摘要：当前，混凝土在工程建设中有着广泛的应用，尤其当前各种建设，对于混凝土的施工质量更是提出了更高的要求，混凝土索塔或基础等结构裂缝的产生是由多种因素引起，本文通过对混凝土的裂缝的形成原因和控制措施进行分析，希望对同行有所帮助。
关键词：山区；大温差环境；塔柱混凝土；裂缝；控制技术；
1工程概况
虎跳峡金沙江大桥为单塔单跨钢桁梁悬索桥。塔柱为矩形空心薄壁断面，并在四边设置20cm凹槽，下塔柱壁厚1.0m，上塔柱壁厚0.8m，塔顶截面尺寸7m×5.5m，塔底截面尺寸10m×7m。高塔柱塔高161.6m，矮塔柱塔高145.6m。每浇筑节段高6m，如图1所示。塔柱采用HRB400级Ø40钢筋，按5排布置，并设置D6防裂钢筋网片，混凝土为C55防渗混凝土。
图1混凝土浇筑节段图
桥位区于滇西北地区，由于特殊的地理环境和悬殊的地貌差异，在空间上构成独特的“一山分四季”的立体式气候，极端最高气温34.1℃，极端最低气温-10.3℃，昼夜最大温差可达27℃，极易导致混凝土产生裂纹。因此，混凝土裂缝控制是本工程的重点，也是难点。
2试验方案
本项目针对塔柱裂缝控制，进行专项试验研究。该桥塔柱在前期试验中，均采用P•O52.5普通硅酸盐水泥作为混凝土胶凝材料，并掺加Ⅰ级粉煤灰，砂石料为优质材料，在科学合理的养护条件下，混凝土表面仍出现裂纹。针对这一现象，改用P•MH42.5中热水泥，重新设计配合比，再次进行试验，分析研究裂缝产生原因，制定科学合理的养护措施。
图2模板外侧贴保温板
本次试验按照塔柱1/8节段在地面进行模拟。为验证比较不同养护方式对防止混凝土表面开裂的作用，部分表面不覆盖保温，仅洒水保湿养护，部分表面模板外侧贴保温板，混凝土浇筑完成后并用土工布包裹。
为了监测试验段内表温差，钢筋安装完成后，在结构内部及表面预埋测温元件。此外，为了解环境温度及模板温度，在模板表面和外部环境中增设测温元件。
2.1温控数据分析
对试验墩温度持续进行检测，各测温点的温度变化如图3所示，不同保温方式下的内外温差如图4所示。
根据温控数据分析得：
①本次试验段，在浇筑完成后第43小时，内部中心位置达到最高温度64.3℃（12号测温元件位置），其中入模温度为28.9℃，故绝热温升35.4℃。
图3温度曲线图
②使用了保温养护措施的结构面混凝土内部中心温度与表面温度最大相差13.2度；未采用保温养护措施的结构面混凝土内部中心温度与表面温度最大相差17.4度。
图4温差曲线图
对比发现，粘贴挤塑板+土工布保温养护措施可以显著降低混凝土内表温差4.2℃。
③经温度检测，粘贴保温板后模板面温度相比环境温度最大增加22.2℃；未粘贴保温板情况下，模板面温度相比环境温度增大10.7℃。值得注意的是，夜间随环境温度降低，在混凝土水化热作用下，粘贴保温板后，模板面温度在持续增加，而未粘贴保温板位置模板面温度随环境温度下降。
2.2对比分析
本次模型试验与前期试验对比分析：
前期试验采用采用P•O52.5普通硅酸盐水泥，产生较大水化热。经检测，内表温差最大达到26.5℃，内部中心位置最高温度71℃，入模温度27℃，故绝热温升达44℃。
本次试验采用采用P•MH中热水泥，产生水化热较小，在不采取保温措施的情况下，内表温差可控制在17.4℃，满足规范要求的25℃，内部最大绝热温升35.4℃，远小于规范要求的50℃。
分析结论：新设计配合比较原设计配合比内部最大温升下降8.6℃，内表温差减小9.1℃，有效的降低了混凝土内部的最大绝热温升以及内表温差。
3裂缝种类及产生原因
混凝土索塔或基础等结构裂缝的产生是由多种因素引起。各类裂缝产生的主要影响因素如下：
1）温度裂缝
混凝土随着温度变化而发生膨胀收缩，称为温度变形。混凝土温度变化产生变形受到混凝土内部和外部的约束，产生较大应力，尤其是拉应力，当应力超过混凝土的抗拉强度时产生温度裂缝。引起温度变化的主要因素有：
①日照。当混凝土表面受太阳暴晒后，温度迎光面明显高于其他部位，温度梯度呈非线性分布，由于受到自身约束，导致拉应力过大，产生裂缝。
②骤然降温。当冷空气侵袭、夜间降温等时，混凝土外表面温度骤降，而此时混凝土内部温度变化相对缓慢，表面混凝土的收缩受内部混凝土的约束而产生裂缝，这种裂缝通常发生在混凝土表面较浅的范围内。
③水化反应。凝土温度的产生主要来自水泥水化引起的水化热。
大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较少，聚集在内部的水泥水化热不容易散发，混凝土内部温度将显著升高，而混凝土表面则散热较快，形成了较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。此时混凝土的龄期短，抗拉强度低，温差产生的表面拉应力超过此时的混凝土极限抗拉强度，在混凝土表面产生表面裂缝。此种裂缝一般产生在混凝土浇筑后的第3天（升温阶段）。
2）收缩裂缝
在混凝土凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为收缩。非受力情况下，这种自由收缩变形受外部（基础）或内部（钢筋）约束时，产生拉应力，进而产生收缩裂缝。
混凝土收缩的原因主要有：前期凝结硬化产生的体积变化；后期混凝土内部自由水分蒸发引起的干缩。
由于水泥水化生成物的体积比反应前物质的总体积小，而使混凝土收缩，其收缩量是随混凝土硬化龄期延长而增加，凝结硬化初期收缩变形发展很快，两周可完成全部收缩的25%，一个月可完成50%，3个月后增长缓慢，一般两年后趋于稳定。混凝土的组成和配合比是影响混凝土收缩的重要因素。水泥用量越多，水灰比越大，收缩就越大。集料的级配越好、密度越大、弹性模量越高、粒径越大可有效减小混凝土收缩。这是因为集料对水泥石的收缩有制约作用，粗集料所占体积比越大、强度越高，对收缩的制约作用就越大。
因干燥失水是引起混凝土收缩的重要原因，混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必须的，而约80%的水分要蒸发。混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。所以构件的养护条件、使用环境的温度和湿度以及其他影响混凝土中水分保持的因素，都对混凝土的收缩产生很大影响。高温湿养（蒸汽养护）可加快水化作用，减少混凝土中的自由水分，因而可使收缩减少。混凝土最终干燥收缩量还和构件体表比有关，因为这个比值决定着混凝土中水分蒸发的速度。体表比较小的构件如箱形薄壁构件，收缩量较大，而且发展也较快。
还有塑性收缩。在混凝土浇筑后4～5h，混凝土尚未硬化，骨料因自重下沉，表面产生泌水而形成混凝土体积减小，称为塑性收缩。这一现象常在浇筑层较高或下料不均匀时，因浮浆向顶端或角落位置积累，而更加明显。另外，在水泥活性大、混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。所以在上述情况下混凝土浇注后需要及早覆盖。此外在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝，这一现象常在表面钢筋布置较密，骨料无法穿过时出现。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宜太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。
空气中二氧化碳会与水泥的水化产物发生碳化反应，而引起混凝土体积的减小，称为碳化收缩，当空气相对湿度为30%～50%时，碳化最激烈，收缩值也最大。
3）碱—集料反应
混凝土碱骨料反应主要是指水泥中的碱与骨料中的活性二氧化硅发生化学反应，反应生成物碱硅酸盐胶凝，这种胶凝吸水后会产生很大体积膨胀（约增大3倍以上），从而导致混凝土涨裂。改反应缓慢有一定潜伏期，往往经过几年或十几年才会出现破坏作用一旦发生便难以阻止。
4混凝土裂纹控制措施
①优化施工配合比：
精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性能的情况下，采用“三低”（低砂率、低坍落度、低水胶比）和“双掺技术”（掺高效减水剂和高粉煤灰掺量），因减水剂可有效的降低水灰比及用水量，而粉煤灰具有圆珠润滑效应，减少水泥和水的用量，所以“双掺技术”对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收缩的设计准则。
水泥的选择：水泥熟料是由不同性质的矿物按比例组成的混合物，比例发生变化，水泥性质也相应发生变化，如为使得水泥凝结硬化快、强度高，则适当提高硅酸三钙和铝酸三钙含量，若为降低水泥水化热，则应降低硅酸三钙和铝酸三钙含量。水泥颗粒粗细对水泥性质也有较大影响，颗粒越细的水泥比表面则越大，水化反应较快也较充分，早期强度和后期强度都较高，但生产成本较高，且空气中硬化时收缩较大，施工中严格控制硅酸盐水泥比表面积。水泥中过多的游离氧化钙和游离氧化镁以及超量的石膏也会引起水泥安定性不良，游离氧化钙和游离氧化镁水化反应慢，在水泥凝结硬化后发生，产生体积膨胀破坏水泥石，石膏也会在水泥凝结硬化后与水化反应生成的水化氯酸钙反应生成钙矾石，体积膨胀引起水泥石开裂。
骨料的选择：众所周知，加大粗骨料组大粒径、调整好砂石颗粒级配、减少砂中泥污含量，都有利于减少混凝土拌合用水量，从而减小混凝土的干缩性，此外粗骨料岩石种类也可对混凝土的干缩性和冷缩性发生重要影响，通常认为石英岩、石灰岩、白云岩花岗岩等骨料属低收缩性，而砂岩、玄武岩等骨料属高收缩性。骨料的清洁程度影响拌合用水量，所以也能影响混凝土干缩性，可影响到20%。
②合理的安排施工、有力的温控措施和精心养护：
混凝土生产、运输、浇筑过程中采取有效措施降低入模温度，养护过程保温、保湿养护，降低混凝土内外温差，防止表面产生裂缝，同时可防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝，还可以使水泥顺利水化，防止产生湿度裂缝。
浇筑过程控制混凝土下落高度不大于2m，并增设下料点，同时沿钢筋外侧灌入部分混凝土，确保保护层内混凝土均匀布置。浇筑至结构物顶部时适当调整混凝土坍落度，减少浮浆厚度。
严格控制钢筋保护层厚度，避免保护层过大或过小导致的混凝土面开裂。混凝土浇筑完成二次振捣、二次抹面收光。二次振捣以消除混凝土表面裂缝为目的。大量实践表明，混凝土的二次振捣时间应在混凝土初凝前1～4h左右进行较佳，尤其是在混凝土初凝前1h进行效果最理想，振捣的深度不大于200mm。二次振捣不破坏混凝土内部结构和影响混凝土强度。在混凝土初凝前几分钟还需二次抹面收光，避免水分过快散失出现干缩裂纹。
5结论
①为防止夜间气温急剧下降，特别是冬季施工期间，导致混凝土表面温度同步下降，在塔柱施工时，模板表面仍需粘贴保温板，以减小内表温差。
②为减小高空风、光照对混凝土表面温度、湿度的影响，塔柱施工时，需采用防风土工布养护。
③施工过程严格控制钢筋保护层厚度、入模温度、下料点布置及浮浆厚度等。
④合理选择原材料，采用中/低热水泥，不断优化配合比。
参考文献
（施工中混凝土裂缝分析及控制，李季）
（结构设计原理，叶见曙）
论文作者:尚敏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/28
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 水化论文; 温度论文; 水泥论文; 表面论文; 骨料论文; 《基层建设》2018年第10期论文;