特殊环境对现浇混凝土的影响及相应的质量控制措施

张文学

摘要： 本文根据施工中存在的问题，从哈罗铁路S2标长白山特大桥18#墩身裂缝入手，探讨特殊自然环境对结构物混凝土质量的影响，指出如何在高温，干旱，大风频率高，温差大等特殊自然环境下提高现浇混凝土的质量及控制措施。

Abstract： According to the problems existing in the construction， starting from 18# cracks of the Hami - Lop Nor Railway S2 section Changbai Mountain super majors bridge， this paper explores the impact of special natural environment on the quality of concrete structures. It is pointed out that how to improve the quality control measures of cast-in-place concrete under the special natural environment， such as high temperature， drought， high frequency of wind and large temperature difference.

关键词： 质量；裂缝；特殊环境；控制措施

Key words： quality；crack；special environment；control measures

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0134-04

1 工程概况

1.1 工程简介

新建铁路哈罗线长白山特大桥位于长白山区库鲁塔格剥蚀低山丘陵区冲、洪积沟口，地势起伏，属丘陵地形。桥址处沟槽宽浅、明显，呈“U”字型，水流紊乱，冲刷明显，流域长度约7km，河槽平均坡度2‰，地势较平坦。基础采用明挖满灌基础，2个桥台采用“T”型桥台，20个桥墩采用圆端型桥墩，墩身坡度比42：1，墩顶尺寸为2.1m×3.8m，墩底尺寸随墩身高度而定，本桥最高墩柱15m，最低墩柱5.5m，桥墩采用整体钢模板一次立模浇筑成型，内拉外撑加固。桥台采用定型钢模施工。沿线风蚀现象较为明显。地表基本无植被，呈现“岩漠”景观，交通困难。工程处在高温干旱、温差大、大风频率高的戈壁滩环境中，水分极易散失，如何在此特殊自然环境下满足混凝土结构的耐久性要求，保证混凝土的质量是本工程的重难点。

1.2 施工与监测

长白山特大桥18#墩柱墩高（包括托盘）13.4m，分两次浇筑，第一浇筑浇筑从2010年7月18日0：10至12：00浇筑到托盘底，2010年7月23日18：00-23：00第二次浇筑，浇筑到垫石底。第一次浇筑93.5方，共用时12小时，吊车吊料斗浇筑较慢，运距较远，对混凝土的和易性有一定的影响。第一次浇筑时夜间温度24度，白天温度38度，从气温上分析，气温偏高，混凝土从初凝到强度发展过程中外界温度始终很高，短时间内水化热不能得以释放，造成墩身表皮开裂。经过时间的推移，墩身内外平衡，当地氣候干燥，风沙厉害，混凝土收缩徐变，墩身裂纹处出现微小起皮现象。在墩身2m～3m处出现不规则裂纹，宽0.2mm，长10cm～60cm。从施工工艺及混凝土上分析，混凝土从拌制到运至现场，由试验室人员和监理层层把关，没有大点疑点。

综上所述，气候干燥和气温高、大风是混凝土开裂的主要原因，加之浇筑时间过长，施工人员和技术人员对混凝土的浇筑时机把握不是很准确，造成混凝土表面局部开裂。

混凝土裂缝是桥梁内在质量的外在表现。由此，分析总结特殊环境对混凝土质量的影响及如何在特殊环境下提高混凝土的质量就变得尤为重要了。

2 特殊环境对混凝土质量的影响

混凝土是当前时期在建筑施工中比不可少的一种材料，其价格比较低廉，可以浇筑成各种各样的形状，并且在抗压强与耐火性等方面都非常好，在建筑中应用时，具有很好的耐火性等多个方面的优点。同时也具有明显的缺点，比如抗拉能力差，容易开裂。查阅文献资料易知，混凝土结构产生裂缝的原因是由于其内部因素的变化，使其增大变形，裂缝的产生也使得这一部分的拉应力大大地降低。混凝土结构上出现可见裂缝几乎是一种不可避免的现象。通过裂缝减少变形能是混凝土材料的固有特性。混凝土的开裂原因复杂而繁多。其中恶劣的气候也能造成混凝土的裂缝，比如大风、干旱、剧烈的温差。大风、干旱使混凝土急剧失水，表面产生干缩裂缝。由于温差比较大的原因会使得混凝土的表面的拉应力产生并逐渐增大，在超过一定范围之后，裂缝也就产生了。由于混凝土的各向异性的特性，在同样的条件下，表现出随机性，混凝土出现的裂缝没有特定的规律，同时混凝土产生的裂缝也因气候影响严重程度表现得或轻或重。下面从特殊自然环境对混凝土的影响，来对混凝土桥梁产生裂缝的原因进行分析，并探讨对其进行控制的措施。

2.1 收缩引起的裂缝

在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的，而在大风、干旱缺水的戈壁环境中混凝土收缩就表现得更加突出。从混凝土收缩的种类来看，导致混凝土的体积发生变化的主要原因是塑性收缩和缩水收缩，此外，还有自生与炭化收缩也会对混凝土的形变产生一定影响。

塑性收缩。这一收缩产生在进行施工时，时间点大约在浇筑之后的4.5小时左右。这时候，水泥发生非常激烈的水化反应，使得泌水和水分蒸发得非常迅速，混凝土由于失水开始出现收缩，这时骨料受到重力的作用而发生下垂，混凝土本身也并没有完全硬化，这种方式称为塑性收缩。在骨料下垂时，由于钢筋的作用，会对其产生一定的阻挡，也会沿着钢筋的方向产生裂缝。为了尽可能地减少混凝土出现塑性收缩的可能性，需要对其水灰比进行严格控制，防止长时间进行搅拌，并控制好下料的速度，振捣时还应注意一定要密实，并分层进行浇筑。

缩水收缩（干缩）。浇筑的混凝土在结硬之后，由于表层水分的散失，其湿度逐渐地下降，混凝土的体积也大幅减小，这种收缩方式即为缩水收缩。产生这种现象的根本原因是内外部的水分散失的速度存在差异，使得收缩的过程不均匀。混凝土表面的收缩变形受到混凝土内部比较大的约束，使得混凝土表面的承受拉力比较大，在这种拉力超过一定值时，就会出现裂缝。对于配筋率超过3%的大构件来说，钢筋对于产生的混凝土的约束比较大，在其表面也会产生一些裂纹。

自生收缩。这种收缩主要发生在混凝土的硬化过程中，水泥和水会产生水化反应，这种收缩与外界湿度也并无关系，可以收缩，也可以膨胀。

炭化收缩。空气中的水与二氧化碳以及水泥之间也会产生化学反应，进而发生收缩。发生这种收缩要在湿度只有50%左右才能出现收缩的现象，并且受二氧化碳浓度的影响，二者呈正比关系。

混凝土收缩裂缝的特点是由于其表面出现裂缝，并且其宽度也比较细，还呈现出交错的特征，有些还表现为龟裂状，在形状方面，并没有固定的规律。

以往的研究证明，对混凝土收缩裂缝产生影响的因素包括：

①水泥品种、标号及用量。混凝土的收缩性与水泥的品种关系比较大，一般来说矿渣水泥等收缩性比较大，而普通水泥和矾土水泥等收缩性比较小。另外也与水泥标号以及用量有关。通常来说，标号越低，会使得单位体积的用量变大，这会使得混凝土的收缩时间变长，并且收缩的裂缝也更大。

②骨料品种。在骨料中，含有石英和白云岩、花岗岩以及长石等，这些物质的吸水性比较差小，并且收缩性也不好；但是砂岩和板岩等的吸水性能比较高，而且收缩性也比较高。最重要的是其骨料粒径比较大，这也使得其收缩比较小。

③水灰比。与用水量有直接关系，水灰比随着用水量的增加而越大，混凝土的收缩也就越来越大。

④外掺剂。保水性越好，混凝土收缩也就越小。

⑤养护方法。正确的养护方法能够促进混凝土发生水化反應，混凝土的强度也会增加。在养护时，要注意对湿度与气温和养护时间的控制。

⑥外界环境。空气中的诸多元素，包括湿度和温度以及风速等都会混凝土的收缩性产生比较大的影响。

⑦振捣方式及时间。采用机械的方式进行振捣，相对于采用手工方式来说，机械振捣后混凝土收缩性更小。实际施工中需要根据机械性能来控制振捣时间。一般来说时间越短，振捣的效果越不好，混凝土的强度也无法达到技术指标；振捣时间过长，则可能导致混凝土离析，细骨料浮于粗骨料之上，混合料不均匀，最终将造成浇筑成形的混凝土构件因骨料分布不均匀而开裂。

2.2 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩的特质。在结构内部温度或外部环境温度产生较大温差时，混凝土会变形，如果变形受到约束，其内部结构会出现应力，如果应力大于混凝土自身的抗拉强度，混凝土构件就会出现裂缝。在个别大跨径桥梁中，温度应力往往能达到或超过活载应力。温度裂缝会随着温度的变化而合拢或扩张，这是该裂缝与其它类型的裂缝最大的区别。在水泥发生水化热作用后，浇筑成形的混凝土构建通常是先升温，后降温，最后温度才趋于稳定。在温度升高的阶段，水泥水化作用产生大量水化热积聚在结构内部无法快速散发，内外温差使混凝土内部产生压应力，外部产生拉应力，若大于相应龄期的容许拉应力，混凝土结构就有开裂的可能性；在降温时期，新浇混凝土受内部钢筋、封底混凝土及桩头约束，弹性模量降低无法自由收缩，如果降温梯度过大，就会出现较大的拉应力，进而导致混凝土开裂。鉴于此，施工队应该控制好温度梯度，避免温度大幅度降低而造成结构开裂。

大体积混凝土的施工必须从原材料、混凝土的配合比开始控制。实践证明采用矿物质超细粉等量代换一定量的水泥并掺加一定量的高效缓凝减水剂，可以明显起到降低水化热和延迟温度峰值出现时间的作用，但并不影响混凝土的强度及和易性。

根据工程具体情况，适当使用外掺料有非常好的效果。

①粉煤灰：粉煤灰不仅可以改善混凝土的工作性能，还可以提高混凝土的耐久性。粉煤灰可以降低混凝土水化热，降低混凝土出现拉应力的起始点温度，减少混凝土降至环境温度的温差，防止温度裂缝的产生。粉煤灰的掺量一般为水泥用量的15%左右。

②钢纤维：钢纤维能有效抑制干缩的发展。在混凝土中加入体积掺量为1.2%～2.0%的钢纤维，可以在混凝土中形成乱向分布的三维网状结构，从而抑制混凝土的干缩。实验表明，在混凝土脆性材料中加入1.5%的冷板切削钢纤维，其抗折强度可以提高30%，混凝土的弯曲韧性指数可以提高22倍，混凝土抗折疲劳性能也可以大幅度提高，能有效防止重复荷载作用产生裂缝。

③外加剂：适当的膨胀剂和引气剂对于提高混凝土抗干缩和抗折强度有十分明显的作用，根据有关文献可知当在混凝土中引入2%～5%的含气量，抗折强度可提高10%～15%，抗折弹性模量略有降低，研究表明，掺加8%的微膨胀剂，可使混凝土150d干缩率由65×10-6变为52×10-6。

针对以上影响因素和现实施工环境，制定主要质量控制措施。

3 主要质量控制措施

3.1 后勤保障

项目部负责全线所有参建单位粮油、蔬菜、肉食的供应及劳保用品保障。保障物资、物品由生活保障部集中采购分发，并建立严格的领发制度。

本项目无水源，生活施工用水困难，用水分别从南湖煤矿和国投罗钾公司处取水。每个工区配备水车1台，用于供应生活用水，另外租用1～3台水车，用于供应施工用水；每个工区修建储水池一座，购买储水罐一个。桥涵施工时修建储水池。用水的原则必须是“先生活后生产”。

工程前期用发电机发电，每个工区配备发电机3台（200kW、100kW、50kW各一台），各工区的小桥涵施工队伍自备15kW～20kW的发电机。全线不设低压贯通电力线路，只在每个变压器两侧800m范围内架设电力线路。变压器选择315kVA变压器，设置地点选在工区驻地、车站。

3.2 过程控制

因基础、墩身截面尺寸较大，有可能导致混凝土内部温度较高，而产生温度裂缝。主要从混凝土养护、原材料质量控制、配合比选取（推迟温度峰值出现的时间，提高相应龄期抗压强度）、混凝土施工等方面来控制混凝土质量，以避免或减少温度裂缝的产生。

①尽量降低混凝土受约束作用，在浇注混凝土完成后对表面进行压光处理。

②水泥的选用，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，并掺入适量粉煤灰。

③掺入外加剂，使用高效缓凝减水剂，严格控制掺量：每盘拌合用量按配合比提前称量好，搅拌时投入料斗搅拌均匀，保证减水剂的缓凝时间，液体缓凝剂在拌和站一定要搅拌均匀，确保缓凝剂加入量一致。严格控制混凝土搅拌时间：搅拌时间较以前适当延长，保证混凝土拌合均匀，外加剂能够完全反应，搅拌时间须保证120秒。

④粗细骨料级配控制，增大机制砂的细度模数，减少砂率：选用2.9～3.0，砂率降低为40%；采用合理的混合级配粗骨料：5～20mm细骨料占50%，20～31.5mm骨料占50%。尽可能减少用水量和水泥用量，施工中严格控制粗细骨料的含泥量，提高混凝土的均匀性，增加抗裂能力。

⑤混凝土有序施工确保混凝土均匀密实：混凝土坍落度各车不要有大的差异，浇筑基础时坍落度可控制在140～180mm，坍落度大时会使表面钢筋下部产生水分，或表层钢筋上部的混凝土产生细小裂缝。为防止这种裂缝，在混凝土初凝前和混凝土预沉后采取二次抹面压实措施。混凝土浇灌时，搅拌车在卸料前，要求高速运转一分钟，确保进入料斗的混凝土质量均匀。浇筑合理分段，分薄层进行，使混凝土高度均匀上升，混凝土浇筑应连续进行，间歇时间不能过长，在前层混凝土初凝前必须把后层混凝土浇上。浇筑应在室外气温较低时进行，混凝土浇筑气温不宜超过28℃，在炎热的气候条件下应采取降温措施。

高温气候下，混凝土在施工中易造成坍落度损失较大、初凝时间缩短，为避免此类现象的发生，在夏季高温气候条件下采取以下施工方法和技术措施，以保证混凝土的施工质量。

①加强施工组织措施：在施工现场和拌和站之间配备无线通讯联络和生产调度指挥系统，准备好各种施工机械的易损配件。对施工中出现的各种问题做到反应快速、判断迅速、调度准确、恢复及时。

②选择合理的浇筑时间，建立专门网络气象站，可以了解每天、周、旬的气象资料，混凝土施工避开每日高温时间，选在日气温较低时段浇注。

③设置防晒网维护，高温时间避免阳光直射引起温差梯度过大造成混凝土开裂。

④在气温较高时，为防止太阳的直接照射，施工中对砂石料用遮阳棚覆盖。

⑤混凝土灌注宜在早晚温度较低时进行，现场对混凝土入模温度进行监控降低入模温度。降低入模温度是控制峰值的最有效措施。

⑥混凝土浇筑中及浇筑后的温度测量成立专门小组负责温度的采集、分析、处理，根据分析结果，总结温度控制经验，以便指导下一步施工。

⑦建立夜间值班制度，做好周密的组织和技术交底，配备足够的物资，确保夜间施工顺利进行。

⑧严格隐蔽工程检查签证制度，夜间必须进行隐蔽工程施工时，应按规定提前通知监理工程师到现场检查，并办理签证手续，未经监理工程师检查签证，禁止进行下一道工序施工。

⑨安装足够的照明设备，保证夜间施工有良好的照明条件。

本桥位于戈壁丘陵地区，丘陵高度平均，地势开阔，春季多大风。为了应对恶劣天气，指挥部在加强现场人员抗风培训的同时，现场采取积极的抗风措施：①与气象局签订气象合同，在大风来临之前做好抗风准备；②现场钢筋加工棚，驻地，砂石料遮阳棚均采用抗风设计，增设抗风缆绳，设置抗风墙；③现场钢筋骨架绑扎，墩台模板安装，拆卸，混凝土浇注尽量避开大风天气；④对刚浇注完毕的混凝土构件覆盖保水养护，混凝土体表面不允许被风直接影响。

3.3 制定专项养护方案

在尽量减小混凝土内部温升的前提下，大体积混凝土的养护是一项关键工作，必须切实做好。养护主要是保持适宜的温度和湿度条件，保温的目的有两个，一是减小混凝土表面的热扩散，减小混凝土表面的温度梯度，防止产生表面裂缝；二是延长散热时间，充分发挥混凝土强度的潜力和材料松驰特性，使平均总温差对混凝土产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，防止产生贯穿性裂缝。潮湿养护的作用：一是刚浇筑不久的混凝土，尚处在凝固硬化阶段，水化的速度较快，适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生干缩裂缝；二是保温保湿利于早期强度的增长，还可减少混凝土的早期相对收缩量。

根据工程现场实际情况制定专项结构物混凝土养护方法：混凝土浇筑完毕后，立即用土工布遮盖，混凝土初凝后用土工布覆盖和洒水养护，洒水次数应能保持混凝土有足够的润湿状态，养护时间一般不少于7天。

3.3.1 基础混凝土的养护

基础浇筑完毕，立即用土工布遮盖，待混凝土初凝后，顶部用一层土工布覆盖，并洒水保湿，再覆盖一层塑料布，防止水分快速蒸发。由于本标段部分桥涵处于特殊地质段，基础洒水时，注意洒水量，严禁在基础基坑中积水，使基坑浸泡，以免对结构物产生不利影响。高温时期，混凝土养护要提高洒水频率，安排专人洒水。

3.3.2 墩柱混凝土的养护

为降低混凝土内外温差，严格控制混凝土拆模时间，加强混凝土养护措施。浇筑完毕，立即用土工布遮盖，待混凝土初凝后，顶部用一层土工布覆盖，并洒水保湿，再覆盖一层塑料布，防止水分快速蒸发。具体拆模时间根据同养试块强度情况而定，模板拆除时间选择在每日气温较低的时段。拆模后混凝土采用两种养护方法。

①采用桶状塑料布包裹，（如桶状塑料布直径不够粗，用带状塑料布拼接，胶带粘好，保持良好密闭性），内部设横撑，桶塑料布内注水，上口、下口扎死，墩身塑料布用绳子缠紧，防止大风吹落，托盘、顶帽用土工布覆盖洒水养护。为了保证养护措施达到良好效果，必须保证塑料布无破损、不透气，保证水分不流失，从而达到保湿的目的，同时从墩顶部洒水，使其沿墩身自流而下，保持墩身表面的湿度。夏季高温期，混凝土养护要增加洒水频次，安排专人洒水，洒水亦不能过多，严禁在基础基坑中积水。大风天气，对土工布、塑料布进行加固，防止大风吹落，或吹散，吹走污染环境。同时注意养护人员个人安全。

②喷涂养护液。在墩柱周围搭设防晒网，人工均匀向混凝土表面喷洒养护液，次数据具体情况而定，一般喷洒3～4遍。

实践证明，第一种方案操作工序多，但适宜现有条件下的夏季高温养护，养护效果良好。第二种方案操作简洁方便，高温养护效果不如第一方案，但亦能满足施工要求。在温度相对较低时选用第二方案更经济适用。

4 结束语

影响混凝土质量的因素是多种多样的，本文通过对长白山特大桥18#墩身裂纹分析，探讨得出特殊自然环境下，收缩及温度应力差是混凝土产生裂纹的主要影响因素之一。对如何有效控制特殊环境下混凝土的质量，减小环境影响总结以下几点：

①完善后勤保障制度，保证水、电、物资的充足供应，确保机械、人员安全高效运转。

②根据有关技术规定设计配合比。选择合理的水泥标号，采取在混凝土拌合物中掺加混合材料或减水剂等技术措施，以改善混凝土拌合物的和易性。

③制定行之有效的技术管理办法贯彻落实，把好施工过程关，从搅拌、运输、振捣、养护四个环节提高混凝土的施工质量。

④在高温干旱、大风、水分极易散失的戈壁滩环境中，混凝土的养护是一个重难点。制定专项的养护方案可以有效的控制和减小特殊环境对混凝土的影响。

参考文献：

[1]TB10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范[S].中国铁道出版社.

[2]TZ 210—2005，鐵路混凝土工程施工技术指南[S].中国铁道出版社.

[3]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑出版社，1997.