空心薄壁高橋墩裂縫防治技術(shù)

摘要：文章針對(duì)大跨徑橋梁空心薄壁高橋墩混凝土裂縫防治問(wèn)題，從薄壁高橋墩的設(shè)計(jì)和施工方面著手，結(jié)合現(xiàn)行混凝土裂縫機(jī)理和防治理論，從結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)、混凝土配合比、混凝土水化熱和施工溫度控制等方面對(duì)該類型橋墩的裂縫防治加以論述，提出了一些有實(shí)用價(jià)值的觀點(diǎn)和建議。

關(guān)鍵詞：橋梁；薄壁墩；裂縫防治

中圖分類號(hào)：U445.57文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-8136(2009)29-0024-02

隨著高速公路的發(fā)展，橋梁的跨徑越來(lái)越大，尤其在有深切峽谷的地區(qū)橋墩也多采用高大的空心薄壁橋墩，一些橋墩高達(dá)100m以上，且為柔性墩。由于橋墩高度高，截面尺寸大，施工中易受外界環(huán)境影響。因此，面對(duì)如此高度的空心薄壁墩，如何高質(zhì)量完成其建設(shè)任務(wù)，避免和減少墩身混凝土裂縫的出現(xiàn)，成為設(shè)計(jì)和施工人員所必須考慮的問(wèn)題之一。

1 裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土的裂縫問(wèn)題一直是工程界最為關(guān)心的課題之一，因?yàn)樗某霈F(xiàn)牽涉鋼筋的腐蝕及結(jié)構(gòu)功能的喪失和結(jié)構(gòu)外觀的破損，針對(duì)空心薄壁高橋墩分析裂縫可能產(chǎn)生的原因，大致分設(shè)計(jì)原因和混凝土自身原因。

1.1 設(shè)計(jì)原因

依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范按結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度進(jìn)行配筋，其受力裂縫和收縮裂縫多可同時(shí)得到控制；只是受力配筋兼顧收縮配筋，未對(duì)收縮配筋做充分考慮，一旦超出一定范圍，則仍有可能出現(xiàn)收縮裂縫，在出現(xiàn)裂縫的空心墩中，都曾出現(xiàn)過(guò)豎向收縮裂縫，起因之一就是構(gòu)造(收縮)配筋不足。以往空心墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，習(xí)慣上注重按承載強(qiáng)度進(jìn)行受力配筋，而對(duì)因溫度、濕度引起的收縮變形問(wèn)題，則往往考慮不足；空心墩結(jié)構(gòu)形式一般為底部混凝土體積較大，且為梯形漸變結(jié)構(gòu)形式。因此，橋墩混凝土凝結(jié)固化時(shí)內(nèi)部水化熱及水化熱溫差梯度較大，而養(yǎng)護(hù)時(shí)，內(nèi)部通常采取灌水養(yǎng)護(hù)，外壁采用灑水養(yǎng)護(hù)，容易造成由于內(nèi)外溫度和濕度不一而引起混凝土收縮不均，進(jìn)而導(dǎo)致收縮裂縫。

1.2 混凝土自身原因

混凝土自身原因產(chǎn)生的裂縫類型很多，歸納起來(lái)有：干縮、溫度、施工因素、化學(xué)作用等。國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會(huì)認(rèn)為，凡是混凝土一次澆注的最小尺寸大于0.6m，且水泥用量大于400kg/m³。應(yīng)當(dāng)考慮水化散熱慢或其他降溫措施；國(guó)家建筑部門認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸大于或等于1m的大體積混凝土中，水化熱量的散失與最小尺寸平方成反比，所以內(nèi)部散熱十分緩慢。一道厚1.5m、兩側(cè)暴露在較冷的空氣中的混凝土墻，散失95％的水化熱量需要1周時(shí)間；如果墻厚達(dá)15m，散失95％的水化熱，則需要2年時(shí)間。因此，如果控制混凝土內(nèi)部溫度升高和溫度變化速度，就可能減少或避免出現(xiàn)裂縫，基于這點(diǎn)建設(shè)者充分考慮混凝土及其組成材料的特性，從水泥品種、成分、單位體積水泥用量、骨料、拌和水量、外加劑等方面綜合考慮。并多次調(diào)試混凝土配比，并以配合比和施工環(huán)節(jié)降低水泥水化熱，從而達(dá)到減少或避免大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的目的。

2 裂縫的防治

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 合理配制鋼筋數(shù)量

混凝土裂縫分散性很大，難以正確計(jì)算，對(duì)其也缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，因此，在混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)計(jì)中往往是基于對(duì)裂縫機(jī)理分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而在配筋構(gòu)造E進(jìn)行限制，以滿足一般情況下裂縫控制的需要。如：某大橋空心薄壁墩，其墩底部為1050cm、800cm、105m(長(zhǎng)寬高)的矩形薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，底部以上30m為薄壁梯形漸變段，然后是壁厚均等的薄壁區(qū)段，類似這種高大空心墩是依靠其結(jié)構(gòu)形狀、質(zhì)量和強(qiáng)度來(lái)承受荷載的，因此為保證混凝土結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)條件和耐久性，設(shè)計(jì)者從結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及外部因素影響等多方面進(jìn)行充分論證，并結(jié)合分析研究外地類似大橋空心墩設(shè)計(jì)及裂縫產(chǎn)生的原因，而改變以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，增加了新的可靠性設(shè)計(jì)元素，為避免或減少混凝土裂縫提供了設(shè)計(jì)保障。

(1)確保最小鋼筋面積。由于墩底受壓，因此橫向濕縮縫不會(huì)出現(xiàn)，而多是因受壓或濕縮而引起的豎向裂縫。橫向箍筋正是為滿足這種要求布設(shè)的，但其數(shù)量應(yīng)能保證鋼筋應(yīng)力即使在因混凝土開(kāi)裂而增大后仍不超越屈服強(qiáng)度，能使裂縫充分分散，數(shù)量多而寬度小，從而避免出現(xiàn)“非控制性”的不可容許的少數(shù)寬縫。

(2)保證鋼筋最大間距。除控制最小鋼筋面積之外，還要控制空心墩中的箍筋間距。箍筋間距可以影響裂縫距離，設(shè)計(jì)中依次在傳統(tǒng)空心墩設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加箍筋數(shù)量，減小鋼筋間距。

(3)保證鋼筋直徑。一般情況下可以代替控制荷載裂縫時(shí)的鋼筋最大間距，對(duì)于由約束收縮(干縮、濕縮)引起的裂縫必須限制鋼筋直徑。

(4)建議增設(shè)混凝土防裂網(wǎng)，該鋼筋網(wǎng)與混凝土共同作用受力，改善混凝土工作性能，以避免或分散混凝土裂縫。

2.1.2 合理選擇混凝土標(biāo)號(hào)

在能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，降低墩身混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)，以減少水泥用量，并與承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)一致，減少溫差收縮不一致引起的內(nèi)部應(yīng)力以及約束應(yīng)力引起的約束裂縫。

2.2 混凝土原材料及配合比混凝土的水化熱大小與水泥成分、單位體積、水泥用量、骨料、拌和水量密切相關(guān)。但水泥成分、骨料性質(zhì)、用水量究竟對(duì)水化熱有多大影響，還沒(méi)有一個(gè)定量的概念。因此應(yīng)盡量選用低水化熱水泥，但不同品牌的水泥產(chǎn)生的熱量是不相同的；粉煤灰的摻入可以減少水泥用量，降低水化熱產(chǎn)生的總量；彈性模量較低的粗骨料，有利于混凝土抗拉性能的發(fā)揮；適當(dāng)?shù)耐饧觿┛梢愿纳苹炷凉ぷ餍阅?，降低用水量。因此，在混凝土混合料中，摻和外加劑，降低水灰比，是降低水泥水化熱的有效措施?/p>

2.2.1 混凝土原材料

(1)水泥。水泥除其發(fā)熱量和使用量是決定混凝土裂縫的重要原因外，其干縮性也是決定混凝土干縮裂縫的重要原因。不同的水泥。甚至是同一品種、同一強(qiáng)度的水泥，只是由于生產(chǎn)廠家不同，其發(fā)熱值、干縮值都有可能相差很大。

(2)細(xì)集料。要求級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒潔凈、細(xì)度模數(shù)在2.3～3.1之間，不要用黏性的砂。特別控制砂的含泥量2％，因此，橋墩施工全部應(yīng)選用質(zhì)量穩(wěn)定、性能良好的中砂。

(3)粗集料。帶有棱角、有麻面的碎石較有利于提高混凝土的抗拉伸性能(比如光圓卵石)，粗骨料巖石種類也可對(duì)混凝土的干縮性和冷縮性發(fā)生重要影響。

(4)外加劑。合理、科學(xué)地使用外加劑，可以使混凝土的和易性得到很大改善，有助于混凝土的澆筑均勻和振搗密實(shí)，因此，既能提高混凝土的均勻性和密實(shí)性，也可提高混凝土的抗拉性和抗裂性，而混凝土的水泥用量和拌和水量又可相應(yīng)減少。采用緩凝高效減水劑，一可以減少水用量，二可以減少水泥用量，從而達(dá)到降低水熱的目的，其加入量為0.01％，保證初凝時(shí)間在2h～3h之間，既保證了在澆筑上層混凝土?xí)r，下層混凝土不至于初凝，且能延緩混凝土內(nèi)部溫度峰值的出現(xiàn)。

(5)摻加粉煤灰。在配合比中，加入一定比例的粉煤灰，取代等量水泥。削減水化熱的高溫峰值，具體比例以實(shí)際檢測(cè)值為準(zhǔn)，粉煤灰應(yīng)滿足Ⅱ級(jí)粉煤灰要求，且應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，其主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 配合比

粗細(xì)骨料占混凝土體積很大部分，本身雖收縮不多，但卻可抑制水泥收縮，從而減少混凝土的干縮，有以下經(jīng)驗(yàn)式：

ε≈ε_so(I－V₂)²

式中：ε_so：水泥石的干縮；

V_a：骨料容積％。

因此，增大骨料粒徑尺寸不僅可影響拌和水量(從而影響收縮)，在抑制混凝土收縮上十分有效。

含水量對(duì)混凝土干縮的影響程度顯著大于水泥量和水灰比對(duì)其的影響精度，而混凝土拌水量受控于混凝土的坍落度、含砂率、溫度以及骨料的顆粒級(jí)配、潔凈程度等因素，因此，在確?；炷翝仓鶆颉⒄駬v密度的前提下，采用較少的拌和水量、較小的水灰比、較好的骨料級(jí)配及較小的坍落度和低的拌和溫度等措施，以減低混凝土的干縮性?？招谋”诙栈炷僚浜媳葢?yīng)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)、泵送工藝性、低水化熱、緩凝等要求。

2.3 溫度控制

空心薄壁高橋墩在澆筑期間，如果正值高溫期，每天平均氣溫都在30℃左右時(shí)，由于混凝土內(nèi)水化熱是在澆筑溫度的基礎(chǔ)上積聚的，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高，如澆筑混凝土?xí)r，外界氣溫為16℃-18℃，而混凝土的實(shí)際溫度為12~C，則混凝土澆筑時(shí)溫度會(huì)增加至16℃。澆筑溫度的增加，導(dǎo)致新澆筑混凝土的整體溫度升高了。另外混凝土的溫度愈高，水泥的水化反應(yīng)愈快，當(dāng)混凝土澆筑時(shí)氣溫為14℃，第一個(gè)24h內(nèi)水泥產(chǎn)生7d全部水化熱的43％，澆筑時(shí)氣溫為30℃時(shí)，在第一個(gè)24h內(nèi)。水泥產(chǎn)生7d全部水化熱的62.5％，混凝土達(dá)到最高溫度的時(shí)間縮短了，不利于降低混凝土的最高溫度，因此針對(duì)以上混凝土特點(diǎn)，為減少混凝土水化熱，建議采用以下措施來(lái)降低混凝土的澆筑溫度。

(1)調(diào)整混凝土澆筑時(shí)間。避免中午氣溫峰值時(shí)澆筑混凝土，應(yīng)采取夜間施工。

(2)降低骨料溫度。在集料堆上搭設(shè)涼棚，避免太陽(yáng)直射；同時(shí)。噴灑冷水以冷卻碎石，使碎石溫度從30℃～35℃降低到30℃以內(nèi)。

(3)降低拌和溫度。在澆筑空心墩底部混凝土體積較大處時(shí)，建議采用加冰屑拌和，冰的吸熱量大約是水泥和集料的4.5倍，采用冰屑冷卻水拌和，可以有效地降低混凝土混合料的澆筑溫度。

(4)避免吸取外熱。混凝土拌和前，提前用冷水沖洗拌和倉(cāng)，以降低倉(cāng)溫，混凝土澆筑前，同樣用冷水沖淋混凝土泵送管道，混凝土澆筑時(shí)，在模板外灑水沖淋。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上措施，可在實(shí)際施工中使空心薄壁高橋墩身裂縫得以有效控制，不同程度地減少和杜絕裂縫的發(fā)生和發(fā)展。目前。由于裂縫形成機(jī)理和發(fā)生程度還多以定性為主、定量為輔，且設(shè)計(jì)中還多有經(jīng)驗(yàn)輔助的成分，加上施工中各種不確定因素的影響，使得針對(duì)高大空心橋墩的裂縫防治還有許多需要研究的問(wèn)題。