浅析桥梁工程大体积混凝土裂缝成因及控制措施

浅析桥梁工程大体积混凝土裂缝成因及控制措施
摘要：大体积混凝土在桥梁工程中应用广泛，本文分析了桥梁结构大体积混凝
土产生裂缝的原因及分类，通过施工工艺、质量控制、温度监测控制、养护措施
等方面，提出了裂缝的主要预防及控制技术措施。

关键词：桥梁工程；大体积混凝土；裂缝；温度；收缩
混凝土因其较高的抗压强度、耐腐蚀性，以及便于养护和取材成为桥梁工程
中最为广泛采用的材料。

混凝土是由骨料、水泥，水及其它外加材料混合而形成
的非均质脆性材料，缺点是混凝土抗拉能力差，易开裂。

桥梁施工技术随着公路
建设的突飞猛进迅速发展，其中大体积混凝土在大型桥梁工程中的应用日益增多。

采用大体积混凝土施工与普通钢筋混凝土相比，其特点为结构厚实、体积大，而
且表面系数较小，水泥水化热释放较集中，内部升温较快。

施工技术要求高，水
泥水化热易使结构产生温度和收缩变形。

混凝土内外温差较大时，会使混凝土产
生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。

裂缝作为的常见工程病害，易使混凝土
内部的钢筋加速腐蚀．降低钢筋混凝上结构的承载力、耐久性、抗冻性及正常使
用年限。

混凝土裂缝控制在桥梁工程建设中至关重要。

本文分析了桥梁结构大体
积混凝土产生裂缝的原因，从施工工艺、质量管理等角度，提出了裂缝的主要预
防及控制技术措施。

1 桥梁工程中大体积混凝土裂缝产生的原因分析
在桥梁工程施工中，大体积混凝土结构通常具有以下特点：混凝土是由骨料、水泥，水及其它外加材料混合而形成的非均质脆性材料，抗压强度较大、抗拉强
度很小，混凝土受内部材料、构造的影响，同时也受外界环境条件的影响，混凝
土裂缝的成因十分复杂。

大体积混凝土的断面尺寸较大，由于水泥的水化热会使
混凝土内部温度急剧上升；以及在以后的降温过程中，在一定的约束条件下会产
生相当大的拉应力。

温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。

大体积混凝土出现的裂缝按深度不同，分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝。

表面裂缝主要是温度裂缝，其一般危害性较小，对混凝土外观有影响。

深层裂缝
部分地切断了结构面，对混凝土耐久性产生一定的病害。

贯穿裂缝是由混凝土表
面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。

贯穿裂缝切断了结构的整个断面，
可能破坏结构的整体性和稳定性，对混凝土危害性是比较严重。

大体积混凝土裂
缝的产生是由内部、外部等多种因素引起的，各类裂缝产生的主要影响因素有以
下方面：
1.1水泥水化热影响引起的裂缝
水泥在水化过程中要释放出一定的热量，而大体积混凝土因结构断面较厚，
水化热为混凝土内部主要热量来源，结构内部大量热量聚集且散热较慢，结构表
面自然散热较快，中心温度越积越高，使内外温差过大。

形成温度梯度，产生温
度压力和温度应变，温度压力和温度差成正比。

温差越大温度应力越大，温度应
力超过混凝土内外约束力时就会产生裂缝。

大混凝土内部温度与混凝土体积厚度、水泥用量和水泥品种有关，同一品种水泥、水泥用量越大、体积越大，内部温度
越高。

1.2外界温度变化引起的裂缝
桥梁大体积混凝土结构在施工过程中，受外界气温变化的影响很大。

因为是
由浇筑温度、水泥水化热产生的绝热温度以及散热温度等多种温度叠加组成混凝
土内部温度。

且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。

温度应力是由于温差引起温度变形造成的；温差越大，温度应力也就越大。

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形成
温度裂缝，表面裂缝的走向一般无规律性是温度裂缝的特点，裂缝宽度不均，深
层裂缝、贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行，热细冷宽。

表面温度裂缝
一般出现在浇筑混凝土24h～48h之间，深层温度裂缝与贯穿温度裂缝常开始出
现在现浇混凝土两至三周以后。

1.3内外约束条件
大体积混凝土与地基浇筑在一起，当早期温度上升时产生的膨胀变形受到下
部地基的约束而形成压应力。

由于砼的弹性模量小，徐变和应力松弛度大，使砼
与地基连接不牢固，因而压应力较小。

但当温度下降时，产生较大的拉应力，若
超过砼的抗拉强度，砼就会出现垂直裂缝。

混凝土水化热影响使中心温度较高至
热膨胀大，使混凝土中心区产生压应力，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。

1.4混凝土的收缩变形引起的裂缝
在桥梁工程实际中由于收缩所造成的裂缝较为常见。

当混凝土在空气中硬结
时体积减小的现象称为混凝土收缩。

混凝土收缩种类及成因很多，引起混凝土裂
缝使主要有塑性收缩、温度收缩和干燥收缩。

以及自生收缩和炭化收缩等。

塑性
收缩引起的裂缝，当混凝土水灰比较低，在水泥活性大、混凝土温度较高时泌水
减少，表面水分大量蒸发散去，这时混凝土尚处于塑性状态，易出现分布不规则
的裂缝。

初期主要是水泥石在水化凝固结硬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。

混凝土中约占五分之四的水分在硬
化过程要蒸发出去。

多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。

所以混凝土收缩
的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。

混凝土收缩裂缝中受到影响的主要因
素有：水泥品种、体积安定性、标号及用量，外掺剂，骨料的品种集配、最大粒径、变形模量，混凝土的水灰比、稠度、保水性、振捣密实度，混凝土龄期、养
护方法及养护条件、拆模板时间、外界温湿度环境等。

1.5地基基础、支架、支撑沉降形变引起的裂缝
由于地基基础、支架、支撑的不均匀沉降产生竖向或水平方向的位移，结构
中形成的附加应力，超出了混凝土结构的抗拉能力，使局部混凝土变形受约束而
产生结构裂缝裂。

在工程实际中，如过早拆除模板支架易使未达强度的混凝土结
构产生缝裂。

1.6钢筋锈蚀引起的裂缝
桥梁墩台大体积混凝土结构通常在主筋外侧表面设置防裂钢筋网来防止混凝
土收缩裂缝。

施工过程中如果混凝土的质量、保护层的厚度达不到设计要求，表
层混凝土受侵蚀碳化后，钢筋外围混凝土碱度降低，氯离子含量增加，导致钢筋
表面氧化膜破坏，钢筋继续发生锈蚀反应，锈蚀物氢氧化铁体积暴增，对包裹混
凝土产生较大的膨胀应力，使保护层混凝土剥离、开裂。

1.7其他因素的影响
荷载裂缝是在常规静荷载、动荷载及次应力下产生的裂缝，主要有直接应力
裂缝、次应力裂缝。

超荷载使用或在未达到设计强度时过早的增加荷载导致结构
出现裂缝，如在施工阶段堆放过多施工设备机具、材料等。

引起裂缝的原因还有
很多，比如冻胀因素、施工材质因素、施工工艺因素等。

2 桥梁工程大体积混凝土裂缝控制
2.1 优化大体积混凝土配合比设计
2.1.1 大体积凝土因水泥水化热影响使混凝土中心温度与外部温差较大，产生
很大的温度应力，因此桥梁工程的大体积混凝土选用水化热较低或者中热的水泥
品种。

例如低热矿渣硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥等，并尽可能减少水泥用量，
充分利用混凝土的中后期强度。

通过掺入一定量的粉煤灰作为胶凝材料后节约水
泥用量，降低胶凝材料体系的水化热。

增加混凝土的和易性、密实度，提高抗渗
和耐久性能，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，降低混凝土的最终收缩值，延迟内部温度升高峰值出现时间。

掺加粉煤灰可以有效的节约水泥，降低水
化热，并能大幅提高混凝土中后期强度，提高混凝土的抗裂性能。

2.1.2 大体积凝土应严格控制骨料的集配及其含泥量。

在骨料的选择上应该选
取粒径大、弹性模量较低、外面清洁无弱包裹层、强度高、级配良好的骨料。

达
到空隙率及表面积较小，减少水泥的用量，降低水化热，减少干缩变形。

粗骨料
宜采用连续级配，细骨料宜采用中砂，利于减少水泥的用量。

严格控制骨料的含
泥量，避免含泥量过大使混凝土收缩增大，且影响抗拉强度值。

2.1.3 大体积凝土外加剂的合理使用。

桥梁工程大体积凝土中通过选用合适的
外加剂以改善混凝土的工作性能。

外加剂宜采用缓凝剂、减水剂。

减水缓凝剂，
减少用水量、减缓水泥水化过程中放热速度，延缓水化热的峰值期并改善混凝土
的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的。

选用干缩率较小的外加剂，利
于改善混凝土早期干燥收缩。

并应控制好坍落度，不宜过大。

2.2 施工工艺及质量控制
混凝土施工包括生产拌制混凝土、运输、浇筑及养护。

浇筑及养护是桥梁工
程施工现场控制大体积混凝土温度裂缝的关键。

整体连续浇筑具有结构整体性好、施工周期短和抗渗性好等优点，适用于混凝土结构厚度小的情况。

浇筑大体积混
凝土的厚度较大时，宜采取分层浇筑方案。

分层振捣密实以使砼的水化热尽快散失，利用浇筑面散热以控制裂缝产生。

2.2.1 全面分层法：第一层混凝土全面浇筑完成以后，再回头浇筑第二层，应
保证此时第一层混凝土尚未开始初凝，逐层连续浇筑至结构物全部完工。

浇筑时
从短边出发，沿着长边推进。

或者分成两段，从两边往中间同时浇筑。

该方案适
用结构平面尺寸不是太大的大体积混凝土。

2.2.2 分段分层法：先从底层开始浇筑到一定距离后浇筑第二层，依次向前浇
筑其它各层。

因为总的层数较多，浇筑到顶后，第一层末端的混凝土尚未初凝。

继续从第二段依次分层浇筑。

该方案适用面积或长度较大、结构厚度尺寸不是太
大的大体积混凝土。

2.2.3 斜面分层法：斜面分层要求斜面的坡度不大于三分之一，混凝土从斜面
下端开始逐层上移浇筑。

混凝土振捣必须适宜斜面分层浇筑，确保混凝土振捣密实。

该方案适用长度较大于厚度三倍以上的大体积混凝土。

2.3 温控及养护措施
通过控制大体积混凝土保持适宜的温度和适度，控制混凝土内外温差，保障
混凝土强度正常发展，防止因温度变形而引起开裂。

2.3.1 采用内部降温法降低混凝土的内外温差。

在混凝土内部采用薄壁钢管分
层布设冷却水管，混凝土浇筑结束即开始向冷却水管内部通入冷却循环水，采用
循环法保温养护，以便加快混凝土内部的热量散发。

根据混凝土内部温度监测，
控制冷却水管进水流量及温度。

2.3.2采用保温法，在混凝土的模板外侧及外露的混凝土表面覆盖塑料薄膜、麻片、织物、草袋等保温材料，碘钨灯照射或定时喷浇热水、蓄存热水等办法，提高砼表面及四周散热面的温度，从结构物的外部进行温度控制。

保温、保湿养护，缓慢散热，降低混凝土内外温差，防止表面产生裂缝，防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝，并且利于水泥顺利水化，防止产生湿度裂缝。

2.3.3 在夏季高温炎热季节施工时，砂、石料遮阳，必要时向骨料喷射水雾或使用前作淋水冲洗采取降低原材料温度、减少混凝土运输时吸收外界热量等降温措施。

冬季进行施工，因为要防止早期混凝土被冻问题，所以要求混凝土浇筑时应该具有一定的入模浇筑温度。

并且注意运输中的保温、浇筑过程中减少热量的损失以及保温养护。

2.3.4 根据气候条件采取控温措施，沿浇筑高度，布置在底部、中心和表面测温点，按需要测定浇筑后的混凝土表面和内部温度，将温差控制在设计要求的范围以内。

控制混凝土内外温差小于20℃。

混凝土外表面和环境温度差值不应超过20℃。

养护时间不应少于14d。

温控效果可在少数混凝土层中埋设应变计进行温度应力检测，应变计沿水平方向布臵检测水平方向应力分量。

3结语
由于桥梁工程大体积混凝土裂缝产生的影响因素很多，通过分析考虑各种因素，选择合理的施工工艺、温度监测控制、养护措施，控制混凝土的内外温差，防止混凝土表面温度突变。

确保大体积混凝土不出现裂缝。

有利于确保混凝土施工质量，节约施工成本。

参考文献：
[1]王铁梦.控制混凝土工程收缩裂缝的18个主要因素〔D〕.2003.11：8
[2]陈斌.混凝土配合比优化及结构早期裂缝防治研究[D].浙江大学，2005.
[3]王顶堂.大体积混凝土裂缝控制技术应用研究[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2008，（06）.
[4]张波，张方.聚羧酸盐高效减水剂、大掺量复合掺合料及机制砂在大体积混凝土中的应用[A].2008
[5]岳锐强.桥梁混凝土裂缝成因分析.[J].公路.2010（5）：184-185
作者简介：姓名：程岗、男、1983年7月14日，本科、目前为工程师，从事公路工程项目现场施工管理，公路路基及桥梁施工，主研方向：公路与桥梁，籍贯：云南曲靖，工作单位：贵州省公路工程集团有限公司，单位邮编：550005（贵州贵阳）。