桥梁大体积混凝土温度裂缝控制措施探析
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摘要：桥梁大体积混凝土的温度控制是长期困扰施工的难题，本文在阐述温度裂缝产生原因的基础上，从设计、材料、施工、检查与处理等方面，就大体积混凝土温度裂缝的控制进行探讨，以期降低裂缝的发生，保证工程质量。
关键词：桥梁工程；大体积混凝土；温度裂缝
所谓大体积混凝土，《混凝土结构工程施工工艺标准》18.2.1描述如下：最小断面任何一个方向尺寸大于0.8m以上的混凝土结构，其尺寸已大到必须采取相应的技术措施降低其温差，控制温度应力与裂缝开展的混凝土【1】。当前，随着我国工程建设规模的不断扩大，大体积混凝土在桥梁基础、承台、桥墩、主塔、主梁等构件中的应用越来越广泛，大体积混凝土的温度裂缝问题也越来越突出，除影响桥梁的外观质量外，对混凝土结构受力性能、抗渗防水性，钢筋锈蚀性等均产生危害，降低桥梁的使用性，缩短其使用寿命，严重的还会造成桥梁工程失败，因此长期以来，如何有效地控制大体积混凝土的温度裂缝一直是施工技术人员普遍关注的技术问题，笔者就此进行探讨。
1大体积混凝土温度裂缝原因分析
大体积混凝土裂缝主要分为结构性裂缝和非结构性裂缝。其中结构性裂缝主要分为荷载引起的裂缝和施工工艺引起的裂缝，非结构性裂缝主要有收缩裂缝、温差裂缝、安定性裂缝等。笔者主要分析温差裂缝，一般情况下，由混凝土内部和外部的温差产生的裂缝统称为温差裂缝。大体积混凝土浇注时内部温度主要由施工温度和混凝土凝结过程中水泥水化热引起的温度升高两部分组成。施工温度与外界环境气温有关，外界温度越高，施工温度也越高，这只是次要因素，由水泥在水化过程中产生大量的热量，是混凝土内部温升的主要因素。由于大体积混凝土截面厚度大，面积大，浇注时结构内部的热量不容易散发，温度不断上升，在浇注初期，由于混凝土的强度和弹性模量很低，对温度变化引起的变形约束不大，一般不会引起温度裂缝。但随着混凝土龄期的增长，其强度和弹性模量不断提高，对混凝土变形的约束也变大，产生较大的温度应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗时，便产生裂缝。
2桥梁大体积混凝土温度裂缝的控制计算
在一般情况下，大体积混凝土的自身约束和外部约束同时存在，因此，大体积混凝土是否产生温度裂缝，取决于混凝土升温膨胀时在自身约束作用下产生的温度应力最大值和降温收缩时在外部约束作用下产生的温度应力最大值之和是否大于混凝土当时的抗拉强度。一般认为，大体积混凝土内部升温膨胀时在自身约束作用下产生的应力为抛物线分布，并与构件几何尺寸有关，其应力最大值可按下式计算【2】：
=××（1）
其中，为膨胀系数；EO为期龄7h有效弹性模量；为混凝土泊松比；为龄期7h混凝土中心最高温度与表面温度的差值。
大体积混凝土外部约束作用下产生的温度应力最大值可按下式计算【2】：
=KREO （2）
其中，=Tp+Tr-Tf，Tp为混凝土的浇筑温度，Tr为混凝土温度上升的最大值，Tf为混凝土最终稳定的温度；KR为外部约束系数；EO为有效弹性模量；为膨胀系数。
通过公式对比可知，在相同条件下，公式(2)计算出的温度应力大于公式(1)计算出的温度应力值。在实际计算过程中用哪个公式，应考虑结构体的所受约束的边界条件。当结构体不受外部约束，其主要的约束应力是由自身约束引起时(如桥梁的主塔等构件)应采用公式(1)，当结构体受到外部约束时(如桥梁的基础、桥墩受到土体的约束)应采用公式(2)。
3桥梁大体积混凝土温度裂缝控制措施
3.1设计措施
为防止桥梁中大体积混凝土的裂缝，须及时组织设计人员和有关专家，根据水泥混凝土设计理论及规范要求，结合当地的环境、位置、地形、沿线工程和水文条件及地方材料的供应情况，进行深入细致地研究和讨论，提出符合实际的设计参数、材料组成等，以设计出合理经济的大体积水泥混凝土配比设计及施工工艺。如选用强度等级低的混凝土充分利用后期强度，利用混凝土的60d或90d后期强度，这样可以减少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土浇筑块体的温度升高。设计合理的结构形式，减少工程数量，降低水化热。如可根据悬索桥锚碇受力特点，设计挖空非关键受力部分混凝土体积，利用土方压重方案，减少混凝土结构体积。在设计构造方面还应重视合理配筋对混凝土结构抗裂的有益作用。可采取增配构造钢筋(配筋应尽可能采用小直径、小间距，全截面含筋率控制在0.3％～0.5%之间)、在混凝土表面增设金属扩张网等有效措施，有效地提高混凝土抗裂性能。
3.2材料措施
具体措施如下：１）选择合适的水泥并严格控制水泥用量。选择水泥时尽景选择低水化热或中水化热的水泥，同时水泥细度不要过大，避免使用高强或早强水泥。同时，在满足强度的要求下，应尽量降低水泥用量，通常有多种方法可以达到这种目的，如采用后期强度作为设计强度、选用级配良好的骨料、掺入混合料和减水剂等。２）优化混凝土配合比。在保证混凝土强度和满足泵送要求的前提下，要选用级配良好的骨料，并严格控制骨料的含泥量，含泥量要≤1.5%。尽可能采用粒径较大的骨料，最大粒径越大，骨料的空隙率和表面积越小，混凝土的水泥用量就越小，相当于降低混凝土绝热温升。3）掺一定比例的混合材。混合材通常是使用粉煤灰，掺量在10～30%之间。粉煤灰的水化热放热量远小于水泥，7天约为水泥的l/3，28天约为水泥的l/20，掺加粉煤灰可减小水泥用量，有效降低水化热约15%。4）掺外加剂。包括减水剂、缓凝剂、引气剂和膨胀剂等。减水剂具有减水和增塑作用，在保持混凝土坍落度及强度不变的条件下，可减少用水量，节约水泥、降低绝热温升；缓凝剂主要是延长混凝土凝结时间，降低水泥放热速率，相应地就会推迟温峰的到来，起到降低最高温度的作用；引气剂可以改善混凝土的和易性，提高混凝土耐久性，在一定程度上增大混凝土的扰裂性能；膨胀剂可以等量替换水泥，且使混凝土产生适度的膨胀，一方面保证混凝土的密实度，另外可使混凝土内部产生压力，以抵消混凝土中产生的部分拉应力。
3.3施工措施
大体积混凝土施工包括混凝土的生产、 运输、 浇筑和温度及表面保护，是保护大体积混凝土温度裂缝的关键环节。而热应力的控制手段主要是控制混凝土的内外温差△T：△T = Tp+Tr-Tf（Tp、Tr、Tf具体含义见上文）
在温度较高的情况下进行施工时，要注意降低混凝土浇筑时的温度。为减少阳光对施工现场堆在露天的砂石的辐射，可用布将其覆盖，同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水。以上，均可有效降低混凝土的入模温度。在混凝土的内部通入冷却循环水，采用循环法保温养护，以便加快混凝土内部的热量散发。混凝土表面应覆盖一些织物进行保温、保湿养护，如此不仅能降低混凝土内外温差，防止表面产生裂缝，还能防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝，并且还可以使水泥顺利水化，防止产生湿度裂缝。为及时掌握混凝土内部温升与表面温度变化值，可在混凝土内埋设一定量的测温点，从而可以更好地了解混凝土的温度变化情况，一旦内外温差超过允许值25℃，好及时采取措施。若是在冬季进行施工，因为要防止早期混凝土被冻问题，所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。但另一方面，正是由于天气寒冷，混凝土稳定温度一定较低，往往超过允许温差，不能防止混凝土裂缝要求。因此，在冬季施工时混凝土浇筑温度一般以5℃～l0℃为宜，在浇筑混凝土以前还应对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热，对原材料应视气温高低进行加热。加热石料时应避免过热和过分干燥，最高温度不应超过75℃。此外还需注意运输中的保温、浇筑过程中减少热量的损失以及保温养护。
3.4裂缝检查与处理措施
由于目前采用的防止裂缝的安全系数较小，而实际情况又复杂多变，因此实际工程中裂缝难以避免。桥梁大体积混凝土的裂缝分有表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三中。对于表面裂缝因其对结构应力、耐久性和安全基本没有影响，一般不作处理。对深层裂缝和贯穿裂缝可采取凿除裂缝，可用风钻、风镐或人工将裂缝凿除，至看不见为止，凿槽断面为梯形再在上面浇筑混凝土。限裂钢筋，在处理较深的裂缝时，一般是在混凝土已充分冷却后，在裂缝上铺设1～2层的钢筋后再继续浇筑新混凝土。对比较严重的裂缝可采取水泥灌浆和化学灌浆。一般裂缝宽度在0.5mm以上时用水泥灌浆，裂缝宽度小于0.5mm时应采取化学灌浆，其材料一般使用环氧一糠醛丙酮系等浆材。
参考文献：
【1】中国建筑工程总公司.混凝土结构工程施工工艺标准【M】.中国建筑工业出版社，2003.
【2】冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇．混凝土结构的裂缝与对策【M】.北京：机械工业出版社，2006.
【3】杨冰.浅谈桥梁建设中大体积混凝土温度裂缝原因及应对措施【J】.中国科技博览，2010（10）：177.
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