箱梁结构混凝土裂缝的成因分析及防治措施

·20· Beton Chinese Edition——Ready-mixed Concrete 2008年第4期

商品混凝土

0　前言

混凝土是一种非均质的土木工程材料，由粗细骨料、硬化水泥浆、孔隙及存留其中的水组成，在荷载、温度、湿度变化的情况下，各组分产生不一致的变形，并在各组分之间产生内应力，影响混凝土的自身性能。混凝土桥梁出现裂缝从而影响工程质量的情况屡见不鲜。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识，尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本文结合某立交桥工程实例，对混凝土桥梁裂缝的种类和产生的原因作较为全面的分析，以方便在设计、施工中提出控制裂缝的可行措施，防患于未然。

1　工程概况

某立交桥桥梁全长750m，设计为8联，总宽25.5m，分左右两幅，双向六车道。上部结构采用等截面现浇钢筋混凝土连续箱梁（第1、2、4、5、6、8联）和等截面现浇预应力混凝土连续箱梁（第3、7联）。下部结构采用薄壁花瓶形桥墩、独柱式桥墩和薄壁式桥台，桩基础。右幅第一联为现浇钢筋混凝土连续箱梁，高1.5m,腹板厚0.5m，顶板厚度0.25m，底板厚度0.2m，箱梁施工采用满堂支架浇筑施工，支架基底为原混凝土路面，地基承载力良好。箱梁采用C40商品混凝土，混凝土坍落度为140～150mm,浇筑方量近700m3,环境温度为6～14℃，间断洒水养护一周左右。

施工完成后不久，该立交桥箱梁混凝土出现多条裂缝，现场对裂缝的成因初步分析为收缩裂缝，混凝土收缩裂缝成因较复杂，可能来自结构设计、施工和混凝土材料三个方面。下面着重从混凝土原材料优选、配合比设计以及混凝土制备和施工控制等方面出发，对裂缝产生原因进行详细分析。2　原材料和混凝土配合比

2.1　原材料

（1）水泥　采用芜湖长白山水泥厂“海螺”牌P.O42.5，水泥的物理性能指标见表1。

表1　水泥物理性能指标

试验项目试验结果

细度（%）0.6

初凝时间（h:min）2:15

终凝时间（h:min）3:40

抗压强度（MPa）

3d31.1

28d52.8

安定性（%）合格

（2）矿渣微粉　选用安徽朱家桥水泥有限公司S95 磨细矿渣粉，性能指标见表2。

表2　矿渣微粉性能指标

密度

（g/cm3）

活性指数（%）流动度比

（%）

SO

3

（%）

比表面积

(kg/m3)

7d28d

2.8876971010.26 530

（3） 骨料　细骨料选用长江II区中砂，级配合格；粗骨料采用芜湖白马山5～20mm碎石，其性能指标见表3。

箱梁结构混凝土裂缝的成因分析及防治措施

崔东霞，秦鸿根，朱晓斌，高美蓉

（东南大学江苏省土木工程材料重点实验室，南京 211189 ）

［摘要］　结合某立交桥工程箱梁结构混凝土出现裂缝的情况，从原材料、混凝土配合比设计、以及混凝土制备和施工控制方面，分析论述了混凝土裂缝产生的原因，进而达到防治或者减少混凝土裂缝产生的目的。

［关键词］　箱梁混凝土；裂缝；原材料；配合比；施工控制

The reasons analyzed of cracks in the concrete for box girder structure

Cui Dongxia, Qin Honggen, Zhu Xiaobin, Gao Meirong

(Key Laboratory of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing211189)

Abstract : Combined with cracks condition of the box girder concrete in certain crossroad, the appearance reasons for cracks in the concrete were analyzed from concrete raw materials, mix ratios, preparation and construction technology. The goals for decreasing and preventing cracks were ? nally obtained.

Key words: box girder concrete, crack, raw materials, mix ratios, construction technology

2008年第4期 Beton Chinese Edition——Ready-mixed Concrete ·21·

商品混凝土

表3　混凝土骨料性能

骨料种类试验项目试验结果

细骨料

密度 （g/cm3） 2.71细度模数 2.7含泥量 （%）0.70泥块含量 （%）0.20

粗骨料

密度 （g/cm3） 2.67含泥量 （%）0.50泥块含量 （%）0.20针片状含量 （%） 4.40压碎值 （%） 6.50

（4）外加剂 采用AC-AI高效减水剂（液体），减水率为13.2%；常压泌水率比为54.3%；含气量为1.4%；初凝为-10min；终凝为-20min；收缩率比为109%。

（5）水 选用饮用水，Ca+为78.4mg/L；Cl-为114.6mg/L；SO42-为223.9mg/L；pH值为6.3。

2.2　混凝土配合比

按混凝土实验室配合比进行试拌，结果见表 4，施工配合比选用水胶比0.38，配合比设计见表5。

表4　混凝土初步配合比 kg/m3

组别水泥矿渣

微粉

砂碎石

AC-

AI

水W/B

砂率

（%）

掺合料

（%）

13581006311121 6.881900.4153622 240010061610947.21900.383620 344210*********.841900.353618.5

表5　混凝土基本性能

组别水胶比坍落度

（mm）

表观密度

（kg/m3）

抗压强度（MPa）

7d28d

10.41140240039.049.5

20.38140240042.754.1

30.35135241045.655.4

表6　混凝土施工配合比 kg/m3水泥矿粉砂碎石水AC-AI表观密度40010061610941907.52400

3　裂缝情况及产生原因分析

3.1　箱梁结构混凝土裂缝情况

右幅第一联腹板外侧有86条裂缝，右幅第一联箱内腹板有59条，四跨箱梁左右侧腹板均出现大体对称的裂缝，边跨的裂缝多于中跨的裂缝。绝大多数的裂缝属于竖向裂缝，其形态为中间宽两端窄。裂缝主要分为四种：

（1）腹板竖向裂缝 四跨箱梁左右侧和中腹板均有发现，多出现于跨中附近区域，且以第一跨和第四跨更多，裂缝最宽处达0.6mm。部分延伸到底板和箱梁翼缘板。

（2）腹板斜向裂缝 此类裂缝发现于第一跨距梁端5m左右位置，共3条，最宽的裂缝最宽处达0.4mm。

（3）底板横向裂缝 出现于各跨中附近区域，第一跨和第四跨数量更多，部分为腹板竖向裂缝延伸至底板，至一定长度后消失，最大裂宽为0.2mm；也有部分横向裂缝仅仅分布于底板范围内，长度较短且细密。

（4）翼缘板横向裂缝 此类裂缝多出现于中墩及附近，一般由腹板中上部上延至翼缘板；少量位于跨中附近，从腹板底部一直延伸到翼缘板端部。

由上述箱梁结构混凝土裂缝的分布范围和特征可以看出，裂缝数量和分布区域基本符合四跨连续梁的受力特点。

3.2　裂缝原因分析

引起混凝土裂缝的因素不一，一般可以归纳为两类因素：结构的荷载以及结构的变形变化[1]。据调查表明，工程中结构物的裂缝原因，属于由变形（如温度、收缩、不均匀沉陷等）引起的约占80%；属于由荷载引起的约占20%。混凝土因收缩所引起的裂缝是比较常见的，塑性收缩和失水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，混凝土快速干燥，内部水分的蒸发速率大于其泌水速率，在固体颗粒面与水面间产生毛细管张力，混凝土自身收缩所产生的拉应力大于混凝土本身的抗拉强度，于是裂缝出现。因此通过分析研究混凝土的应力以及混凝土材料本身的特性，来达到控制混凝土裂缝的目的，具有积极的意义。

3.2.1　混凝土的配合比设计法则[3]

高耐久性混凝土首要条件是抗裂性好和体积稳定性好。其特点是低渗透性（包括水密性和抗化学侵蚀性）、无龟裂，内部结构的自愈性和长期强度缓慢持续发展。抗裂性好的高性能混凝土配合比设计应综合采用如下法则：

（1）低用水量法则

系指在满足工作性条件下尽量减少用水量。混凝土高拌合水量的后果是，抗压和抗折强度降低、吸水率和渗透性增大、水密性降低、干缩裂缝出现的几率加大、骨料与水泥石界面粘结力及钢筋与混凝土之间的握裹力减小、混凝土干湿体积变化率加大和抗风化能力降低。为解决这个问题，要求混凝土用水量不大于165kg/m3。

（2）低水泥用量法则

系指满足混凝土工作性和强度前提下尽量减小水泥用量，这是提高混凝土体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。水泥的水化过程表明，水泥和水的正效应是作为混凝土的活性组分，是粘结混凝土中砂石骨料并形成整体强度的胶凝材料，但同时也是混凝土耐久性的主要劣化因子：氢氧化钙为不稳定相，易溶于水析出，其含量过多对耐久性不利。同时过高的水泥浆量会产生大的水化热、高的坍落度损失，增大塑性收缩裂缝出现的几率，导致混凝土弹性模量降低，干燥收缩率和徐变值增大。因此，对中、高强混凝土提高水泥用量并不能改善混凝土性能。

（3）最大堆积密度法则

系指优化混凝土中骨料的级配设计，获取最大堆积密度和最小空隙率，以便尽可能减少水泥浆的用量，来达到降低含砂率，减少用水量和水泥用量之目的[1]。

（4）水灰比适当法则

在一定范围内混凝土抗压强度与其拌合物的灰水比成正比，减小W/C，混凝土抗压强度和体积稳定性提高。但为保证混凝土的抗裂性能，水灰比应适当，不宜过小，过小的W/C易导

致混凝土自生收缩率增大。

（5）活性掺合料与高效减水剂双掺法则

高性能的配制必须发挥活性掺合料与高效减水剂的超叠加效应，从而达到减少水泥用量和用水量、密实混凝土内部结构，使混凝土强度持续稳定地发展，耐久性得以改善的目的。3.2.2　混凝土原材料分析

水泥为P.O42.5，水泥细度为0.6%，偏细对抗裂不利，水泥中混合材的品种和掺量不详，使用之前应进行必要的了解。

掺合料采用S95矿渣微粉，矿粉本身较细，比表面积比水泥大，火山灰质混合材料的内比表面积的大小是影响混凝土干缩的主要因素之一[2]，有研究表明矿渣微粉对混凝土收缩开裂有负面影响，且随着掺量的增大抑制作用降低。如水泥中掺有15%以上的矿渣，设计的C40混凝土配合比中再掺入20%的矿渣微粉则不太合适，会导致混凝土的收缩、特别是自收缩的加大，降低了混凝土的抗裂性，而此时采用掺适量I级粉煤灰的技术将对混凝土收缩和抗裂有利。

由表3的骨料性能可见，砂和碎石的性能总体质量尚好，但施工时控制含泥量与泥块含量不够严格。石子采用5～20mm 的连续级配，粒径分布见表6，碎石粒径总体偏小，而且该级配石子主要集中分布在5～16mm范围内，此区间占83.4%，大石子含量少，大于16mm的只有11.6%，不利于抵抗混凝土的收缩和开裂。箱梁宜采用5～31.5mm或5～25mm（在26.5mm筛上有5%的分计筛余）连续级配碎石，石子的表观密度偏小，为2671 kg/m3，而压碎值偏大。

表6　粗骨料的粒径分布

筛孔尺寸（mm）26.519169.5 4.75 2.36筛底分计筛余百分率（%）0 2.6966.717.3 2.2 1.2累计筛余百分率（%）0 2.611.678.395.697.8-

外加剂的性能试验结果表明，掺量为1.5%，减水率较低，只有13.2%，凝结时间提前，无缓凝作用。此种外加剂配制的C40混凝土凝结硬化快、抗裂性较差。

3.2.3　混凝土的配合比分析

对比前述的混凝土的配合比设计法则，分析表4和表6的混凝土配合比，认为设计不够合理，配合比参数对混凝土收缩和开裂不利。

（1）用水量高

C40混凝土配合比设计中，在掺有减水剂的情况下，用水量为190 kg/m3，结果偏大。用水量大，W/C一定时，使得胶凝材料用量增大，水泥浆含量增大，会增加其收缩和开裂。石子粒径小和外加剂减水率低是造成用水量大和水泥用量高的主要原因。

（2）水灰比偏小

根据水泥实际强度计算W/C应为0.47，试配取0.42，矿渣采用超量取代后水胶比为0.38。

（3）水泥与掺合料用量大

试配W/C取0.42，掺矿渣微粉，应等量取代，胶凝材料总量为不大于452kg/m3，而设计中采用超量取代使胶凝材料总量加到500kg/m3，其中矿渣微粉100kg/m3，胶凝材料用量大，水化过程中产生的水化热亦产生内外的温度应力以及本身在水化过程中，混凝土自收缩大，胶凝材料体积收缩易造成压力梯度，促使混凝土开裂。

（4）粗骨料用量偏少

由于水泥浆量太高，使得石子用量相对减少，降低了混凝土抗收缩和开裂的能力，粗骨料用量以达到1150 kg/m3以上为好。

（5）配合比体积计算不准

配合比设计中采用质量法，经核算，理论1m3混凝土体积实际为1200L，体积偏大。实际混凝土表观密度为2350 kg/m3。

综上所述，本文所讨论的C40混凝土，其设计不符合本文所述的混凝土的配合比设计法则，用水量大，胶凝材料用量高，外加剂流动性差、不缓凝，粗骨料粒径偏小且用量偏少，采用过细水泥且单掺矿渣微粉等因素使得混凝土收缩大、抗裂性下降。混凝土28d抗压强度富余系数不高，这与配合比、外加剂品种和石子粒径偏小有关。

3.2.4　混凝土结构施工分析

箱梁混凝土厚度薄、面积大，是比较容易产生裂缝的构件。设计方面未采用预应力混凝土，且对易产生裂缝的大面积混凝土在设计中应有所强调如腹板抗裂钢筋配置等做得不够；施工中未采取相应具体的防裂措施，如精心制备和浇筑施工，以保证混凝土的质量和布料的均匀性。未能加强养护，只在早期间断地洒水养护是不够的。具体分析如下：

（1）混凝土工作性控制得不够好。混凝土坍落度小，试配时只有132mm,所用外加剂无缓凝作用，远距离送到现场再泵送，坍落度损失较大，难以满足泵送要求，有可能还会加大用水量，使混凝土抗收缩开裂的能力降低。

（2）混凝土在搅拌、运输、浇筑的过程中的各环节控制不严格。在施工过程中，混凝土搅拌、运输时间过长，混凝土坍落度损失大，混凝土流动性不够，混凝土浇筑均匀性差，易造成振捣不足，硬化过程中沉降过大，在数小时后，产生塑性收缩裂缝。

（3）混凝土浇筑程序不合理。 箱梁混凝土施工时分两次浇筑，第一次浇筑底板和腹板，第二次浇筑顶板。两次混凝土龄期相差10d以上，后浇混凝土收缩受到先浇混凝土的约束，引起收缩裂缝或浇筑面上的应力差，与其他应力叠加导致与腹板相连处的顶板下缘开裂。

（4）养护不足。对于掺入矿渣微粉的混凝土的施工，更应满足其施工条件以及养护制度，《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》中对于矿渣混凝土的制备与施工有如下的规定：覆盖保湿养护时间不得少于21d，并应避免早期干燥。因此养护方法和养护效果不好使得收缩增大抗裂性降低，特别是在凝结硬化阶段。箱梁混凝土拆模时间太长（20d），箱梁外侧掺100kg/m3矿渣微粉的混凝土得不到充分养护而模板板缝透气水分蒸发产生干燥。养护不良加大了混凝土的收缩与开裂。

（5）此外，还有箱梁自重荷载作用下的受弯和箱梁结构混凝土硬化早期阶段受桥下路面重交通震动类似于受弯作用的影响。

4　结论

（1）部分原材料质量差、配合比设计不合理、施工质量和管理水平低等因素都会导致混凝土开裂。

（2）原材料的选用要有利于降低混凝土收缩、提高混凝土抗裂性。宜采用低C3A、合适细度的高质量的水泥，宜优选收缩

（下转第14页）

试验分析：1～8组，1、2组在低水胶比、低砂率的情况下，氯离子渗透系数较低，随着水胶比和砂率的加大，氯离子的渗透系数逐渐增大；9～11组随着水胶比的变化，渗透系数变化并不大；12～19组随着胶凝材料的增加，试块趋于更加密实，氯离子渗透系数逐渐降低；20～23组随着粉煤灰掺量的增加，混凝土水化后，变得更加密实，从而使氯离子渗透系数逐渐降低，在粉煤灰掺量40%时，氯离子渗透系数最低。2.4　细砂混凝土的碳化试验

表8　碳化试验结果

编号碳化深度(mm)

编号碳化深度(mm)

1 2.0 6 3.0

2 2.0 7 1.0

3 4.0 8 2.0

4 3.0 24 2.05

5.0

25

4.0

试验结果分析：由上表可得28d，1～8组的碳化深度和基准24、25相差并不大。由此可见，用尾矿细砂配制的混凝土对于混凝土的钢筋锈蚀问题影响不大。

3　问题讨论与结论

3.1　问题讨论

3.1.1　砂率的选择

本试验采用细度模数为1.3的尾矿特细砂，会对混凝土的单位体积用水量和强度产生较大影响，砂的细度模数越小，颗粒越细，在相同用量下总表面积越大，用于包裹其表面并填充砂子空隙的浆体越多，单位用水量和胶凝材料用量越大[4]，因此选择较低的砂率就显得至关重要。通过优化骨料级配，使石子的空隙率从43%降低到40%左右，使粗骨料的填充相对密实，在较低砂率下达到工作性要求。在试验中，在砂率为36%时，混凝土和易性良好，强度最高，这样将混凝土中骨料的总表面积降低到比较合理的范围。这是因为砂率的降低使得细骨料总表面积降低，从而浆量降低，在较大坍落度条件下，有效控制了混凝土单位体积用水量。

3.1.2　粉煤灰的作用

特细砂混凝土，砂的空隙和表面积比较大，需要较多的浆体填充和包裹砂。粉煤灰比重小，相对体积较大，大比例粉煤灰的掺加能够明显增加灰浆体积，而且粉煤灰的球形颗粒在混

凝土中相当于滚珠作用[5]

，因此可以改善混凝土和易性。此外粉煤灰的添加，可以发挥火山灰效应和微集料效应，有利于混凝土的长期强度，改善混凝土的孔结构，提高密实度。同时可

以有效减少和抑制收缩[3]

。3.2　结论（1） 对于细度模数1.3的特细尾矿砂，在砂率34%～36%之间，对混凝土的和易性和强度均有利，因此宜在此基础上选择合理的水胶比配制高性能混凝土。（2） 本文胶凝材料在400～520kg/m 3变化时，对混凝土强度影响不大，和易性在480～520kg/m 3时最佳。（3） 从试验结果可知由于粉煤灰的掺入、相对较低的水胶比和采用空隙率较低的石子，使尾矿细砂混凝土具有比较好的密实性, 具有很强的抗氯离子渗透能力。（4）水胶比0.4以下，尾矿细砂混凝土抗碳化性能很好。

参考文献

[1] 黄煜镔，陈剑雄，熊出华．配制特细砂高性能能混凝土的两点经验[J]．建筑技术开发，2001(1):32-34[2] 彭元甲．特细砂混凝土的配制与应用[J].甘肃水利水电技术，1997(2):21-22[3] 宋少民．尾矿人工砂高性能混凝土研究[A].全国高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集[C]，2005,2[4] 吴成刚，韩秦平，李智雄．砂的细度模数与混凝土的强度[J].陕西建筑，2006,4:41-42[5] 王圣尧，强艳丽．粉煤灰特细砂混凝土的应用和实践总结[J].四川水力发电，2005(5)：16-18

［作者简介］　卞立波（1984—），男，北京建筑工程学院研究生［通讯地址］　北京市西城区展览馆路一号北京建筑工程学院土木与交通工程学院（100044）［联系电话］　135********［E-mail］　tianmabian_994@https://www.wendangku.net/doc/5113159927.html,

率比小、减水率大的缓凝型高效减水剂、适当增大粗骨料的粒

径，优化颗粒形状和级配，得到最大堆积密度，掺合料宜采用I

级粉煤灰或与矿渣微粉双掺。

（3）优化混凝土配合比参数，降低混凝土的单位用水量和水

泥用量，增加骨料特别是粗骨料用量。选取最佳的水胶比和砂

率。

（4）采用有抗裂措施的施工技术，严格控制混凝土在搅拌、运输、浇筑过程中的各个环节，特别要加强早期养护，对掺有掺合料的混凝土要延长养护时间。

（5）对易产生裂缝的大面积混凝土在结构设计时应有抗裂措施，采用预应力混凝土或加配结构抗裂钢筋等。

参考文献

[1] 王国忠. 混凝土温度裂缝的成因及防治[J].工业建筑，

2007,37:1197-1199.[2] 陈肇元,崔京浩,朱金铨. 钢筋混凝土裂缝机理与控制措施[J]．工程力学，2006，23(I):86–107.[3] 秦鸿根，孙伟.以耐久性为主的桥用高性能混凝土设计与配制技术[A].高强与高性能混凝土及其应用[C]，北京：建材工业出版社，2004.4：145-153

［作者简介］

　崔东霞（1985—）山西朔州人，硕士研究生，研究方向为高性能混凝土材料［通讯地址］

　南京市江宁区东南大学材料学院（211189）［联系电话］　137******** （上接第22页）