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摘要: 要使桥梁大体积混凝土温度裂缝得到一个有效的控制，文章主要就桥梁大体积混凝土工程的特点，通过对桥梁大体积混凝土温度裂缝产生的机理进行研究，认为由混凝土内外温差、自身约束以及外部约束共同作用产生的温度应力是形成桥梁大体积混凝土温度裂缝的主要原因，并从设计和施工两个方面提出问题解决措施。
关键词:大体积混凝土,裂缝问题,解决方法
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
我国目前桥梁工程技术发展迅速，大体积混凝土在桥梁基础、锚靛、桥墩、承台、主塔、主梁等构件中得到了普遍的应用。桥梁大体积混凝土自身特殊性所决定的桥梁大体积混凝土温度裂缝控制问题也越来越突出，备受工程各方的关注。温度裂缝的产生不但影响到结构的承载力与设计效果，而且对结构的安全性及耐久性也有关键影响。文章主要就桥梁大体积混凝土工程的特点，通过对桥梁大体积混凝土温度裂缝产生的机理进行研究
一、桥梁大体积混凝土特点
桥梁大体积混凝土与水工大体积混凝土都属于大体积混凝土范畴,有着大体积混凝土所共有的属性。与水工大体积混凝土相比,桥梁大体积混凝土有以下特点:1)单位体积的混凝土水泥用量较大,水泥水化产生的热量较多,绝热温升较大,温度峰值较高,内外温差和温度梯度较大,升温和降温速度较快;2)体积相对较小,部分结构为薄壁型结构,中心最高温度位置距表面距离较小,受外界气温的影响更明显;3)混凝土设计标号高,按受力情况配筋且配筋率较高,其温度应力受钢筋的影响较明显。
二、大体积混凝土裂缝形成机理和原因
混凝土温度破坏机理主要是:混凝土中由于水泥砂浆与骨料热膨胀系数的不同,在升温过程中温度荷载作用下水泥砂浆与骨料所形成的界面首先产生损伤,并随温度增加而发展,因此形成界面裂纹,当温差继续增加达到某一数值后,界面裂纹便向水泥砂浆中延伸。在以后的降温过程中界面裂纹与水泥砂浆中的微裂纹继续发展,以致发展成宏观裂缝,并可能导致混凝土结构发生断裂破坏;界面是混凝土中最薄弱的环节,温度损伤首先在界面上出现微裂缝,造成结构裂缝的原因是复杂的,综合性的。现将产生裂缝的主要原因分述如下。
（1）水化过程是大体积混凝土中的主要温度因素
水泥水化过程中要放出一定的热量,而大体积混凝土结构物一般断面较厚,水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。由于混凝土的导热性能差,浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低,对水化热引起的急剧温升约束不大,相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长,弹性模量的增高,对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大,以致产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便开始出现温度裂缝。
（2）外界气温变化的影响
大体积混凝土在施工阶段,外界气温的变化影响是显而易见的,因为外界气温愈高,混凝土的浇筑温度也愈高;而外界温度下降,又增加混凝土的降温幅度,特别是气温骤降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度,这对大体积混凝土是极为不利的。
（3）约束条件与温度裂缝的关系
各种结构物在变形变化过程中,必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形。大体积混凝土由于温度变化会产生变形,而这种变形又受到约束,便产生了应力,这就是温度变化引起的应力状态,而当应力超过某一数值时便引起裂缝。
（4）混凝土的收缩变形
混凝土水化作用产生的体积变形,大多数为收缩变形,少数为膨胀变形。实践证明,由混凝土收缩变形引起的温度应力是不可忽视的。在大体积混凝土温度裂缝计算中,可将混凝土的收缩值换算成相当于引起同样温度变形所需要的温度值,即“收缩当量温差”,以便按温差计算混凝土的应力。
（5）结构设计方面的因素
在进行结构计算时,总是先对结构物的受力体系作一些假定,而很多结构物的实际工作状态与常规的计算模型有一定的出入,使得内力计算的结果与实际不符,这些假定的常规计算模型之外的内力往往会引起结构裂缝。
（6）施工方面的因素
现场养护不当是造成混凝土收缩开裂最主要的原因。混凝土浇筑后,若表面不及时覆盖进行潮湿养护,表面水分迅速蒸发,很容易产生收缩裂缝,特别是在气温高、相对湿度低、风速大的情况下干缩更容易发生。
三、大体积混凝土裂缝控制技术研究
（1）施工控制措施
1)合理选择原材料、优化混凝土配合比。按照混凝土设计强度要求合理选择原材料、优化混凝土配合比使混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、线膨胀系数较小。2)分层连续浇筑或推移式连续浇筑混凝土。为了有效降低大体积混凝土的内外温差,在大体积混凝土施工过程中常采用分块浇筑。3)降低混凝土的浇筑温度。混凝土的拌制、运输必须满足连续浇筑施工以及尽量降低混凝土出罐温度等方面的要求。4)保温养护。混凝土浇筑完毕后,应及时按温控技术措施的要求进行保温养护。5)采用二次振捣技术,改善混凝土强度,提高抗裂性。当混凝土浇筑后即将凝固时,在适当的时间内再振捣,可以增加混凝土的密实度,减少内部微裂缝。6)埋设冷却水管,降低混凝土内部温度。对施工要求比较高的工程,可以在混凝土内埋设水管,通低温水循环,排出混凝土内部大量热量,以降低混凝土温度。7)加强施工管理。提高混凝土的质量,以保证混凝土强度的均匀性,加强混凝土养护养生。
（2）设计控制措施
1)尽可能选用强度等级低的混凝土,充分利用后期强度。2)进行结构的温度应力分析和设计。在设计阶段考虑温度应力和设计荷载共同作用,对结构的温度场进行仿真分析,确定最高温度以及温差最大的位置,对温度应力和收缩力进行验算。3)选择合理的结构形式和分缝分块。结构形式对温度应力以及裂缝的产生具有重要影响。在大体积混凝土的设计阶段应充分重视这种影响。同时,在结构形式上应尽量避免和减缓应力集中。4)设置构造钢筋。大体积混凝土除应满足承载力和构造要求外,还应增配承受因水泥水化热引起的温度应力控制裂缝开展的钢筋,以构造钢筋来控制裂缝,配筋尽可能采用小直径、小间距。
（3）监测措施
温度控制是大体积混凝土施工中的一个重要环节,也是防止温度裂缝的关键。而在引起裂缝产生的诸多因素中,混凝土水化热和外界气温造成的构件内部温度应力是一个很主要的因素,为了控制裂缝的产生,不仅要在混凝土成型之后对混凝土的内部温度进行监测,而且应在一开始就对原材料、混凝土拌合物入模和浇筑温度进行系统的实测。
四、混凝土结构裂缝的修补
1)表面修补法:主要用于对承载能力无影响的表面裂缝,大面积细裂缝以及防渗补漏的处理。主要有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧胶泥、环氧粘贴玻璃法、表面凿槽嵌补法和表面贴条法等。2)内部修补法:主要用于对结构整体性有影响及有防水、防渗要求的深层裂缝及内部缺陷的修补。其最有效的方法是灌浆法。用压力设备将浆材压入构件的裂缝及内部缺陷,充填其空隙,浆材凝结硬化后,其补强加固、防渗堵漏,并恢复结构整体性作用,包括水泥灌浆和化学灌浆。3)结构加固法:主要用于提高结构的承载力,限制裂缝的发展或将裂缝封闭。包括外包(钢筋)混凝土或钢加固,粘胶、铆接、焊接等外贴加固补强,预应力锚固,喷浆及喷射混凝土等结构加固。
五、结语
预防大体积混凝土裂缝的产生，应从降低温度应力以及提高混凝土的极限拉伸强度两方面着手。做好冷却与保温，浇筑前避免材料过热，浇筑后保温，降低温度应力。提高混凝土的极限拉伸，缓慢降温可充分发挥混凝土的应力松弛效应，提高抗拉性能。严格控制砂石质量，限制含泥量，正确选用混凝土级配，适当掺用外加剂，减少用水量，改进混凝土浇筑工艺，是提高混凝土强度的有效方法。适宜的温湿养护可减少收缩，充分发挥水泥水化作用，促使混凝土强度潜能得到充分发挥。充分做好以上幾点，能有效防止大体积混凝土裂缝的产生。
参考文献:
［1］刘柯.大体积混凝土温度监测及分析研究［J］.建筑技术开发，2005，32(3)：85～105.
［2］袁广林，黄方意，沈华等.大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究［J］.混凝土，2005(2)：86～88.
［3］张.桥梁大体积混凝土温度控制与防裂[J].长安大学学报(自然科学版),2006(3):40-41.
［4］李建峰.现代土木工程施工技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.
关键词:大体积混凝土,裂缝问题,解决方法
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
我国目前桥梁工程技术发展迅速，大体积混凝土在桥梁基础、锚靛、桥墩、承台、主塔、主梁等构件中得到了普遍的应用。桥梁大体积混凝土自身特殊性所决定的桥梁大体积混凝土温度裂缝控制问题也越来越突出，备受工程各方的关注。温度裂缝的产生不但影响到结构的承载力与设计效果，而且对结构的安全性及耐久性也有关键影响。文章主要就桥梁大体积混凝土工程的特点，通过对桥梁大体积混凝土温度裂缝产生的机理进行研究
一、桥梁大体积混凝土特点
桥梁大体积混凝土与水工大体积混凝土都属于大体积混凝土范畴,有着大体积混凝土所共有的属性。与水工大体积混凝土相比,桥梁大体积混凝土有以下特点:1)单位体积的混凝土水泥用量较大,水泥水化产生的热量较多,绝热温升较大,温度峰值较高,内外温差和温度梯度较大,升温和降温速度较快;2)体积相对较小,部分结构为薄壁型结构,中心最高温度位置距表面距离较小,受外界气温的影响更明显;3)混凝土设计标号高,按受力情况配筋且配筋率较高,其温度应力受钢筋的影响较明显。
二、大体积混凝土裂缝形成机理和原因
混凝土温度破坏机理主要是:混凝土中由于水泥砂浆与骨料热膨胀系数的不同,在升温过程中温度荷载作用下水泥砂浆与骨料所形成的界面首先产生损伤,并随温度增加而发展,因此形成界面裂纹,当温差继续增加达到某一数值后,界面裂纹便向水泥砂浆中延伸。在以后的降温过程中界面裂纹与水泥砂浆中的微裂纹继续发展,以致发展成宏观裂缝,并可能导致混凝土结构发生断裂破坏;界面是混凝土中最薄弱的环节,温度损伤首先在界面上出现微裂缝,造成结构裂缝的原因是复杂的,综合性的。现将产生裂缝的主要原因分述如下。
（1）水化过程是大体积混凝土中的主要温度因素
水泥水化过程中要放出一定的热量,而大体积混凝土结构物一般断面较厚,水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。由于混凝土的导热性能差,浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低,对水化热引起的急剧温升约束不大,相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长,弹性模量的增高,对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大,以致产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便开始出现温度裂缝。
（2）外界气温变化的影响
大体积混凝土在施工阶段,外界气温的变化影响是显而易见的,因为外界气温愈高,混凝土的浇筑温度也愈高;而外界温度下降,又增加混凝土的降温幅度,特别是气温骤降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度,这对大体积混凝土是极为不利的。
（3）约束条件与温度裂缝的关系
各种结构物在变形变化过程中,必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形。大体积混凝土由于温度变化会产生变形,而这种变形又受到约束,便产生了应力,这就是温度变化引起的应力状态,而当应力超过某一数值时便引起裂缝。
（4）混凝土的收缩变形
混凝土水化作用产生的体积变形,大多数为收缩变形,少数为膨胀变形。实践证明,由混凝土收缩变形引起的温度应力是不可忽视的。在大体积混凝土温度裂缝计算中,可将混凝土的收缩值换算成相当于引起同样温度变形所需要的温度值,即“收缩当量温差”,以便按温差计算混凝土的应力。
（5）结构设计方面的因素
在进行结构计算时,总是先对结构物的受力体系作一些假定,而很多结构物的实际工作状态与常规的计算模型有一定的出入,使得内力计算的结果与实际不符,这些假定的常规计算模型之外的内力往往会引起结构裂缝。
（6）施工方面的因素
现场养护不当是造成混凝土收缩开裂最主要的原因。混凝土浇筑后,若表面不及时覆盖进行潮湿养护,表面水分迅速蒸发,很容易产生收缩裂缝,特别是在气温高、相对湿度低、风速大的情况下干缩更容易发生。
三、大体积混凝土裂缝控制技术研究
（1）施工控制措施
1)合理选择原材料、优化混凝土配合比。按照混凝土设计强度要求合理选择原材料、优化混凝土配合比使混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、线膨胀系数较小。2)分层连续浇筑或推移式连续浇筑混凝土。为了有效降低大体积混凝土的内外温差,在大体积混凝土施工过程中常采用分块浇筑。3)降低混凝土的浇筑温度。混凝土的拌制、运输必须满足连续浇筑施工以及尽量降低混凝土出罐温度等方面的要求。4)保温养护。混凝土浇筑完毕后,应及时按温控技术措施的要求进行保温养护。5)采用二次振捣技术,改善混凝土强度,提高抗裂性。当混凝土浇筑后即将凝固时,在适当的时间内再振捣,可以增加混凝土的密实度,减少内部微裂缝。6)埋设冷却水管,降低混凝土内部温度。对施工要求比较高的工程,可以在混凝土内埋设水管,通低温水循环,排出混凝土内部大量热量,以降低混凝土温度。7)加强施工管理。提高混凝土的质量,以保证混凝土强度的均匀性,加强混凝土养护养生。
（2）设计控制措施
1)尽可能选用强度等级低的混凝土,充分利用后期强度。2)进行结构的温度应力分析和设计。在设计阶段考虑温度应力和设计荷载共同作用,对结构的温度场进行仿真分析,确定最高温度以及温差最大的位置,对温度应力和收缩力进行验算。3)选择合理的结构形式和分缝分块。结构形式对温度应力以及裂缝的产生具有重要影响。在大体积混凝土的设计阶段应充分重视这种影响。同时,在结构形式上应尽量避免和减缓应力集中。4)设置构造钢筋。大体积混凝土除应满足承载力和构造要求外,还应增配承受因水泥水化热引起的温度应力控制裂缝开展的钢筋,以构造钢筋来控制裂缝,配筋尽可能采用小直径、小间距。
（3）监测措施
温度控制是大体积混凝土施工中的一个重要环节,也是防止温度裂缝的关键。而在引起裂缝产生的诸多因素中,混凝土水化热和外界气温造成的构件内部温度应力是一个很主要的因素,为了控制裂缝的产生,不仅要在混凝土成型之后对混凝土的内部温度进行监测,而且应在一开始就对原材料、混凝土拌合物入模和浇筑温度进行系统的实测。
四、混凝土结构裂缝的修补
1)表面修补法:主要用于对承载能力无影响的表面裂缝,大面积细裂缝以及防渗补漏的处理。主要有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧胶泥、环氧粘贴玻璃法、表面凿槽嵌补法和表面贴条法等。2)内部修补法:主要用于对结构整体性有影响及有防水、防渗要求的深层裂缝及内部缺陷的修补。其最有效的方法是灌浆法。用压力设备将浆材压入构件的裂缝及内部缺陷,充填其空隙,浆材凝结硬化后,其补强加固、防渗堵漏,并恢复结构整体性作用,包括水泥灌浆和化学灌浆。3)结构加固法:主要用于提高结构的承载力,限制裂缝的发展或将裂缝封闭。包括外包(钢筋)混凝土或钢加固,粘胶、铆接、焊接等外贴加固补强,预应力锚固,喷浆及喷射混凝土等结构加固。
五、结语
预防大体积混凝土裂缝的产生，应从降低温度应力以及提高混凝土的极限拉伸强度两方面着手。做好冷却与保温，浇筑前避免材料过热，浇筑后保温，降低温度应力。提高混凝土的极限拉伸，缓慢降温可充分发挥混凝土的应力松弛效应，提高抗拉性能。严格控制砂石质量，限制含泥量，正确选用混凝土级配，适当掺用外加剂，减少用水量，改进混凝土浇筑工艺，是提高混凝土强度的有效方法。适宜的温湿养护可减少收缩，充分发挥水泥水化作用，促使混凝土强度潜能得到充分发挥。充分做好以上幾点，能有效防止大体积混凝土裂缝的产生。
参考文献:
［1］刘柯.大体积混凝土温度监测及分析研究［J］.建筑技术开发，2005，32(3)：85～105.
［2］袁广林，黄方意，沈华等.大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究［J］.混凝土，2005(2)：86～88.
［3］张.桥梁大体积混凝土温度控制与防裂[J].长安大学学报(自然科学版),2006(3):40-41.
［4］李建峰.现代土木工程施工技术［M］.北京：中国电力出版社，2008.