桥台大体积混凝土裂缝成因及防治

【摘要】本文主要针对某U型桥台在泵送混凝土施工中出现裂缝的现象，尽可能对混凝土桥台大体积砼浇筑裂缝的种类和产生的原因作较全面的分析、总结，以便设计、施工找出控制裂缝的可行办法，提出修建该型式桥台时应注意的事项及预防措施，达到防范于未然的作用。

【关键词】桥台混凝土 裂缝 成因及防治

1、概述：

近几年来，随着混凝土拌和设备的快速发展，越来越多的大体积砼桥梁结构物在浇筑过程中，普遍采用搅拌站(楼)集中拌制、泵送混凝土进行浇筑的方法。与普通混凝土相比，泵送混凝土材料集中拌制，具有计量准确，搅拌均匀的特点，但为满足泵送和混凝土的流动性、粘聚性、保水性及为改善混凝土性能、节约水泥、降低造价等方面的要求，致使在普通混凝土施工中不易出现 的问题，在泵送混凝土施工中却显得十分突出，如易使混凝土产生温度裂缝等。

2、温度裂缝产生的原因和特征

温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。

2.1混凝土温度计算

根据我单位类似工程的施工经验，本工程混凝土一般采用的配合比如下：

水泥： 320~380kg/m3；

水： 180~190 kg/m3；

粗骨料： 1030~1050 kg/m3；

细骨料： 720~760 kg/m3；

微粉： 60~80 kg/m3；

缓凝型减水剂： 10%。

施工前应提前进行试配，并将试配试验结果报监理工程师确认，确定最终配合比。

⑴ 计算条件

配合比：水泥：水、石：砂=330：190：1050：760

水泥：425#矿渣硅酸盐水泥，

水化热值Q=420KJ/Kg；

混凝土比热C=0.97J/kg.℃。

混凝土容重γ=2400Kg/ m3；

预计施工平均气温：Tq=30℃；

⑵ 绝热温升：Th=WQ/Cγ=330×420/0.97×2400=59.54℃。

⑶ 搅拌温度计算和浇筑温度

混凝土拌和温度计算表

材料名称 重量

W（kg） 比热

C（KJ/Kg.K） 热当量

Wc（KJ/℃） 温度

Ti（℃） 热量

TiWc (KJ)

水泥 330 0.84 252 30 7560

砂子 760 0.84 638 38 24244

碎石 1050 0.84 882 35 30870

微粉 80 0.84 67 30 2016

拌和水 190 4.2 798 30 23940

Σ 2410 2637 88630

（注：本表中数值为经验数据）

混凝土拌和温度为: Tc=∑TiWc/∑Wc=88630/2637=33.61℃。

考虑到混凝土运输过程中受日晒等因素，入模温度比搅拌温度约高2℃,则混凝土入模温度约为:

Tj =35.61℃。

⑷混凝土中心最高温度：

TMAX=Tj+Th*ξ

Tj=35.61℃（入模温度），ξ散热系数取0.85

则TMAX=Tj+Th*ξ=35.61+59.54×0.80=83.24℃。

⑸混凝土内外温差

混凝土表面温度（未考虑覆盖）：Tb=Tq － 4h（H-h）T/2。

Tq为大气环境温度，取30℃，T= TMAX-Tq=83.24-30=53.24 ℃，

H=5.7/2=2.85m，h=0.07m, 故Tb=9.28℃。

混凝土内表温度：Tc= TMAX-Tb=83.24-9.28=73.96℃。

混凝土内表温度-大气温度=73.96-30=43.96＞25℃。

2.2计算结果分析

根据以上计算分析，可以看出混凝土内部温度相当高，混凝土表面温度与大气温度差较大，混凝土

极易产生表面裂缝。由于温差较大，采用覆盖养护措施后，将温差控制在25℃范围内的难度很大。

根据计算结果分析，导致混凝土内部温度过高的原因主要反映在以下两个方面：

⑴设计混凝土强度等级高，水泥用量大，混凝土内温升大；

⑵夏季施工，混凝土搅拌温度和出机温度高，导致混凝土入摸温度过高。

3 裂缝成因分析

3.1定性分析

该桥台并没有承受过使用荷载和施工荷载，可以排除外力作用产生裂缝。桥台下基础为1.5m厚钢筋混凝土承台，经观察未发现裂缝，认为基础是绝对刚性的，因此裂缝不是由于基础不均匀沉降导致的。

从裂缝的规则性（裂缝走向一致，间距较均匀），可以判定不是由混凝土拌和不均匀或混凝土含有膨胀性集料引起的。混凝土拌和不均匀或混凝土含有膨胀性集料引起的裂缝走向是不规则的且分布具有区域性。

考虑到结构物尺寸特征及裂缝形态，可以初步推断是由于水化热过大引起的温度裂缝。由于水化热作用，使混凝土内部与外表面温差过大，这时内部混凝土受压应力，表面混凝土受拉应力。由于混凝土抗压强度远大于抗拉强度，表面拉应力可能先达到并超过混凝土抗拉强度，而产生间距大致相等的直线裂缝（称温差裂缝），该结构裂缝形态正是如此。由于中心混凝土受压应力，所以这类裂缝通常只是表面性的、不贯通。对该重力式桥台，两个结构缝中间混凝土即为一个受力构件。

3.2定量分析：温差裂缝计算

⑴ 构件中心与外表面水化热温差绝热最高温升：

W---每立方米水泥含量（kg/m3 ）Q---每千克水泥散热量（J/kg）

γ---混凝土容重（取2400 kg/ m3 ）C---比热（取0.96×103 J/kg℃）

实际结构在水化热升温的同时，就有散热。水化热升温达到峰值后，继续散热使结构温度下降。

实际最高温升：T′=T×k1×k2×k3×k4=20×1.0×1.2×1.2×1.0=28.8℃

考虑构件厚度及施工季节，T取为20℃

k1---与水泥标号有关的修正系数(425#水泥取1.0)

k2---与水泥品种有关的修正系数（普通硅酸盐水泥取1.2）

k3---与水泥用量有关的修正系数(水泥用量为330 kg/m3时取1.2)

k4---与模板类型有关的修正系数(钢模板取1.0)

考虑非均匀降温和混凝土收缩，假定从表面至中心的降温和收缩变化均按抛物线分布。

⑵ 表面相对收缩变形（t=14天）：

S(t)=3.24×10-4(1-e-0.01t) ×1.62=3.24×10-4(1-e-0.01×14) ×1.62=6.86×10-5

⑶ 收缩当量温差：T"=S(t)/α=6.86×10-5/10×10-6=6.86℃其中α为混凝土线膨胀系数

⑷ 温度应力：总温差TO= T′+ T"=28.8+6.86=35.66℃

考虑混凝土应力松弛效应，取松弛系数H=0.6。考虑龄期对混凝土弹性模量E（t）影响，

取E（t）=E(1-e-0.09t)

表面应力：

⑸开裂验算：C25混凝土28天抗拉强度ft =1.75Mpa,

f(t)=0.8ft(lgt)2/3 ；

14天龄期混凝土抗拉强度f(14)=0.8×1.75 (lg14)2/3

f(14)=1.53MPa

бx(y=±h)=3.97 MPa≥1.53MPa（开裂）

构件截面中部应力：

负号表示中部混凝土受压应力。所以中部混凝土不会开裂，即裂缝不是贯通裂缝。

4施工方案

为确保大体积砼的施工质量，施工前除必须认真熟悉设计图纸，做到必须严格按设计要求和施工规范组织施工外，必须采取特殊的技术措施方能确保高强大体积砼的施工质量。本工程拟采用斜面分层、薄层浇筑、循序退打、前中后三路振捣，一次边疆整体浇筑砼的方法和“综合温控”施工技术。主要施工措施如下：

4.1 大体积砼关键技术措施

⑴ 按设计要求的砼强度和抗渗等级，严格选用砼的最佳配合比，并根据以往施工经验进行优化。

⑵为减少水泥的水化热，选用425#矿渣硅酸盐水泥配制砼，砼的龄期采用R60天的强度代替R28天的强 度，同时掺加适量UEA微膨胀剂，减少水泥用量、降低砼内部最高温度、补偿收缩，最终减少砼内部产生的热量。

4.2大体积砼施工方法

⑴ 机械选择：

选用2台汽车泵输送砼，插入式振捣器振捣砼；多台小型高扬程抽水机辅助抽除浇筑砼时产生的泌水。

⑵砼浇筑顺序：

砼浇筑采用分区分层一个坡度，循序退打，一次到顶的方法（浇筑路线见图）。从基坑一端推进到另一端， 由一个泵负责浇筑一个区进行浇筑，每次浇筑厚度根据砼输送能力、施工段宽度及坡度、砼初凝时间进行计算，每层厚度30-40cm。若有意外，砼输送能力下降，则立刻减小砼浇筑厚度，确保在底板砼浇筑过程中

5 主要技术措施

大体积混凝土由外荷载引起的裂缝的可能性很小，而混凝土硬化期间水化过程释放的水化热和浇筑温度所产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用，由此产生的温度应力和收缩应力， 是导致结构出现裂缝的主要因素。

5.1 用原材料降温控制混凝土出机温度

根据由搅拌前混凝土原材料总热量与搅拌后混凝土总热量相等的原理，可求得混凝土的出机温度T，说明混凝土的出机温度与原材料的温度成正比，为此对原材料采取降温措施：①将堆场石子连续浇水，使其温度自浇水前的56℃降至浇水后的29℃ ，且可预先吸足水分，减少混凝土坍落度损失；②黄砂在码头起水时，利用江水淋水冷却，使之降温。③虽混凝土中水的用量较少，但它的比热最大，故在搅拌混凝土用的3只贮水池内加入冰块，使水温由31℃降到24℃。这样一来，送达现场的材料温度才能达到要求，从而使入模温度大为降低。

6裂缝防治措施

6.1混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件。

保温能减少混凝土表面的热扩散，降低混凝土表层的温差，防止表面裂缝。由于散热时间延长，混凝土强度和松弛作用得到充分发挥， 使混凝土总温差产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，防止了贯穿裂缝的产生。浇筑时间不 长的混凝土，仍然处于凝结、硬化过程，水泥水化速度较快，适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生收缩裂缝。同时,在潮湿条件下，可使水泥的水化充分、完全，从而提高混凝土的抗拉强度。

7.总结

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出现不仅会降低桥台的使用年限，即影响了桥台的使用功能及承载能力，因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理，并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，确保工程安全及稳定地工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。