大体积混凝土裂缝预控技术研究

大体积混凝土裂缝预控技术研究

徐静1袁祥云2曹磊3

1.海逸恒安项目管理有限公司山东济南250000

2.山东高速泰东公路有限公司山东济南250000

3.济南市公路管理局山东济南250000

摘要：文章结合国高青兰线泰安至东阿界段高速公路黄河特大桥引桥混凝土的裂缝预控问题，从混凝土早期收缩开裂的形成机理入手，详细深入地剖析了裂缝形成与发展的主要原因。以此为理论基础，建立了混凝土内部的湿度场与收缩应力场，得出了任意时刻混凝土内任意一点的应力值。利用有限元分析软件Midas/Civil模拟了混凝土内部的温度场与应力场，得出其分布、发展和变化规律，并提出裂缝控制措施，为如何预防和控制裂缝提供理论依据和指导。

关键词：黄河特大桥引桥；混凝土裂缝；有限元分析；温度场；应力场

混凝土是一种准脆性多相复合材料，而多相复合体材料内部存在着随时间变化的残余应力，在自发和诱发因素的作用下引起混凝土内部和外部的裂缝。随着高强、高性能混凝土的大力推广应用，混凝土的裂缝问题越来越来严重，故也备受工程界的广泛关注。早龄期混凝土结构在受约束条件下因水化硬化而导致的体积变化（一般是收缩）是混凝土结构早龄期开裂的主要原因。

1．工程项目概述

国高青兰线泰安至东阿界段高速公路黄河特大桥引桥为预应力混凝土连续梁桥，墩柱为254座，墩长11.1m-22.8m；典型主墩墩身为空心墩。典型桥墩（4#）参数，墩身截面尺寸为10×3.5m（横桥向×纵桥向），顺桥向壁厚0.8m，横桥向壁厚1.20m，如图1-1所示。底部实心段厚度为5.5m，第一次浇筑2.5m厚，第二次浇筑剩余部分。设计要求后续墩身的浇注龄期差应控制在48h以内，以避免界面收缩裂缝的产生。

墩身采用C50混凝土，配合比如表1-1所示。

表1-1.墩身混凝土配合比

2.钢筋混凝土结构的收缩应力

钢筋与混凝土之间通过粘结作用力而相互协调共同工作，改变混凝土内部应力状态的同时也改变着钢筋的应力状态，在周围外界环境的干燥作用与内部自干燥的共同作用下，混凝土发生收缩变形，受到邻位约束或内部自约束的限制下将产生收缩应力，在徐变的作用下，两者共同改变着混凝土内部的应力状态。以下将讨论一般情况下（不论有无外荷载的作用，从任一指定时刻开始），考虑徐变作用的应力时程分析方法。

3.桥墩裂缝控制技术措施

3.1预制桥墩裂缝产生原因分析

本课题所研究预制桥墩裂缝产生原因，主要是混凝土在浇筑完成后，随着龄期的增长，由于干燥、温度变化和水化反应的深入，先浇筑的混凝土结构的体积将持续发生微弱的收缩，且收缩呈现先快后慢的趋势。当混凝土分次浇筑时，前次已浇筑混凝土收缩量要小于后浇筑混凝土收缩量。施工缝上下层混凝土间的嵌固作用将阻碍上下层混凝土自由伸缩，试图使上下层混凝土形变一致，这样，将导致施工缝附近先浇筑混凝土内部产生压应力，后浇筑混凝土内部产生拉应力。也就是说，正是由于龄期差导致了混凝土的收缩速率差，从而导致了混凝土内部积聚的应变能的增加。随着龄期的增长，混凝土应变能达到某一极限时，将会发生能量的释放，从而导致混凝土开裂。

3.2从减小混凝土降温收缩方面考虑的控制措施

3.2.1降低混凝土的灌注温度

按规范规定，混凝土内部冷却水的水温一般要达到50℃以上，这个要求较难实现。在条件允许的情况下应尽可能的降低温度不要高于28℃，降低灌注温度，可采用下列方法：

①拌和水加冰：拌和水温度每降低1℃，可使混凝土温度降低0.1℃。设加冰的有效系数，加冰的降温效果如表4-1所列。

表4-1冷却水加冰降温效果

②降低骨料温度：石子和砂子的温度每降低1℃，可分别使混凝土温度降低出机温度约可降低0.44℃和0.31℃。

3.2.2混凝土的保温

刚浇筑的混凝土强度低、抵抗变形能力小，如遇到不利的温湿度条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生。另外，保温可减慢混凝土内部温度的降低速率，充分发挥徐变作用，来达到减少裂缝的目的。

3.3从减小混凝土自生收缩方面考虑的控制措施

3.3.1膨胀剂补偿混凝土自生收缩

从各种膨胀剂的抗裂原理来说，基本上都是在水泥水化和硬化的过程中产生大量的钙矾石晶体，使水泥产生体积微膨胀[5]，从而使混凝土产生微膨胀性。在这一过程中，膨胀剂的掺量问题至关重要。混凝土的自由膨胀率是随着膨胀剂掺量的增大而增大的。当掺量不足或膨胀剂的膨胀率太小时，产生的钙矾石晶体太少，所产生的膨胀率非常小，此时钙矾石晶体仅仅起到填充混凝土毛细孔的作用，即提高了混凝土的抗渗性，但补偿混凝土收缩的能力远远不够，混凝土剩余的收缩变形远大于混凝土的极限延伸率，不能阻止混凝土的开裂，只有生成的钙矾石晶体较多时，混凝土才会产生较好的膨胀性能。

3.3.2减缩剂减小混凝土自生收缩

减缩剂通过降低混凝土毛细孔溶液的表面张力达到降低毛细孔力的作用，从而降低了混凝土的干燥收缩和自收缩，是一种纯粹的物理减缩作用，它从根本上减小了混凝土产生自收缩，并将孔隙细化，没有明显的原生裂纹出现，使混凝土的结构更为致密。在自然干燥的条件下，掺入减缩剂的混凝土表面甚至可以没有任何可见裂缝出现；在风吹的条件下，可使初裂时间延迟，裂缝数量与总长度减小，最大裂缝宽度减小，扩展速率减慢，甚至可以杜绝贯穿性裂缝的出现。福州大学陈宝春等学者研究高强度混凝土为了降低收缩，采用内养护、添加膨胀剂、减缩剂与粗骨料等措施。

3.4从施工方面考虑的裂缝控制措施

3.4.1混凝土的浇筑与二次振捣

对浇筑后的混凝土进行二次振捣，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减少内部微裂缝，增加混凝土密实度，使混凝土的抗拉强度提高10%～20%左右，从而提高抗裂性。

3.4.2充分保湿养护

混凝土收缩受环境相对湿度影响显著，环境相对湿度越低，其干缩值越大。早期保水养护不足对所有混凝土的强度发展和耐久性都有不利的影响。掺粉煤灰混凝土的最终现场强度可比28d强度提高50%～100%，这必须是经过充分的保水养护才得到的，否则不但影响强度，而且会发生开裂。

4.结论

本文在理论分析的基础上，结合实测应变数据，研究了预制桥墩早期裂缝产生的原因和控制技术措施。

参考文献

[1]孙跃生、仲朝明等，混凝土裂缝控制中的材料选择，北京：化学工业出版社，2009

[2]王甲春，阎培渝，硅酸盐水泥一粉煤灰复合胶凝材料体系的干燥收缩裂缝分析，沈阳建筑大学学报：自然科学版，2005