大体积混凝土抗裂缝措施在桥梁工程中的应用

2018年第28期（10月 上）

大体积混凝土抗裂缝措施在桥梁

工程中的应用

周海成

（河北廊坊市公路工程质量安全监督处，河北 廊坊 065000）

摘要：首先归纳了大体积混凝土出现的裂缝种类，如贯穿裂缝，深层裂缝，表面裂缝等，对大体积混凝土产生裂缝现象的原因进行分析，主要包括水泥水化热，混凝土的收缩，收缩后的徐变应力作用，外界气温影响，施工质量均匀性影响等问题，最后对大体积混凝土的配合比设计原则以及防止大体积混凝土产生裂缝的施工技术措施进行深入研究。关键词：大体积混凝土；抗裂措施；桥梁工程中图分类号：U445.4

文献标识码：B

0 引言

大体积混凝土是指几何尺寸的长、宽、高任何一项不小于1.0m；且施工浇筑工程中采用温度控制措施的混凝土。在公路交通建设中的重力式桥墩、大型承台等结构形式比较常见，根据工程实践表明；大体积混凝土的裂缝现象非常典型，势必对结构的耐久性产生严重危害，因此；从设计到施工应采取必要的技术措施，使其内部最高温度及内表温度差控制在技术调节范围内，避免混凝土内部及外观出现不良裂缝，从而保证结构的耐久性。

水化热，短时间内难以迅速散发导致大体积混凝土的内部温度升高很快产生体积膨胀，一般在混凝土浇筑后的3～5d结构表面会出现规律性的裂缝。每千克水泥产生的水化热Q。2.2 混凝土的收缩

热胀冷缩混凝土固有的物理特性，该现象称之为混凝土线性徐变，其线膨胀系数为（1.0～1.5）×10-5/℃，水化后产生的热量而导致混凝土温度变形，基于大体积混凝土施工质量均匀性、散热条件与效果不同、内外温度不同并必然出现温度收缩而导致裂缝。2.3 收缩后的徐变应力作用

混凝土凝结属于化学反应过程，一般只需要20%的水分与水泥中的C3S（硅酸三钙）、硅酸二钙（C2S）、C4AF（铁铝酸四钙）、Ca（OH）2（氢氧化钙）等元素发生作用，混凝土配合比施工设计的坍落度一般采用160～180mm较为常见，而多余的80%水分会从内部蒸发掉，此时混凝土从终凝开始就逐渐形成徐变应力，该过程属于破坏张力Fp，虽然混凝土具备一定的抗拉应Fj， 当破坏力大于混凝土极限抗拉力（Fp＞Fj）时；混凝土将出现裂缝。2.4 外界气温影响

大体积混凝土的开裂与温度升降变化存在因果关系；尤其在气温陡降的情况下会明显增加混凝土内部与外部的温度差，温度差越大而温度应力越大，裂缝现象更为明显。2.5 施工质量均匀性影响

混凝土坍落度离差性较大导致水化热程度不同；另有混凝土振捣效果不一致则形成的胶凝强度不均匀，因此出现混凝土结构内部的强度不一致，强弱之间产生应力悬殊不一致现象，也是发生裂缝的重要原因。

1 大体积混凝土出现的裂缝现象

按深度不同，多出现为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种规律。1.1 贯穿裂缝

由于当初混凝土表面产生了裂缝继而向纵深发展的裂缝，容易形成贯穿裂缝并切断结构的断面，对结构的整体性和稳定性危害程度较为严重，直接影响结构受力状态。1.2 深层裂缝

由于局部的裂缝原因切断了结构断面，同样影响结构的受力状态。1.3 表面裂缝

是大体积混凝土在施工结束后的普遍现象，是由于混凝土内部温度较高而外部温度较低的内外温差造成的，虽然对结构的强度影响较小，但影响到钢筋保护层的作用及外观质量。

2 大体积混凝土产生裂缝现象的原因分析

裂缝直接原因取决于水泥水化热、混凝土收缩、徐变应力差、施工质量均匀性等几个方面。2.1 水泥水化热

由于混凝土浇筑时的水泥充分发生化学反应产生大量的

收稿日期：2018-05-14

作者简介：周海成，高级工程师，主要研究方向为交通土建。

3 大体积混凝土的配合比设计原则

材料要求：优先选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥以及具有缓凝效果的复合硅酸盐水泥为

102技术前提；减缓水泥凝结工程中的早期强度，同时大体积混凝土所用的水泥其3d的水化热不宜大于240kJ/kg，7d的水化热不宜大于270kJ/kg，特别是高温季节施工时；所用水泥在搅拌站加工时的拌和温度不应大于60℃。

细集料尽量采用中粗砂，细度模数宜在2.7以上，含泥量不大于3%，对于少筋或无筋大体积混凝土；集料粒径的控制范围在5～37.5mm之间，且宜采用四挡连续级配，含泥量不大于1%。

钢筋混凝土应按照粗骨料最大粒径不小于钢筋净距的3/4使用，满足施工技术规范条件下；尽量增大粗骨料粒径缩小骨料的比表面积，旨在降低混凝土的水化热程度减少裂缝。

减缓混凝土的早期强度降低水化热的技术方法，可选用普通或矿渣硅酸盐水泥进行大体积混凝土配合比，同时可掺入一定的计量的粉煤灰，能够起到混凝土缓凝、节省水泥、减少用水量作用而相对降低混凝土徐变、减少水化热及热膨胀、提高混凝土抗渗性具有显著效果。其质量等级不低于II级，超掺计量按照《公路桥涵施工技术规范》执行，粉煤灰取代水泥的百分率见表1。

表1 粉煤灰取代水泥的百分率

混凝土强度普通硅酸盐矿渣硅酸等级水泥盐水泥备注

C1515～2515～20I级粉煤灰适用于钢筋混凝土和预C2010～1510应力混凝土，II级粉煤灰适用于钢

C25～C30

15～20

10～15

筋混凝土和无筋混凝土。

大体积混凝土设计强度可采用60d的养生（温度20℃±2℃、湿度95%）强度指标作为技术控制指标，其浇筑后的养护时间不宜少于14d，采用矿渣硅酸盐水泥或粉煤灰水泥时养生时间不宜少于21d。在寒冷地区浇筑的混凝土时；宜对外表加强覆盖长养护时间减小混凝土的徐变程度。

4 防止大体积混凝土产生裂缝的施工技术措施

施工前应根据原材料、配合比设计、环境条件分析、浇筑能力等编制技术性的施工组织设计，混凝土浇筑结束后；应及时对混凝土结构的内部和表面温度实施检测并采用有效的控制方法。

根据已知条件和施工采取的防裂缝措施，先计算混凝土的水泥水化热绝热温升值、各龄期收缩变形值、收缩当量温差、和弹性模量，通过计算对可能产生的最大温差、收缩及徐变应力进行分析，且具备数据指导应用性。

水化热温升值计算：

T（t）=mc Q （1-e-m t）/cγ （1）

式中：T（t）为混凝土浇筑一定时间内的绝热温升值（℃）；mc为每立方混凝土的水泥用量（kg/m3

）；Q为水泥水化热（J/kg）；C为混凝土比热当量，一般取0.92～1.0；γ为水泥混凝土质量密度（kg/m3）；e为自然常数，为2.718；m为与水泥品种、浇筑温度相关的检验系

交通世界TRANSPOWORLD数，取0.2～0.4；t为混凝土浇筑后至计算时的天数。

各龄期混凝土收缩变形值计算：

εy（t）=εy（0）（1-e-0.11）×M1×M2×M3……×Mn （2）式中： Ey为各龄期混凝土收缩变形值；εy（0）为标准状态下的最终收缩值；亦称为极限收缩值，3.24×10-4；εy（t）为各龄期（d）混凝土收缩变形值；M1 ~ Mn为各非标准条件下的修正系数，参照水泥混凝土手册。

各龄期混凝土收缩当量温差：

Ty （t）=εy （t）/a （3）

式中：Ty（t）为各龄期混凝土收缩差（℃）；εy（t）为各龄期（d）混凝土收缩变形值；a为混凝土线膨胀系数1.0×10-5；

各龄期混凝土弹性模量计算：

Et=Ec（1-e-0.09） （4）

式中：Et为各龄期混凝土弹性模量（N/mm2）；Ec为混凝土最终弹性模量（N/mm2）；

最大温度收缩应力计算：

σ= aΔTSR/（1-μ）且ΔT=T0+2T（t）/3 +Ty（t）+Th （5）式中：σ为最大温度收缩应力（MPa）；a为意义同前；ΔT为混凝土最大综合温度（℃）；S为考虑混凝土徐变影响的系数，一般取0.3～0.5；R为混凝土的约束系数，取0.3～0.5；μ为混凝土泊松比，可采用0.15～0.2；T0为混凝土入模温度（℃）；Th为混凝土浇筑后达到稳定时的温度（℃）；Ty（t）为意义同前。

计算方法；（a）如技术指标不超过混凝土的抗拉强度；表示该防裂措施能够有效的控制裂缝的出现。（b）如果技术指标超过混凝土的抗拉强度；可采取调整混凝土的浇筑温度、降低水化热温升值，降低内外温差，改善施工工艺和混凝土性能，提高抗拉强度或改善约束等措施重新进行计算。

大体积混凝土的温度控制方法宜采取“内降外保”的原则，即其内部采取设置冷却管通循环水冷却，对其外部采取覆盖蓄热或蓄水保温等措施进行，在混凝土内部通水降温时，按表1执行。

表1 温度控制表

控制部位混凝土内部水温与混养生与混凝进出水降温速度最高温度凝土温差土表面温差

温差（℃/d）

控制温度（℃）

≤75

≤25

15

10

2

5 结语

通过实践探索与经验总结；发现影响大体积混凝土裂缝的原因，主要取决于水泥品种、粗集料粒径、混凝土配合比质量、外加剂和掺合料的品种、施工工艺以及养生方法等条件要素。因此采取合理的胶凝材料、优化配合比设计、降低混凝土的水化热、分层分块施工与“内降外保”等技术措施；处理好混凝土内部与表面的温差现象，能够有效的防治大体积混凝土的裂缝问题。

（编辑：钱宇宁）

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