拉伸而产生的张应力。另外，由于大体积混凝土之间的裂缝间隙与约束关系也很紧密，因此可以将其分割为若干个更小型的单元，从而减小了约束。采用上述措施，既可防止出现应力集中现象，又能提高大体积混凝土的抗拉强度，保证较好的工程效果。

3.4 养护措施

第一，大体积混凝土养护，如有需要可以预先埋入冷却管道冷却，或在混凝土表面上铺设防水涂料。应强化对混凝土的隔热养护，以降低其内部和外部的温差。第二，在冬天，严禁对混凝土表面进行灌溉。第三，按施工规程进行混凝土的养护。在碾压层平整后，要尽早用保水性塑料膜进行保护，裸露的表面要严格地包封，并保证胶片中有冷凝的水分。在临近初凝阶段，为了去除混凝土表层的微细裂纹，需要对箱梁类等板状结构进行二次拉拔。第四，喷淋和养护期不宜小于7d，以喷水为佳，每次喷淋都要保证混凝土的湿度。如有需要，可以对混凝土表面进行喷雾，采用风叶来减小速度，或覆盖混凝土表面以避免太阳辐射，从而降低地面的气温。如桥墩、立柱等垂直构件，采用土工织物将圆柱包覆，并将其包覆在塑料薄膜上，并在其内用喷嘴将喷嘴卷住，将管道末端与水槽相连，达到防水保养的目的。第五，尽量迟地拆除混凝土模具，在拆除模具后，混凝土表层的温度不得低于15℃。第六，采用通水降温。在桥梁施工中，通常采取的措施是通过浇注的方法来防止桥面混凝土结构开裂。通过对钢筋混凝土开裂机制的分析，得出了用冷却水管进行分层浇注的结论，既能防止出现漏水、堵水，又能监测出灌浆管道是否漏水、通水是否通透等问题。另外，通过采用薄管输送冷却水的方法，可以有效地减少混凝土的内部温度，防止混凝土的内部产生过热。因此，可以对桥梁的混凝土开裂进行有效地抑制和防止，使其整体的性能得到改善。

4.工程实例分析

4.1 工程概况

某工程采用C40 混凝土进行桥梁施工，桥梁为U 形平台体，混凝土用量为881m3，属大体积混凝土。在施工期间，混凝土应在基坑开挖后分层，高度为3.5m。考虑到施工期间局部地区早晚温差较大，有必要防止温度裂缝的产生。

4.2 温控防裂措施应用

4.2.1 配比设计

在混凝土配合比方面，采取了双掺工艺，通过在水泥中添加超过30%的粉煤灰及外加剂来减少水泥的保温温度，从而延缓了水泥的水化温度。在所述配方中，水泥用量为275kg，粉煤灰82kg，矿石渣量63kg，自然中的粗沙0.53m3，碎石0.83m3，水分0.19m3，外加剂381kg。在此基础上，采用了以粉煤灰为主要原料的干燥剂，以达到8%以上的要求。为了降低砂的含沙量，保证了水泥砼的施工品质，选用大颗粒的集料取代了常规细度较低的集料，最大直径达到40 mm。

4.2.2 冷却管布置

在进行混凝土浇注之前，对其进行科学的计算，得出了其内、外部温度的变化很可能超过极限，因此必须采用相应的控制方法来减缓其内部的水化热上升速率。特别是，必须在工作台上安装好冷却管道，管道的直径为50mm，管道的厚度为2mm。在实际的管件装配中，为了确保管子的牢固，必须采取焊接的方法对其进行定位。在台身部位，一共三个冷却器排布完毕，每一排都分别安装了一个单独的进水口和出水口，并利用阀门来进行水流的流量调节。采用钢筋搭接、采用钢丝绳进行钢梁的搭接，可保证冷却管道的安全，防止在浇注过程中出现部位的改变。在完成管线的铺设后，必须进行分水测试，以确定是否有渗漏，确保管路没有发生阻塞。

4.2.3 施工控制

在搅拌过程中，必须保持在60℃以内的混凝土进入槽内，保证给出充分的冷却时间。在浇注上，采取水平分层，逐层至顶部的工艺，把短方向当作浇灌面，并强化了每层的厚度，从而有效地提高了混凝土的水化温度。并在一定程度上加快了水泥的冷却速率，从而达到了收缩与开裂的目的。为了确保织物均匀度，必须在混凝土初凝之前先浇注上一次混凝土。同时，在浇注期间，混凝土的升温也要尽可能地提高。在每一层的浇筑过程中，应采取二次振动技术，振动次数为2-3h，并将振动棒插入5-15 cm 处，以确保混凝土的内部和外部的致密性。混凝土浇注时，必须对混凝土的入模温度进行严格的调控，宜在13～30℃范围内，夏天时要适当添加少量的冰来降低搅拌的温度。在工地上要做好彩色条幕遮盖工作，避免直接暴露在太阳下。由于在本项目中已进行了大量的钢筋集中布置，因此必须采用抽水式振动锤进行振动。在浇注完毕后，必须进行表层注浆，防止在钢筋底部有较多的湿气，从而防止上部混凝土发生微小裂纹。在初期和后期阶段，为了防止混凝土的表面缩水，必须进行二次涂覆。

4.2.4 温度监测

通过对混凝土的温度监控，实现了对温度控制器件的安装，以及对桥墩部位的大气气温的检测。根据混凝土的内部部位，必须进行53 欧姆的铜热计的安装，并通过数码显示装置精确地进行温度的测定。在浇注完成后，采用温度仪对混凝土的表面进行了检测。在测区温度控制单元的设置上，根据项目的具体条件将其分为三个部分：上、下段距离水泥面50mm 处测温，对Φ10 钢筋上、中、下部进行测温。从测温器上抽出连接点，将各个测量区域连接起来，可以对各个区域的气温进行全方位的监控。通过对温度的监控，发现当内温升高太大时，可以向冷却器中注入凉水，减少了混凝土的内外温差，防止了温度开裂。

4.2.5 养护管理

在拆除之前，由于大容积的预制模板需要很长的一段时间，为了防止内部和外部的温度相差太大，因此需要将温度范围限制在25℃以下。通过对实测数据的分析，发现当温度相差较大时，也可采用土工织物进行表层施工，并在表层上铺上塑料薄膜，浇注水泥养护；使水泥地面保持潮湿。在混凝土初期凝结后，可用冷却器内的热水来进行表面的蓄水，其厚度约为10 cm。在养护21d 后，必须确定混凝土的强度满足规定。没有满足规定的，不得进行模具拆除，并应尽量避开上部结构的模板及支架，防止出现结构开裂。

结语：

综上所述，大体积混凝土作为道路桥梁施工中的常用材料，其一旦出现裂缝，不仅影响到道路桥梁工程的外在美观性，严重情况下，还会危及桥梁工程结构。因此需要对大体积混凝土裂缝类型和成因有一个清晰的认知，才能更好的采取应对措施。文章分别从施工材料、温度控制、结构设计和养护等四个方面提出了优化措施。同时结合工程实例，通过优化材料配比设计，布置冷水管，强化施工过程控制，落实温度监测，有效消除结构温度应力，实现了大体积混凝土温控防裂的目标。