公路和桥梁混凝土的施工温度和裂缝防治措施

张宝泉

（邢台路桥建设集团有限公司，河北邢台 054001）

1 引言

公路和桥梁是目前使用最为广泛的基础建设工程，其施工重要材料——混凝土的安全耐用性对于施工单位和施工人员至关重要。混凝土具有良好的稳定性和刚度，但其结构在温度的影响下容易产生裂缝。假如施工温度不能得到有效控制，则公路和桥梁将会出现裂缝，影响公路和桥梁的安全使用[1]。研究对公路和桥梁混凝土结构温度应力的产生过程和混凝土裂缝的产生机理进行深入分析，并在此基础上给出了混凝土裂缝的防治措施，旨在提升混凝土的施工质量，使其满足行业基本要求。

2 温度应力的产生和混凝土裂缝机理

2.1 温度应力产生过程

公路和桥梁混凝土的温度应力形成过程在混凝土浇筑工序开始到放热结束阶段，可分为早、中、晚3 个阶段。

早期阶段，混凝土内部的温度逐渐提升，当内部热量的降低程度处于稳定水平时，即内部热量不再急剧增加时，混凝土内部会出现应力，这是由于混凝土弹性模量改变而产生的参量。应力产生后，混凝土的强度会随之发生正向变化，即混凝土内部结构的应力不断增加，则混凝土的强度逐渐提升。在这种情况下，混凝土内部热量的释放速度会逐渐减慢，混凝土的强度将稳定在一定数值不会再发生变动[2]。

中期阶段，混凝土内部热量有所降低，此时弹性模量的变化程度将进一步降低，并且外界环境和内部结构的温度将保持不变。

后期阶段，外界环境和内部结构的温度差为0，此时热量不再从内部结构释放到外界环境。假如外界环境温度出现大幅度的降低或者提升，则混凝土的整体温度将会出现相应的降低或提升，新的温度应力会随之形成。此时混凝土内部温度应力会达到最大数值，表现为早期温度应力和晚期温度应力。图1 是不同类型混凝土的温度在不同浇筑时间段的曲线变化。矿渣硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的整体温度应力曲线变化趋势一致，但由于前种类型的水泥强度更高，水泥水热化值在相同时间点更高，因此，前者的最大温度应力值更高。

图1 不同类型混凝土的温度在不同浇筑时间段的曲线变化

2.2 混凝土裂缝形成机理

混凝土裂缝形成原因可归结为以下两点：前期工作准备不到位、混凝土的水化热反应、外界温度的影响。在前期准备工作中，混凝土施工质量的主要影响因素为配合比。在前期施工准备阶段，若施工单位没有严格遵循国家对混凝土配合比的相关要求和行业标准，使得混凝土中水或者水泥的掺量不满足要求，使混凝土的强度及重度不符合要求，会导致后期应用过程中出现缝隙、坍陷、膨胀等问题。更为严重的情况是，水泥的含量失去平衡将会出现表面离析，混凝土结构会由于水泥含量的缺失导致结构强度不足，进而表面会出现裂缝[3]。

另外，若外加剂添加不合理，会导致混凝土发生徐变，从而引发裂缝。外加剂的应用目的是提升混凝土结构的各项性能，但不同类型和不同用量的外加剂的使用过程中，混凝土结构也可能会出现裂缝。因此，外加剂类型的选择和用量必须合理。

在混凝土的硬化过程中，水和水泥发生反应产生水化热，导致结构内部的温度在短时间内迅速提升。同时，混凝土构造的路面防护体系较厚，导致水化热的散发难度增加，进而造成了公路和桥梁的混凝土结构内外温差过大。混凝土表面会产生较大的拉应力，当该值超过混凝土结构的极限承载力时，结构表面将出现范围较大的裂缝。

在混凝土结构的养护阶段，施工单位需要对混凝土结构进行降温处理，主要是考虑外界环境的突然变化会造成混凝土内外部产生较大的温差。如果遇到骤冷天气，混凝土内部的温度在短时间内无法快速下降，混凝土表面将会形成很大的拉应力，使结构表面形成裂缝，如图2 所示。

图2 混凝土裂缝

3 公路和桥梁混凝土的裂缝防治措施

3.1 优化混凝土配合比，选取合适的原材料

公路和桥梁混凝土因施工温度导致的裂缝较为常见，但施工人员和施工单位可通过有效的治理和预防手段进行干预，能在很大程度上降低裂缝产生的概率，同时，也能减少由于裂缝的产生造成的经济损失。因此，施工相关负责人应从施工前准备、正式施工、施工后期3 个阶段制定相关的混凝土温度控制和裂缝防治措施。施工责任人在施工准备阶段应对混凝土原材料进行分析，最重要的是选择合理的水泥材料。选择过程遵循以下原则：首先选择低水化热水泥，如矿渣水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥；其次，经多次测试和试验确定混凝土的配合比。依据不同水泥的特性，本文选择粉煤灰硅酸盐水泥进行探讨，材料选择过程为如下。

其一，由于粉煤灰的主要成分为MgO、CaO、Al2O3、SiO2等，高温环境下这些成分有较高的反应活性，因此，确定MgO、CaO、Al2O3三种原材料的含量约为70%。

其二，粉煤灰颗粒的最大粒径不超过45 um，玻璃微珠的粒径取值范围为10～30 um。

其三，如果需要配制的混凝土强度为高强度混凝土，则粉煤灰需选择超细粉；反之，粉煤灰需选择较细粉。

其四，若玻璃微珠由密实的玻璃体组成，则在配置过程中的掺水量较少；反之，若玻璃微珠由疏松的玻璃体组成，则配置过程中的掺水量较多。因此，粉煤灰的内部结构决定了混凝土配制过程中的需水量。

确定粉煤灰的组成后，进行配合比设计试验。并通过评估指标对试验数据进行对比。施工单位需在粉煤灰中加入减水剂，确保混凝土的和易性。

为了评估不同配合比的效果，设计减水剂、粉煤灰、水泥等材料的相容性试验。相容性实验可评估材料的各个组成部分是否可实现物理相容。试验效果通过流淌时间、坍落度、泌水性、扩展度四大相容性评估指标进行分析，测试过程参考相关行业的操作流程。为了保证试验结果的准确性，试验由同一个人测试3 次取平均数值。正常温湿度以及没有外界干扰的情况下，减水剂、粉煤灰、水泥各种材料不会出现分层现象，各个材料间具有良好的相容性需满足以下标准：流淌时间在8～30 s，扩展度最小值为470 mm，坍落度为20～180 mm，泌水性低于40%。如果粉煤灰的压力泌水率低于40%，则可证明不会出现材料之间分层的现象。

3.2 合理控制施工阶段的温度

混凝土裂缝的产生大多数发生在混凝土施工阶段，假如在该阶段将温度控制在合理范围，则对于因温度差的产生的裂缝防治效果更加明显。若在炎热季节施工，需要在混凝土浇筑过程中对浇筑厚度进行控制，便于将混凝土结构内部的水化热在短时间内传递到外界，减小结构内外部温差，混凝土浇筑最佳方案的选择可依赖于混凝土温度的检测。同时，需将外界环境和混凝土内部温度控制在约25 ℃，最大不能超过30 ℃。水泥、砂石、搅拌水的温度需控制在25～30 ℃。正式施工前期，混凝土原材料需通过降温措施保证温度符合施工标准。混凝土搅拌站用到的设备需避免阳光直射，同时需视季节变化对设备进行加热或冷却。搅拌过程的时间应尽量短，这不仅能减少摩擦产热，同时还能使其符合行业要求。

浇筑前期应预先在模板内设置冷凝管和温度监控装置，冷凝水管需和主筋交叉排列，同时需绑在竖向钢筋管或钢架上，并保证浇筑的混凝土能够覆盖每一层循环冷却水管，然后接通水管并向模内注水，使模内混凝土温度快速下降。浇筑完成后，可通过温度监控装置实时监控模内混凝土的温度，一旦温度差值超过标准温差范围，可及时注水冷却。另外，工作人员还要记录冷却水管进出口的水温。

3.3 合理控制养护阶段的温度

混凝土养护能很大程度上防止出现施工裂缝，对于公路和桥梁工程项目质量的提升至关重要。在公路和桥梁工程项目阶段，养护关键点为防止混凝土表面的水分流失，特别是在混凝土固化过程中。混凝土水分养护包括化学养护和物理养护两种方式，即喷膜养护和覆盖养护。喷膜养护作为一种利用化学试剂的养护方式，通常是在拆模后在混凝土表面均匀喷洒化学养护剂，此时化学养护剂可在混凝土表面形成一个致密的薄膜层。该薄膜层能杜绝混凝土内部水分散失，确保混凝土的湿度保持在合理数值内。但该方法的投入成本较高，目前仅适用于塔柱、桥梁高墩、挂篮旋浇梁结构。覆盖养护是在混凝土上方搭建保温棚以降低外界温度和混凝土结构内部温度的差值，或者覆盖塑料薄膜、岩棉、麻袋等保温材料。

除此之外，混凝土养护阶段也可通过冷却管对内部温度进行合理控制，冷却管可通过真空压浆和注浆方式进行处理，以提升混凝土工程的整体强度，冷却管需注意水的流速和温度。另外，需注重混凝土的最佳养护时间，经多名研究学者的实验证实，混凝土养护的最佳时间为浇筑完成后15 d 内。

4 结语

本文对公路和桥梁混凝土的施工温度及产生裂缝机理进行分析，并在此基础上提出了裂缝防治措施。施工单位在制定裂缝防治措施时需针对施工前准备、正式施工、施工后期3 个阶段进行考虑。施工前需优化混凝土配合比，选取合适的原材料；正式施工阶段需采取冷凝管、测温管等措施对温度进行控制；施工后期阶段需选取合适的养护方法对内部温度进行实时监控。研究结果可为混凝土裂缝的防治提供建议，进而提升公路和桥梁工程混凝土结构的质量。