箱 梁 裂 缝 控 制

文 /何 金 良

随着经济的发展，交通工程建设特大型桥梁迅猛发展，结构形式日趋大型化、复杂化，质量要求严格。而混凝土裂缝问题是具有相当普遍性的技术难题。以黄姑塘大桥为例，其主跨 80m 上部结构均是变截面单箱单室预应力混凝土连续箱梁，论述裂缝产生及怎样控制裂缝。

1 裂缝的一般概念

1.1 混凝土内部结构产生的裂缝

混凝土结构型裂缝是一种材料特征。可以这样认为，混凝土有裂缝是绝对的，没裂缝是相对的。在先进的试验研究设备面前，发现尚未受荷的混凝土和钢筋混凝土结构中也存在肉眼不可见的微观裂缝（简称微裂）。结构型裂缝主要有以下三种：

（ 1 ）粘着裂缝是指骨料与水泥石的粘接面上的裂缝，主要沿骨料周围出现；

（ 2 ）水泥石裂缝是指水泥浆中的裂缝，出现在骨料与骨料之间；

（ 3 ）骨料裂缝是指骨料本身的裂缝。

在这三种裂缝中，前两种最多，骨料裂缝最少。而产生微裂的原因可按混凝土的构造理论加以解释，即视混凝土为骨料，水泥石、气体、水分等所组成的非匀质材料，在温度、湿度变化条件下，混凝土逐步硬化，同时产生体积变形。这种变形是不均匀的，水泥石收缩较大，骨料收缩较小；水泥石的热膨胀系数大，骨料较小。它们之间的变形不自由，于是产生相互的约束力，这种应力引起粘着微裂和水泥石变裂，只是肉眼见不到。当混凝土承受荷载并逐渐增力时，微裂开始扩展并增加，扩展成可观裂缝甚至导致构件完全破坏。

1.2 混凝土裂缝种类

一类是各种外荷载（静荷载、动荷载和其它荷载）所产生的应力引起的裂缝和次应力引起的裂缝。另一类是变形（温度、收缩）引起的裂缝。其结构特征是，结构要求变形受到约束和限制时产生内应力，应力超过混凝土抗应力值后产生裂缝，裂缝出现后变形得到满足，内应力松弛。这种裂缝对承载力影响小，但对耐久性损害大。根据有关调查资料判断，工程实践中属于变形（温度、收缩、不均匀沉陷）引起的裂缝约占 80% ，属于荷载引起的裂缝约占 20% 。

2 混凝土基本物理力学性质

2.1 混凝土的收缩变形

实践证明，大部分混凝土结构裂缝的原因是由于变形引起，变形包括温度、湿度等因素引起。而湿度变化引起的裂缝又占主要部分，这从混凝土的结构可以看出：混凝土的重要组成部分是水泥和水，通过水泥和水的水化作用，形成胶结材料，将松散的砂石骨料胶合成人工石体水泥混凝土（砼）。在混凝土的空隙、粗孔及毛细孔里面存在大量水分，水分的活动影响到混凝土的一系列性质，特别是产生“湿度变形”的性质，其对裂缝控制有重要作用。

2.2 由湿度引起的收缩

2.2.1 干缩

混凝土经受干燥作用时，首先是大空隙及粗毛细孔中的自由水分因物理力学结合遭到破坏而蒸发，但这种失水不引起收缩。接着是细孔及微毛细孔中的水产生毛细压力，而混凝土承受这种压力后则产生变形而收缩，即“毛细收缩”。进一步是晶格向水分和分子层中的吸附水蒸发，从而产生显著的压缩，即“吸附收缩”，其是收缩变形主要部分。由于干燥所引起的收缩统称为干缩。

2.2.2 塑性收缩

浇筑的混凝土在初凝过程中，由于水化反应激烈出现砂、水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩，此时骨料与胶合料之间产生不均匀的收缩变形，并在混凝土终凝前产生，称其为塑性收缩。

3 收缩裂缝产生原因

有人认为，箱梁的体积不大，属于薄壁结构，控制混凝土的收缩裂缝不应按照大体积混凝土的要求采取措施。虽然薄壁结构由水化热引起的温度上升很低，但是混凝土本身收缩很大，特别在环境气温变化与收缩共同作用对于薄壁结构尤为不利，况且由于浇筑的薄壁厚度不均等原因，因而或多或少地存在应力集中。为此，控制收缩裂缝更显得重要。其原因归纳如下：

3.1 泵送混凝土的采用

泵送混凝土工艺的特点是：水泥用量较多、砂率偏高、骨料粒径偏小、水灰比增加、采用泵送剂，这些都导致收缩及水化热增加。

3.2 混凝土强度等级日趋提高

由于混凝土强度等级的提高，导致水泥用量增加、砂率偏大、骨料粒径偏小等，使水化热及收缩增加。

3.3 结构约束力不断增大

结构型式日趋复杂，常采用超静定结构和现浇施工，这种结构型式有显著约束作用，对各种变形作用必然引起较大的约束应力。

3.4 忽略结构约束

在结构设计中，经常忽略构造钢筋重要性，而这种钢筋要求细而密，对收缩裂缝有约束作用。

3.5 混凝土的抗拉性能不足

人们关心的是混凝土的抗压强度优先于抗拉强度，所以对材料抗拉性能的级配研究很少。

3.6 养护方法不当

泵送混凝土的较大湿度收缩变形要求有适应它的养护方法，不只是洒水，而要温控养护。

3.7 结构截面的突变不可忽视

在箱梁这种薄壁结构设计中，在顶板与肋板相连的变截面位置往往有双层的预应力管道，它是整个截面抗拉最薄弱的地方，很容易在那里出现纵向裂缝。

4 箱梁裂缝控制的综合措施

根据上述混凝土的物理力学性质，变形裂缝主要有湿度裂缝、沉陷（塑性）收缩裂缝、干缩裂缝。从它们的产生原因来看，我们可制订出有效措施来防止裂缝或把裂缝控制在无害范围内。黄姑塘大桥采用了以下措施，并取得较好的效果。

4.1 设计方面的改进

在箱梁 0# 块人洞外圆周 1m 半径范围内增加一层钢筋网片，采用直径为 8mm 钢筋，网距 10cm , 对收缩裂缝起约束作用。

在挂篮吊杆和留孔的底面也增加一层钢筋网片，平面尺寸为 50cm × 50cm ，网距 10cm ，对产生裂缝起到约束作用。

4.2 原材料和配合比

4.2.1 原材料

严格控制混凝土原材料的质量和技术指标，特别是要注意粗细骨料的含泥量很容易被人忽视的问题，黄姑塘大桥采用二次冲洗，即在采石场与使用前各冲洗一次，并采用优质湖州华阳青石和江西赣江中粗砂，使其含泥量控制在 1% 以内，有效控制微裂（提高混凝土抗拉性能）。

4.2.2 配合比

确定混凝土配合比时，在满足设计要求及施工工艺要求的前提下，采用浙江新都高标号水泥和江苏建材所的泵送增强剂，尽量减少水泥用量，以降低混凝土的水化热升温，并尽量降低水灰比，延长混凝土初凝时间，以减少混凝土收缩。

4.3 施工工艺的改进

4.3.1 控制混凝土的出机温度和浇筑温度

使用前用冷水冲洗集料，降低原材料温度，这是混凝土降低出机温度的最有效方法。当气温较高时，浇筑时间选在早晨及上午，最好在上午 10 时前完成浇筑；合拢段选在晚上 10 时以后至次日凌晨 1 时浇筑。

4.3.2 振动工艺

采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性，而且浇筑的壁厚力求均匀。混凝土经过两次振捣，有效地增加了混凝土的密实度，减少了内部微裂和提高混凝土的强度，提高了抗渗性能等。一般掌握两次振捣的时间间歇为 1 小时左右，即在混凝土初凝前必须完成第二次振捣，否则会破坏混凝土内部结构。

4.3.3 养护工艺

混凝土的养护主要是保持适当的温度和湿度条件，在混凝土表面覆盖双层白色土工布，并洒水保持表面湿润，内模顶板及肋极采用喷雾机喷雾养生，外模和底模延迟拆模时间。可减少混凝土表面的热扩散，降低混凝土表层的温差，防止产生表面裂缝。由于散热时间延长，混凝土强度和松驰作用得到充分发挥，使混凝土总温差产生的拉力小于混凝土的抗拉强度。适当的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生收缩裂缝，同时可使水泥水化充分，提高混凝土的抗拉强度。