高性能泵送混凝土桥梁墩身裂纹预控分析

　　广珠铁路纵贯珠三角西岸连接广州、佛山、江门、珠海四市，线路全长186.23公里，成为广州交通枢纽的重要组成部分。广珠铁路沿线以桥跨结构为主，桥梁墩身混凝土设计为高性能混凝土等级C30;墩身结构采用双线圆端形实心桥墩，一般墩身高度6.75~11.35m(含托盘、顶帽、垫石高度);墩身圆端型截面平均尺寸为8.6m×2.6m;墩身采用大块组合钢模板，泵送混凝土施工工艺，施工坍落度控制在14～16cm，墩身混凝土连续浇筑成型。

　　前期施工过程部分墩身在拆模保养后期出现裂纹;裂纹一般为单条集中分布在墩中部位，由承台与墩身结合部位向上纵伸呈竖向分布，裂纹宽度平均约0.1mm左右，分布长度约2～3m不等。裂纹的产生给混凝土的耐久性带来对墩身裂纹产生机理、原因进行深入剖析研究制定对策，杜绝墩身裂纹的产生。

　　二、墩身裂纹主要原因分析

　　墩身大体积混凝土由于截面大，水泥水化释放的水化热会产生较大的温度变化，由此形成的温度应力是导致产生裂纹的主要原因，这种裂纹分为两种：

　　第一种，混凝土浇筑初期，水泥水化产生大量水化热，使混凝土的温度很快上升，但由于混凝土表面散热条件较好，热量可向大气中散发，因而温度上升较少;而混凝土内部由于散热条件较差，热量散发少，因而温度上升较多，内部形成温度梯度，形成内约束。由于混凝土内部产生压应力，而面层产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂纹。

　　第二种，混凝土浇筑后数日，水泥水化热基本已释放，混凝土从最高温逐渐降温，降温的结果引起混凝土收缩，再加上由于混凝土中多余水分蒸发、碳化等引起的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束(外约束)，不能自由变形，导致产生温度应力(拉应力)，当该温度应力超过混凝土抗拉强度时，则以约束面开始向上开裂形成温度裂纹。如果该温度应力足够大，严重时可能产生贯穿裂纹，破坏了结构的整体性、耐久性和防水性，影响正常使用。

　　大体积混凝土施工阶段产生的温度裂纹，是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差产生应力和应变;另一方面是结构的外约束和混凝土各质点间的约束(内约束)阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土所能承受的抗拉强度就会产生裂纹。总结大体积混凝土裂纹产生的情况，可知道产生裂纹的主要原因是：水泥水化热;约束条件;外界气温变化;混凝土收缩变形。

　　三、主要预控措施

　　大体积混凝土施工过程由于体积大，水泥水化热高，积聚内部热量不易散发，温度峰值常在45～55℃，而表面散热较快，使内外产生较大温差，受混凝土自约束，内部产生压应力，外部产生拉应力，易使混凝土产生表面温度裂纹(当内外温差产生的附加应力超过混凝土允许应力时，混凝土即发生开裂);在混凝土降温阶段，混凝土逐渐冷却，加上混凝土本身的收缩，当受到外部的约束，亦会产生裂纹，有的甚至贯穿整个截面。按铁路混凝土质量验收补充标准要求墩身大体积混凝土的中心温度与表面温度之间的差值以及混凝土表面温度与室外空气中最低温度之间的差距均应小于15℃。

　　为确保大体积混凝土施工质量可控，首先要提高工程施工人员素质同时加强作业人员的培训，从理论和实做两个方面入手，提高职工对大体积混凝土施工重视程度及认识、提高职工的作业水平。

　　针对本段混凝土墩身裂纹特点制定预控保证措施如下：

　　1、严密施工组织，加强工序衔接;

　　由于承台与墩身施工的差异性，相邻混凝土界面的砼龄期、周边温度条件及标号差异性大;施工必须要减少混凝土相邻界面收缩徐变的差异性;施工承台7天必须保证墩身混凝土的施工。施工过程必须严密施工工序组织，加强墩身与承台间的工序衔接。

　　2、加强混凝土原材料控制;

　　加强对搅拌站原材料的检查和监控，重点对砂石粒径级配、含泥量指标、施工用水以及粉煤灰需水量比进行抽查，杜绝不合格材料的违规使用。重点监控胶凝材料水泥C3A含量、安定性指标、粉煤灰游离氧化钙含量、需水量比重要技术指标。

　　浇筑混凝土前同时落实好混凝土养护所需的物资、设备、试验仪器的配置到位。混凝土用料要遮盖，避免日光曝晒，并用冷却水搅拌混凝土，以降低入仓温度;避免拌合的混凝土早期水化热过高。

　　3、降低混凝土入模温度;

　　灌注前混凝土搅拌站、运输设备、混凝土输送泵及所有作业机具在作业前必须进行一次全面检查，容易损坏和出毛病的部件应有备换品。同时需要了解天气预报情况，如遇天气变化，应有防护措施。

　　控制施工拌合用水水温值小于20C，本工程采用井水作为拌合用水。砂与碎石等原材料采用淋水降温，降低砂与碎石的温度。水泥、粉煤灰提前备足，让其自冷，以降低水泥与粉煤灰的出厂温度。

　　大体积混凝土的浇筑宜在一天中气温最低时进行，即尽可能安排在夜间灌注混凝土。混凝土搅拌要均匀，颜色要一致，出机混凝土坍落度在13～16cm，入模混凝土坍落度在12-14cm范围。前5盘逐盘测试坍落度，以后每5盘检查一次，并作好记录。混凝土搅拌必须充分、均匀，时间控制在90s以上;当出料混凝土温度高于30℃时，采用低温井水对搅拌车进行淋水降温措施。确保混凝土入模温度达标可控。

　　4、确保施工过程工艺控制措施;

　　混凝土开盘前进行墩模测温观测，温度大于30℃必须采取淋水降温措施;由于大体积混凝土内部水化热温升偏高，内表温差和降温速率不易控制，因此在混凝土浇筑时，浇筑层厚度控制在20～25cm。由一名技术人员经常检查前面浇筑的混凝土初凝情况并配合采用二次振捣法，增加混凝土的密实度，提高抗裂能力，在砼初凝前必须浇筑上一层砼，层与层之间不得留冷施工缝。

　　延缓拆模时间，控制混凝土处于降温阶段再拆模，拆模后立即采用包裹保温，以免外部混凝土随气温降低而冷却收缩，使混凝土内外温差相互制约，产生较大的拉应力，使混凝土产生裂缝。

　　5、加强施工过程中的温度监控;

　　对大体积混凝土进行温控计算从理论上掌握大体积混凝土内部温度场和温度应力的发展变化规律。实际施工中将会存在一定的差异，其主要原因是计算所取用的相关参数及计算模型与实际施工状态不可能完全一致，这就需要对施工过程进行监测，并将监测结果随时与理论计算结果进行比较、分析，及时调整参数取值、修正计算模型并采取相应的温控措施，以避免出现温度裂纹。

　　6、改善混凝土保养措施;

　　墩身混凝土浇注完成后，为了防止内外温差过大，造成温度应力大于同期混凝土抗拉强度而产生裂纹，确保混凝土施工质量，应在6h以内加以覆盖和浇水保证混凝土保温保湿的养护;重点加强墩下部保水保温养护，承台与墩身结合部禁止浸水养护，防止干湿交替对混凝土带来不利影响，局部采取回填土保温措施，杜绝养护水温与混凝土表面温度差超标。第一次浇水时间控制在表面混凝土看不到水渍时进行。混凝土初凝后，墩顶及时覆盖棉毡布进行洒水养护。采用双层薄膜覆盖养护以保温保湿，保证顶部保养水浸渗入膜为控制重点，同时确保养护的时间不小于30天。必须制定缺水地段保养措施预案，以加大资金设备投入为保障，加强过程控制检查，做到分工明确，责任到人。

　　7、提高混凝土抗裂性措施;

　　按大体积混凝土施工的特点以提高混凝土抗裂性原则为辅助手段;由裂纹产生和发展过程推断承台与墩身结合部位约束墩身混凝土收缩膨胀特点显著，由于相邻混凝土界面的砼龄期、周边温度条件及标号差异性大，墩身与承台结合部位2m范围增加结构配筋，架立钢筋采用接长预埋Φ16钢筋，水平分布筋采用φ8，间距自下而上逐渐加宽，护面筋集中分布在墩平直段部分以增强混凝土抗裂性。

　　为了提高混凝土的粘结强度，以减少混凝土在温度升高及降温过程中出现的拉裂，宜在大体积混凝土的自由边附加产生围压力的钢筋(由于自由边混凝土的温度较低，钢筋与混凝土的变形小，在大体积混凝土产生膨胀时，受到自由边钢筋的约束作用)。由于这些钢筋的设置，使大体积混凝土结构的围压力增大，在三向应力作用下，增大了钢筋与混凝土之间的粘结强度由于大体积混凝土施工时，往往都采用分层浇筑，为了有效地提高混凝土的抗裂，抗裂构造钢筋以浇筑的分层数为构造钢筋的层数最为合理。

　　在约束条件一定的情况下，为补偿或部分抵消这种收缩变形，很多工程采用了补偿收缩混凝土，使其在约束条件下产生预压应力或产生膨胀变形。另外为直接提高混凝土的抗裂性能，很多工程也采用了纤维混凝土，即通过在混凝土中直接掺入抗拉强度较高的纤维，以提高混凝土的抗裂性能。项目部也将此作为课题进行试验研究为后续施工积累经验。

　　8、大体积混凝土温控技术措施;

　　依据测温记录，如混凝土内外温差值过高，必要时可在混凝土内预埋冷却水管，通过冷却水管内水的热交换作用和循环流动，由循环水带出混凝土内水化热的热量，降低混凝土结构内的温度以达到减少内外温差的目的。每层冷却水管均在混凝土浇筑至水管标高后，根据温升情况开始通水，通水流量应根据温控计算结果确定，确保水流降温效果。施工时要做好进出水温的测量记录，以便调整控温措施。实施过程中，根据实测混凝土芯部温度，确定参数，调整冷却水管的水平布设间距、竖向间距及管内流速，确保混凝土内外温差控制在规定的范围内。

　　四、混凝土裂纹的应急预案及质量缺陷处理措施

　　4.1、混凝土裂纹产生原因

　　因混凝土的硬化中，水泥放出大量水化热，造成其内外温差大。造成混凝土表面受内部混凝土的约束，产生很大应力，使混凝土因早期强度低而产生裂缝，这种情况出现的裂缝往往较浅。当浇筑混凝土时温度很高，加上水化热的温升很大，使混凝土的温度更高，在混凝土冷却收缩后，内部出现很大的拉应力没有被释放，则会出现较深裂缝。

　　4.2、当在施工中出现以上裂缝的征兆时，需立即采取如下预防措施：

　　1、加强浇筑混凝土的养护措施。如浇筑后，表面应及时用麻袋等覆盖，并洒水养护，在炎热夏天应延长养护期限。

　　2、结合观测温度记录，制定混凝土温控措施;不断调整修正温控技术手段及措施;

　　4.3、对于部分出现了裂缝的治理方法如下：对于墩身裂纹处理的原则，首先在墩身裂纹观测数据稳定的基础上，由有资质的检测单位进行检测，依据检测数据进行评估，由此制定相应的实施措施报批后实施。依据裂纹的性质、大小、结合受力及使用情况区别对待及时治理。不影响结构受力及使用的微小裂纹(裂纹宽度0.2mm以下)宜采用化学灌浆补强方式进行，灌浆完成后进行结构测试鉴定验证补强效果。

　　1、对于一般结构的缝宽小于0.1mm的裂缝，因可自行愈合，只采取封闭措施，即一般采用涂两遍环氧胶泥，贴环氧玻璃布，以及喷水泥砂浆等机型裂缝表面封闭。

　　2、对于有防水要求的结构，缝宽大于0.1mm的深度及贯穿性裂缝，可根据裂缝的可灌程度采取灌浆方法进行裂缝修补。

　　参考文献：

　　[1]黄国兴,惠荣炎.混凝土的收缩[M].北京:中国铁道出版社,1999.

　　[2]王华生,赵慧如.混凝土技术禁忌手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

　　[3]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.