橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與控制

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隨著橋梁技術(shù)的突飛猛進(jìn)，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來(lái)越多。我國(guó)普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物中實(shí)體最小尺寸不小于1 m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土；美國(guó)則規(guī)定為：任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。
    目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對(duì)溫度荷載引起得有關(guān)裂縫的研究尚不充分。我們應(yīng)對(duì)此加以重視，防止危害結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生。另外對(duì)于大體積混凝土內(nèi)溫度應(yīng)力與裂縫控制也多集中在水利工程中的大壩、高層建筑的深基礎(chǔ)底板。而對(duì)于橋梁中大體積混凝土的裂縫的研究并未得到足夠的重視。本文將對(duì)此進(jìn)行分析，探討裂縫出現(xiàn)的原因及控制措施。
    1、大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因
    大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常具有以下特點(diǎn)：混凝土是脆性材料，抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1／10左右。大體積混凝土的斷面尺寸較大，由于水泥的水化熱會(huì)使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升；以及在以后的降溫過程中，在一定的約束條件下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力。大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應(yīng)力要由混凝土本身來(lái)承擔(dān)。
    1.1 水泥水化熱的影響
    水泥水化過程中放出大量的熱，且主要集中在澆筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的熱量，如果以水泥用量350Kg/m3～550 Kg/m3來(lái)計(jì)算，每m3混凝土將放出17500KJ～27500KJ的熱量，從而使混凝土內(nèi)部升高。（可達(dá)70℃左右，甚至更高）。尤其對(duì)于大體積混凝土來(lái)講，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因?yàn)榛炷羶?nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會(huì)形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。
    1.2  混凝土的收縮
    混凝土在空氣中硬結(jié)時(shí)體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下的這種自發(fā)變形，受到外部約束時(shí)（支承條件、鋼筋等），將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮等三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結(jié)硬過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。
    1.3 外界氣溫濕度變化的影響
    大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對(duì)防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響。混凝土內(nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會(huì)愈高；如果外界溫度降低則又會(huì)增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快，會(huì)造成很大的溫度應(yīng)力，極其容易引發(fā)混凝土的開裂[1]。另外外界的濕度對(duì)混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會(huì)加速混凝土的干縮，也會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。
    2、大體積混凝土裂縫的控制
    2.1 大體積混凝土中水泥的品種及用量
    理論研究表明大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。于是，我們對(duì)于橋梁中的大體積混凝土應(yīng)該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內(nèi)礦物成分的不同。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣（C3A），其他成分依次為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）和鐵鋁酸四鈣 （C4AF）。另外，水泥越細(xì)發(fā)熱速率越快，但是不影響最終發(fā)熱量。因此我們?cè)诖篌w積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。我們應(yīng)該充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，以減少水泥的用量。因?yàn)榇篌w積混凝土施工期限長(zhǎng)，不可能28d向混凝土施加設(shè)計(jì)荷載，因此將試驗(yàn)混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的齡期向后推遲至56d 或者90d是合理的[3]。這是基于這一點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外很多專家均提出類似的建議。這樣充分利用后期強(qiáng)度則可以每m3 混凝土減少水泥40 Kg～70Kg左右，混凝土內(nèi)部的溫度相應(yīng)降低4℃～7℃。
    2.2 摻加外加料和外加劑
    在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密實(shí)度，提高抗?jié)B能力，改善混凝土的工作度，降低最終收縮值，減少水泥用量。要降低大體積混凝土的水泥水化熱引起的內(nèi)部溫升，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫，利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。外加劑可以從以下幾個(gè)方面來(lái)選擇。UFA 膨脹劑，它可以等量替換水泥。并且是混凝土產(chǎn)生適度的膨脹。一方面保證混凝土的密實(shí)度，另一方面使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力，以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力。減水緩凝劑，并應(yīng)保證一定的坍落度。這樣可以延緩水化熱的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以達(dá)到減少水化熱的目的。
    2.3 大體積混凝土的骨料控制
    在骨料的選擇上應(yīng)該選取粒徑大強(qiáng)度高級(jí)配好的骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積，從而減少水泥的用量，降低水化熱，減少干縮，減小了混凝土裂縫的開展。
    2.4 優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)計(jì)
    雖然大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，我們還是可以在裂縫易發(fā)生部位如孔洞周圍以及轉(zhuǎn)角處布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔(dān)拉應(yīng)力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。為了避免裂縫的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中利用中低強(qiáng)度底水泥充分利用混凝土的后期強(qiáng)度。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。對(duì)于混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值，因?yàn)楸Ｗo(hù)層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫。