桥梁工程中大体积混凝土裂缝的原因与防治

简介： 本文通过对本市大型钢筋混凝土结构桥梁梅东大桥的现场施工管理，从设计，施工的角度，分析了造成桥梁结构中大体积混凝土裂缝的原因，并提出如何预防，检查和处理大体积混凝土裂缝的主要的技术措施。
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随着国家建设投资的发展，市政工程的投入进一步加大，各类桥梁在市政工程的应用日益广泛，大体积混凝土在桥梁结构中应用的越来越多，而且主要应用于主要受力部分，但是，相应暴露出来的问题也越来越多，其中，大体积混凝土的裂缝问题，尤为突出。我国普通混凝土配合比设计规范规定：混凝土结构物中实体最小尺寸不小于1 m的部位所用的混凝土即为大体积混凝土；美国则规定为：任何现浇混凝土，只要有可能产生温度影响的混凝土均称为大体积混凝土。

目前，国内外对机械荷载引起的开裂问题研究得较为透彻。而对温度荷载引起得有关裂缝的研究尚不充分。我们应对此加以重视，防止危害结构的裂缝产生。另外对于大体积混凝土内温度应力与裂缝控制也多集中在水利工程中的大坝、高层建筑的深基础底板。而对于桥梁中大体积混凝土的裂缝的研究并未得到足够的重视。本文将对此进行分析，探讨裂缝出现的原因及控制措施。

1 大体积混凝土裂缝产生的原因

大体积混凝土结构通常具有以下特点：混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1／10左右。大体积混凝土的断面尺寸较大，由于水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升；以及在以后的降温过程中，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。大体积混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋，或者不配钢筋。因此，拉应力要由混凝土本身来承担。

1.1 水泥水化热的影响

水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的热量，如果以水泥用量350Kg/m3～550 Kg/m3来计算，每m3混凝土将放出17500KJ～27500KJ的热量，从而使混凝土内部升高。（可达70℃左右，甚至更高）。尤其对于大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。因为混凝土内部和表面的散热条件不同，因此混凝土中心温度很高，这样就会形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。

1.2 混凝土的收缩

　　混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形，受到外部约束时（支承条件、钢筋等），将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。

1.3 外界气温湿度变化的影响

　　大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂[1]。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。

2 大体积混凝土裂缝的控制

2.1 大体积混凝土中水泥的品种及用量

理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。于是，我们对于桥梁中的大体积混凝土应该选择低热或者中热的水泥品种。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙（C3A），其他成分依次为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）和铁铝酸四钙（C4AF）。另外，水泥越细发热速率越快，但是不影响最终发热量。因此我们在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥。我们应该充分利用混凝土的后期强度，以减少水泥的用量。因为大体积混凝土施工期限长，不可能28d向混凝土施加设计荷载，因此将试验混凝土标准强度的龄期向后推迟至56d 或者90d 是合理的[3]。这是基于这一点，国内外很多专家均提出类似的建议。这样充分利用后期强度则可以每m3混凝土减少水泥40 Kg～70 Kg左右，混凝土内部的温度相应降低4℃～7℃。

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