摘要：本文通过对西成客专溢水河特大桥的非主要承载部位的裂缝修复处理及多年对桥梁工程的现场施工和技术管理经验，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。
关键词：桥梁 大体积混凝土 裂缝 成因 控制 防治
1. 引言
随着国家建设的发展，工程建设投入进一步加大，各类桥梁在铁路工程、市政工程、公路工程等方面的应用日益广泛，大体积混凝土在桥梁结构中应用的越来越多，而且主要应用于承载部位，应用越多，相应暴露出来的问题也就越多，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；欧美地区规范规定：有可能产生温度影响的任何现浇混凝土均视为大体积混凝土对待。
目前，国内外对机械荷载等外荷载引起的开裂问题研究得较为透彻。而对温度应力、砼收缩、徐变等內荷载引起的有关裂缝的研究尚不够深入。对于大体积混凝土内温度应力与裂缝控制在水利工程和建筑工程等方面的研究较桥梁工程的研究更加深入，因此在桥梁工程上，我们应加以重视，防止危害结构受载及稳定的裂缝产生。本文将对此进行分析，探讨裂缝出现的原因及控制措施。
2.裂缝成因分析及危害
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，由于水化热会使混凝土内部温度急剧上升；以及在以后的温度下降过程中，在一定的约束条件下会产生很大的拉应力。大体积素混凝土结构拉应力要由混凝土自身来承担。
2.1 水化热的影响
研究表明：混凝土中水泥的水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的7天前后，在混凝土结构施工中，一般每克水泥可以放出500焦耳左右的热量，如果以水泥用量350Kg/m3～550 Kg/m3来计算，每m3混凝土将放出17500千焦～27500千焦的热量，从而使混凝土内部温度急剧升高。尤其对于大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。因混凝土内部和表面的散热条件不同，因此混凝土中心温度较边缘温度高出很多，这样就形成了温度梯度，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。
2.2 混凝土的收缩
混凝土在空气中凝结时体积减小的现象称为混凝土收缩。在无外荷载作用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。在这种情况下，引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩三种类型。在混凝土凝结初期，主要是水泥和骨料在水化凝固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。
2.3 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有着很大影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水化热的绝热引起的温升和结构的散热温度等各种温度叠加组成。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。另外，外界的湿度对混凝土的裂缝成因也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也将导致混凝土裂缝的产生。
2.4 其他原因
第一，外荷载引起的裂缝：由于外部荷载作用在结构上，荷载大于结构抗力而造成的结构变形损伤产生的裂缝。第二，结构次应力引起的裂缝：这是因为施工工况与设计假定模型之间的差异引起的裂缝，在设计建模验算时，多采用理想工况下，施工现场情况多变，当施工现场与建模验算的工况不同，则会由于荷载和温度等工况差异而导致裂缝产生。
2.5裂缝的危害
裂缝是钢筋混凝土结构的常见病害之一，它对钢筋混凝土结构的危害主要体现在以下几个方面：第一，降低混凝土结构的抗渗能力及防水能力；第二，影响结构的使用功能；第三，易引起钢筋的锈蚀；第四，易引起混凝土的过早碳化；第五，降低混凝土的耐久性；第六，影响结构的承载能力等。
3. 桥梁混凝土裂缝的控制和预防
裂缝的产生是多方面的，只有减少以下各方面的影响才能在主观措施上控制和预防混凝土桥梁的裂缝。
3.1从源头控制混凝土质量，增强混凝土自身抗裂能力。
水泥越细，发热速率越快，但是不影响最终发热量，因此应充分利用混凝土的后期强度，减少水泥的用量，或降低水泥熟料的铝酸三钙（C3A）、硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、和铁铝酸四钙（C4AF）等的含量，进一步降低混凝土的早期水化热；外加剂应选用质量稳定的产品，并与水泥及矿物掺合料之间有较好的相容性，外加剂应具有一定的保坍性，确保运输中混凝土的稳定；粗骨料应选用级配合理、质地坚硬、线膨胀系数小的洁净碎石，应采用二级或多级级配骨料混配；细骨料应采用级配合理，吸水率低、孔隙率小的洁净中粗砂；粗细骨料应进行碱活性检验，当发现碱硅酸活性矿物超标，应立即采取碱——骨料反应的抑制措施；粗细骨料应严格控制含泥量等指标，确保骨料质量；优化混凝土配合比，确保混凝土的力学性能和耐久性能达标；通过提高混凝土力学指标可有效提高其抵抗外荷载的能力。
若采用商品混凝土，必须从以上几个方面对商品混凝土的质量和原材料进行抽检和卡控，确保商品混凝土的质量；并在运输过程中杜绝加水等现象，严控混凝土运输过程中质量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.2加强混凝土浇筑过程的质量控制
混凝土浇筑应根据现场的特定情况制定浇筑工艺，确保混泥土的施工质量；混凝土入模前，应按照要求测定混凝土温度、坍落度、含气量、泌水率等性能指标。新浇筑混凝土与紧邻的已硬化混凝土或者其他岩土介质之间的温差不大于15ºC，且混凝土的入模温度尽量控制在5 ～30 ºC之间，混泥土浇筑时的倾落高度不大于2m，若大于2m，则应采用滑槽、串筒、漏斗等相应措施，确保混凝土不出现分层离析现象；混凝土施工中的振捣必须严格按照要求进行，确保振捣的质量。
3.3加强混凝土养护可以有效减小温度裂缝的出现
在混凝土浇筑完成之后，应避免与流动水接触，并应在12小时内对混凝土进行全面覆盖及保湿养护，防止混凝土表面水分过早蒸发；混凝土养护期间，应重点对混凝土的湿度及温度进行控制，加强过程中的巡检和监控，尽量减少表面混凝土的暴露时间并及时覆盖；还应控制混凝土的拆模温度，拆模温度不宜过高，防止拆模后接触空气时降温过快而引起开裂，且拆模后不能进行浇冷水，雨天尽量杜绝对混凝土进行拆模 ；应采用滴灌法对混凝土进行洒水养护，夏季的养护时间不应小于2周，冬季保证养护时间4周。另合理选择浇筑时间和按照规范要求养护混凝土对结构控制温度裂缝的产生至关重要。
3.4优化结构设计
设计中，严格按照规范要求设置钢筋，并预留1.2以上的富余系数，确保桥梁大体积混凝土的钢筋代替混凝土承担拉应力，这样可以有效的控制裂缝的发展。为了避免裂缝的出现，在设计中利用中低强度的水泥，充分利用混凝土的后期强度。在工程结构设计中要特别考虑到降低结构的约束度。对于混凝土中钢筋保护层的厚度应当尽量取较小值，因为保护层的厚度愈大愈容易发生裂缝。
3.5严格按照规范和设计要求施工钢筋，确保钢筋对混凝土的内约束控制
确保钢筋施工质量，严格控制钢筋保护层厚度，钢筋保护层厚度过大和多小均增大了开裂的概率；混凝土保护层厚度严格参照设计要求办理，若设计未提相应的要求，则应使钢筋保护层厚度控制在大于5cm，小于10cm的范围；使用的钢筋必须采用表面未锈蚀的钢筋，若钢筋出现锈蚀则应对钢筋做好除锈，确保混凝土对钢筋的握箍及钢筋对混凝土的内约束控制可以提高钢筋混凝土抵抗外荷载作用的结构抗力。
4 裂缝的检查和处理
对于混凝土裂缝，应以预防为主，为此需要做到精心设计、科学施工，但目前所采用的防止裂缝的安全系数较小，而实际情况又复杂多变，所以实际工程中出现一些裂缝还是难以避免。桥梁大体积混凝土的裂缝主要表现为三种：表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。对于表面裂缝因为其对结构应力、耐久性和安全基本没有影响，一般只进行凿毛，再采用高标号混凝土或支座砂浆等抹面进行打磨处理。对与不在主要承载部位的深层裂缝和贯穿裂缝可以采取凿除裂缝，可以用风镐、风钻或人工将裂缝凿除，至看不见裂缝为止，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以采取高标号的水泥注浆和注化学浆。水泥注浆适用于裂缝宽度在0.5mm以上时，对于裂缝宽度小于0.5mm时应采取化学注浆。化学灌浆材料一般使用环氧－糠醛丙酮、环氧树脂等系等浆材。
注意：在通风等干燥条件下，应采用薄膜覆盖等方法进行养生，防止材料失水过快引起处理部位的二次开裂。
5. 结束语
桥梁结构混凝土的强度、耐久性、抗侵蚀性及防水性是桥梁混凝土施工的重中之重，裂缝的出现不光会降低混凝土结构的强度和承载能力，还将影响结构的耐久性，它将导致水侵蚀钢筋致使钢筋锈蚀，混凝土结构内部过早碳化，降低桥梁结构抵御上部荷载的能力，严重时甚至会危及桥梁结构的安全和使用功能，因此，对于桥梁混凝土结构裂缝的预防和处理显得尤为重要，本文对桥梁混凝土结构的裂纹成因进行了分析，并提出了处理方法，通过在多座铁路、公路、市政工程的桥梁上使用，证明了该方法能够满足裂缝处理质量要求。
参考文献
[1] 富文泉，韩素芳．混凝土工程裂缝分析与控制．北京：中国铁道出版社，2002
[2] Eurocode 4: Design of Composite steel and Concrete Structures) Eurocode Committee for Standardization 1997.01
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB/T50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范［P］．北京：中国建筑工业出版社，2008．
[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGB/T104-2011，建筑工程冬期施工规程［P］．北京：中国建筑工业出版社，2011．
[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGB/T 10-2011，混凝土泵送施工技术规程［P］．北京：中国建筑工业出版社，2011．
[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50164-92，混凝土施工质量控制标准［P］．北京：中国建筑工业出版社，1992．
[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50367-2006，混凝土结构加固设计规范［P］．北京：中国建筑工业出版社，2006．
[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部．GBJ107-87，混凝土强度检验评定标准［P］．北京：中国建筑工业出版社，1987．
[9] 中华人民共和国交通运输部. JTG/TJ-23-2008 公路桥梁加固施工技术规范 ［P］．北京：人民交通出版社，2008．
作者简介：张亮、工程师、中铁五局成都工程公司、15082178911、四川成都。
论文作者:张亮
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/14
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 钢筋论文; 温度论文; 体积论文; 荷载论文; 桥梁论文; 《基层建设》2019年第28期论文;