浅谈大体积混凝土收缩裂纹的控制

郑州黄河公铁两用桥为石武铁路客运专线及中原黄河公路大桥跨越黄河的共用特大桥梁。本标段主桥铁路墩身施工范围为6#～12#墩，里程：QCK651+453.749～QCK652+176.949。铁路墩顶高程+103.024m，主桥6-11#墩身采用圆端形，墩身平面尺寸为19×5m，高为8.68m(其中主桥6#墩墩身底部有23×8×1.5m墩座)，铁路墩帽高4.5m。主桥12#墩为主引桥连接墩，则采用门型框架墩，墩身为3个立柱，立柱高7.68m，单个立柱截面3×5m。墩帽及托盘高4.5m，墩顶宽23m。铁路墩身采用C45钢筋混凝土实心结构，铁路墩帽采用C40钢筋混凝土实心结构。

二、大体积混凝土产生收缩裂纹的原因

何谓大体积混凝土，日本建筑学会标准(JASS5)认为，结构断面最小尺寸在80cm以上，水化热引起混凝土内最高温度与外界气温之差越过25℃的混凝土，称为大体积混凝土。混凝土产生裂纹的原因是混凝土的各部分在不同程度都受到一定的约束，它不能自由收缩，差异应变产生的拉应力大于混凝土抗拉强度时便产生裂纹，如果一个混凝土结构在温度或湿度变化引起体积变化的情况下，能够自由收缩或膨胀，这个结构就不会开裂。

混凝土塑性收缩引起的收缩裂纹

混凝土收缩的主要原因是混凝土中的用水量、胶凝材料用量较多，用水量和胶凝材料中水泥用量越高，水泥的水化热也就越大，混凝土的收缩就越大，不同的水泥品种，干缩、收缩的量也不同。混凝土逐渐散热和硬化过程引起的收缩，会产生很大的收缩应力。如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂纹。

三、如何控制和尽量避免收缩裂纹

1、材料和配合比的控制

(1)原材料的控制

1)水泥

首先，选择水泥时不能以强度作为唯一的指标，对于高性能混凝土耐久性同样非常重要。因为提高水泥的强度，实际上是增加水泥中的C3A和C3S含量并提高水泥的比表面积，这样将导致水泥水化速率过快，水化热大，混凝土收缩大，抗裂性下降、混凝土的微结构不良、耐久性降低。要改善混凝土的抗裂性，就要控制水泥中的C3A和C3S的含量且水泥颗粒不能太细，混凝土早期强度越高，在早期也越易开裂，所以要慎用早强水泥。其次，控制水泥中的碱含量，碱的影响首先表现在增加混凝土的开裂倾向，不管是否有活性骨料存在，开裂首先是由于水泥的高含碱量引起的收缩。所以，工程项目中使用的普通硅酸盐水泥除满足国家标准的规定外，对水泥的碱含量、比表面积、熟料中的C3A含量等指标进行补充试验，使比表面积≤350m2/kg，碱含量≤0.8%，C3A含量≤8%，降低水泥的水化热和碱含量，增强其抗裂性。

2)骨料

骨料在混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%左右，应选择线膨胀系数小、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。骨料吸水率大的混凝土会有较大的长期收缩，影响混凝土的抗裂性，骨料级配和粒径不好，采用带循环水的绞笼冲洗，使原材料表面清洁。本项目中砂子中粒径5~10mm粗颗粒较多，约占总重量的15%，会影响骨料级配，通过测定砂石粗颗粒的含量并将该部分粗颗粒折算成5~10mm碎石，相应减少该粒径范围的碎石含量，同时保证砂率不变。

3)高效减水剂及矿物掺和料

高性能混凝土采用聚羧酸高效减水剂，可以降低大体积混凝土的水胶比和胶凝材料的用量，并且混凝土配合比中掺入粉煤灰和矿粉各占胶凝材料总量20%，因此混凝土强度发展较慢，水化热的产生不像普通混凝土集中，矿渣的掺量到一定数量后，由于减少相应的水泥量，矿渣水化的速度因缺少足够的水泥中激发物而降低，相应的水化热和自收缩减少。

根据高性能混凝土对各种原材料的要求和原材料检测结果，就可以确定高性能大体积混凝土的原材料。

(2)配合比优选

混凝土的技术性能在很大程度上是由原材料的性质及相对含量决定的，混凝土配合比应根据混凝土的原材料品质，混凝土实际强度等级、耐久性等的要求进行试拌选定。

由于本项目主体结构均采用高性能混凝土，其配合比的选定遵循以下基本原则：

1)为提高混凝土耐久性，改善混凝土抗裂性，混凝土中适量掺加优质的粉煤灰、矿粉等矿物掺和料;

2)不同的混凝土强度和环境条件等级，混凝土的最大水胶比和最大胶凝材料用量满足规范要求;

3)混凝土中掺入能提高混凝土耐久性的高效多功能复合外加剂。

2、施工工艺的控制

(1)控制内部温度应变

本工艺主要依靠并保证已局部水化的混凝土不能变冷，与最热部分相比较不超过20°C的温差。与传统的方法相反，这里的原则是如果不能使混凝土冷却，那么就要对它进行保温。

低水泥用量的大体积混凝土可用传统的灌筑方法使混凝土冷却。然而，对于结构性的混凝土，由于强度的需要通常采用钢筋混凝土。这时，采用上述传统的冷却方法是不经济的，与此同时，混凝土内部不能保持冷却。

估计混凝土水化而产生的温度变化问题是非常困难的，因为这一过程会涉及到许多变量。英国相关报道表明，这些变量可由极限温升的简单计算所代替。本方法指出水化混凝土可能达到的最高温度是灌筑时混凝土的温度加上混合物中水泥含量100公斤/米3为12°C的数值。

(2)避免外部施加的约束

控制温度差是为控制混凝土的外部和内部温度裂缝。当钢筋是连续跨越每个交界面时，应当避免对着相邻近的侧面或者介于两相对的硬化了的混凝土大体积断面中灌筑新拌混凝土。新拌混凝土的热膨胀以及随后不可避免的冷却引起的收缩，所以不管断面有多么厚，均有可能形成完全贯通混凝土的应力裂缝。

(3)实现钢筋混凝土截面的一次连续灌注

与温度应变和外部约束一样，实现钢筋混凝土截面的一次连续灌注也十分重要。连续灌筑要求完整计划，同时考虑运送混凝土到灌筑地点的最好途径。大体积预拌混凝土的供应能力与大体积输送设备一样非常重要。由于在这类工程里缓凝剂通常是至关重要的，应仔细选择与它们性质一致的附加剂，而且要与使用在混凝土内所有的材料相容。同时每个工程人员都应参加施工前的讨论会，以保证清楚工程的作业方法并在工程中共同协调努力。

施工接缝总是不可避免的，所以在灌筑过程中必须要经过细致地考虑以避免封闭的断面。在这种情况下，不仅是20°C的温度差值得考虑，而且对灌筑混凝土的全部膨胀和随后的收缩进行认真的估算。

四、结论

大体积混凝土的施工裂纹虽然不可避免，但是通过合理手段是可以控制的。通过以上分析证明，选用满足要求的原材料，采用合理的配合比和正确的施工工艺，进行良好的施工养护，能够有效地控制大体积高性能混凝土裂纹的产生。由于裂纹的控制涉及原材料质量、混凝土配合比、混凝土生产质量、施工气象、施工、养护等诸多因素的课题，需要各部门、各环节共同努力，精心配合才能奏效。通过实践证明，只要努力，裂纹是可以控制在最小范围内的。

五、参考文献

[1]贾应春，崔清强.苏通大桥辅桥主墩承台大体积混凝土施工温度控制[J].桥梁建设，2006，(1).

[2]孙世国，白会人，林国棋等.钢渣、粉煤灰混凝土强度特性的实验研究[J].北方工业大学学报，2005，(1).

[3]周先雁，肖云风，曹国辉.用超声波法检测钢管混凝土质量的研究[J].铁道科学与工程学报，2006，(6).