大體積混凝土橋墩施工中裂縫產(chǎn)生原因分析及防裂措施

徐樂平

（重慶公用事業(yè)置業(yè)有限公司，重慶 400020）

大體積混凝土由于截面尺寸較大，裂縫一般在混凝土澆注短期內(nèi)形成，此時(shí)設(shè)計(jì)荷載尚未作用于結(jié)構(gòu)上，所以由荷載引起結(jié)構(gòu)裂縫可能性很小，但水泥水化過程中釋放的水化熱產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，將會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，這是大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因。為了保證混凝土結(jié)構(gòu)物能夠滿足設(shè)計(jì)條件和使用要求，混凝土必須具備足夠的耐久性和強(qiáng)度，而混凝土結(jié)構(gòu)工程開裂，將直接影響結(jié)構(gòu)的使用壽命，嚴(yán)重者將會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞，使結(jié)構(gòu)喪失承載能力及使用功能。

1 工程概況及施工情況

在某橋梁工程中，開始施工不久，在對(duì)已完成的4個(gè)橋墩進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)橋墩混凝土表面出現(xiàn)裂紋，呈豎向分布，位置在距承臺(tái)頂面橋墩身大面中部豎向1.5～6m范圍內(nèi)，裂縫數(shù)量1道，兩側(cè)面對(duì)稱分布。經(jīng)測(cè)量裂縫寬均在0.2mm以下，雖屬規(guī)范允許范圍，但如不及時(shí)加以控制，將影響橋墩外觀質(zhì)量和耐久性。經(jīng)調(diào)查達(dá)成擴(kuò)能改造工程全線其它標(biāo)段橋梁墩臺(tái)施工中均存此問題。

2 墩臺(tái)混凝土開裂原因分析

經(jīng)綜合分析，墩身混凝土表面開裂主要是混凝土內(nèi)部水化熱引起及混凝土干縮變形綜合影響產(chǎn)生的裂縫。

2.1 水泥水化熱影響。水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，由于大體積混凝土截面厚度大，且混凝土的導(dǎo)熱性能較差，致使水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散發(fā)，引起混凝土內(nèi)部急驟溫升；混凝土內(nèi)外較大溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，且溫差越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就越大；當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗此溫度應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。實(shí)踐證明：大體積混凝土內(nèi)外溫差超過25℃時(shí)，混凝土將產(chǎn)生裂縫。水泥越細(xì)，早期強(qiáng)度越高；單位體積混凝土中水泥用量越大，混凝土內(nèi)部早期水化熱引起的溫升就越高。本例橋墩混凝土原采用重慶富皇水泥廠生產(chǎn)的普硅水泥 P.032.5R，水泥用量 344kg/m3。該水泥為早強(qiáng)水泥，細(xì)度較細(xì)，混凝土水化速度過快，水化熱集中釋放，造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大于25℃，引起墩臺(tái)身混凝土表面開裂。

2.2 施工工藝及混凝土干縮影響。施工工藝不當(dāng)，造成混凝土離析，則混凝土澆筑完成后結(jié)構(gòu)內(nèi)部易形成不同材質(zhì)粒組聚集區(qū)，由于混凝土與混凝土中不同材質(zhì)收縮率差異，如混凝土凝結(jié)硬化過程中水泥漿收縮率較混凝土收縮率要大的多，因此水泥漿聚集區(qū)就極易產(chǎn)生裂縫。具體導(dǎo)致原因?yàn)椋孩倩炷翑嚢钑r(shí)間影響。由于混凝土中摻入了高弦減水劑，施工過程中，混凝土攪拌時(shí)間過短(少于3min)，高效減水劑未充分發(fā)揮作用，而在混凝土運(yùn)輸或澆筑后減水劑發(fā)揮了部分減水作用，增大了混凝土坍落度，造成了混凝土離析。②混凝土澆筑工藝影響。施工時(shí)，混凝土泵送至橋墩托盤頂帽上部，在距托盤左右側(cè)模板邊緣1/4寬度位置設(shè)置了2個(gè)串筒，混凝土由串筒下落到澆筑面。隨著混凝土澆筑，串筒下的混凝土逐步形成了混凝土堆，因施工設(shè)計(jì)}昆凝土配合比坍落度為16 cm，流動(dòng)性能好，加上施工過程中振搗棒振動(dòng)使混凝土向周邊流動(dòng)，由于混合料比重的差異 (混凝土混合料比重分別為：水泥 344kg/m3，砂 696kg/m3，碎石 1216kg/m3，水 168kg/cm3，氣泡 2g/cm3，粉煤灰 92kg/m3)，在流動(dòng)過程中混凝土產(chǎn)生液化離析現(xiàn)象，從混凝土堆中心由近至遠(yuǎn)依次是砂+石--水+水泥--水+粉煤灰--氣泡。這樣在兩混凝土堆交界處(墩身中部)就形成了粉煤灰漿+水泥漿+氣泡聚集區(qū)。一般混凝土的收縮率為0.4%～O.6%，砂漿收縮率為0.8%～1.2%，水泥漿收縮率為1%～2%，即混凝土及混凝土中不同材質(zhì)收縮率存在差異。加之，墩身混凝土內(nèi)部存在粉煤灰漿+水泥漿+氣泡聚集區(qū)，混凝土內(nèi)部就存在了抗裂薄弱區(qū)。

2.3 外界氣溫變化的影響。大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，混凝土澆筑溫度與外界溫度有直接關(guān)系，外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度就越高。剛澆筑的混凝土，外界氣溫下降會(huì)增加混凝土的溫度梯度，特別是外界氣溫驟然下降，會(huì)大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫差，因而會(huì)造成過大的溫度應(yīng)力，易使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。

2.4 混凝土養(yǎng)生不良。規(guī)范規(guī)定：為防止混凝土開裂，混凝土內(nèi)外溫差不得超過25℃，一般控制混凝土溫差不大于20℃。施工中，混凝土養(yǎng)生不到位，混凝土受風(fēng)或溫差過大都易造成混凝土開裂。

3 橋墩混凝土防裂措施

針對(duì)橋墩混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，主要從控制混凝土的溫升、延緩混凝土的降溫速率、減少混凝土的收縮變形、提高混凝土的早期抗拉強(qiáng)度、加強(qiáng)施工中的保溫及溫度監(jiān)測(cè)等方面采取措施。具體措施有：采用中、低熱水泥品種；在滿足強(qiáng)度和其他性能要求的前提下，盡量降低水泥用量；摻加適宜的外加劑；選擇適宜的骨料；控制混凝土出機(jī)溫度和澆筑溫度；采取表面保護(hù)、保溫隔熱措施，降低混凝土內(nèi)外溫差。

3.1 混凝土原材料控制及配合比調(diào)整（1）選擇水泥品種。控制水泥水化熱引起的溫升，減少混凝土內(nèi)外溫差，對(duì)降低溫度應(yīng)力、防止產(chǎn)生溫度裂縫起著重要作用。混凝土溫升的熱源主要是水泥在水化反應(yīng)中產(chǎn)生的水化熱，因此選用低熱或中熱的水泥品種，是控制混凝土溫升最根本的方法。因此，在后續(xù)施工的墩臺(tái)身采用低水化熱 P.O42.5 普通硅酸鹽水泥代替 P.032.5R普硅水泥，水泥表面積比≤350m3/kg，水泥熟料中的C3A含量≤8%。（2）調(diào)整混合砂比例?；炷劣蒙凹?xì)度模數(shù)M應(yīng)在2.6～3之間，機(jī)制砂應(yīng)顆粒均勻，粉含量(0.06mm以下)應(yīng)小于20%。本例機(jī)制砂M細(xì)度為3.6；河砂M細(xì)度為1.2，按機(jī)砂：河砂為2.3：1比例調(diào)整混合砂比例。（3）增加粉煤灰摻量，替代水泥用量。本例摻合料采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，一般大體積混凝土粉煤灰摻量最大控制在40%以內(nèi)，本例原摻量27%，現(xiàn)采用35%，即每1m3混凝土中摻加粉煤灰136kg。（4）調(diào)整混凝土配合比，墩身混凝土(C30)配合比調(diào)整如表1。由混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)圖對(duì)比可知，混凝土澆筑完成后齡期前6d普硅32.5R水泥拌制的混凝土，其強(qiáng)度增長(zhǎng)率明顯大于普通硅酸鹽水泥拌制的混凝土，齡期6d后采用P.042.5普通硅酸鹽水泥混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)大于普硅32.5R水泥拌制的混凝土。由此可推斷出采用普硅32.5R水泥拌制的混凝土前期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，故混凝土溫升也大，較容易產(chǎn)生裂縫，而后者反之。

表1 橋墩（C30）混凝土配合比表kg/m2

3.2 混凝土溫度控制措施。控制混凝土溫度就是控制混凝土中心及表面之間、新老混凝土之間、混凝土表面和外界氣溫之間的溫差在25℃以內(nèi)。混凝土施工前應(yīng)計(jì)算混凝土內(nèi)部最高溫度峰值，估算混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外最大溫差，采取相應(yīng)控制措施。

(1)熱功計(jì)算：澆筑后混凝土內(nèi)部溫度-混凝土出機(jī)溫度-運(yùn)輸過程中溫度損失+水泥水化熱溫度。混凝土出機(jī)溫度：根據(jù)美國(guó)ACl305R-91標(biāo)準(zhǔn)，混凝土出機(jī)溫度

式中：T為混凝土拌合物的溫度(出機(jī)溫度)；C溫為水泥溫度，本例中為25℃；S溫為砂溫度，本例中機(jī)制砂和河砂溫度均為10℃；G溫為卵石溫度，本例中為10℃；W溫為拌合水溫度，本例中為11℃；C為每m砼中水泥用量 (kg)；S為每m砼中砂用量(kg)；G為每m2砼中卵石用量(kg)；W為拌合水質(zhì)量(kg)。則混凝土出機(jī)溫度：T=12℃?；炷吝\(yùn)輸過程中的溫度變化，本例混凝土運(yùn)輸距離為2km，運(yùn)輸過程中濕度損失實(shí)測(cè)為1℃。水泥水化引起的混凝土溫度上升，經(jīng)試驗(yàn)，每m3混凝土中每100kg水泥水化熱引起的混凝土溫度上升值為10～12℃。本例中水泥水化引起的混凝土溫度上升值：30℃。澆筑后混凝土內(nèi)部的溫度峰值：12℃-1℃+30℃=41℃。

(2)施工期間外界氣溫為4～12℃，混凝土與外界氣溫溫差超過20℃，需采取保溫措施。本例根據(jù)施工實(shí)際情況，采取保溫罩保溫措施。

3.3 施工工藝控制措施：（1）混凝土攪拌。施工前，復(fù)核拌合水計(jì)量，并在施工過程中，反復(fù)檢查水泵周圍是否有淤泥、雜草等雜物影響水流量，確保每盤用水量準(zhǔn)確。高效減水劑稱量后裝入塑料袋，每盤一袋，嚴(yán)控高效減水劑用量?；炷翑嚢钑r(shí)間每盤不小于3min，確保高效減水劑攪拌過程中充分發(fā)揮作用?？刂苹炷撂涠葹?6±1cm。不合格者不得使用。（2）混凝土澆筑。頂帽、托盤及墩身一次立模，先澆注墩身及托盤，然后將綁扎好的頂帽及墊石鋼筋吊裝就位，最后澆注頂帽混凝土?；炷帘盟椭炼枕敚霉艹隹诮颖盟蛙浌苤翝仓炷撩?，混凝土分層澆注、逐層振搗。澆筑順序從橋墩一側(cè)向另一側(cè)移動(dòng)澆筑，保證混凝土布料均勻，澆筑一層后再返回來，仍從先澆側(cè)向另一側(cè)澆筑。每澆筑層混凝土厚度不超過30cm，混凝土振搗以泛漿為度。每棒振搗時(shí)間一般不大于20s，距離模板邊緣20cm，振搗棒移動(dòng)間距20cm。（3）混凝土養(yǎng)生。橋墩混凝土澆筑完成后，墩頂混凝土外露面采用塑料薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，采用保溫罩將模板包裹保溫養(yǎng)生，保溫罩分兩層，外層為不透水防雨布，內(nèi)層采用棉被，保溫罩接口處應(yīng)密封，不得漏風(fēng)。混凝土澆筑完成7d后拆模，拆模后立即覆蓋塑料薄膜保濕養(yǎng)護(hù)，塑料薄膜外采用保溫罩密封保溫，直至溫差不大于20℃時(shí)，方可拆除保溫罩。

4 混凝土溫度監(jiān)測(cè)

大體積混凝土的凝結(jié)硬化過程中，及時(shí)摸清混凝土溫度場(chǎng)升降變化規(guī)律，隨時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部的溫度情況，對(duì)于有的放矢的采取相應(yīng)技術(shù)措施、確保混凝土不產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力、避免溫度裂縫的產(chǎn)生，具有極其重要的作用?；炷翜y(cè)溫采用圓盤式溫度計(jì)2個(gè)，分別測(cè)定混凝土內(nèi)外溫度。將溫度計(jì)感應(yīng)棒貼在模板外側(cè)，混凝土保溫罩內(nèi)測(cè)定混凝土表面溫度。混凝土澆筑前在模板上預(yù)留測(cè)溫孔，將圓盤式溫度計(jì)測(cè)線放人混凝土測(cè)溫孔內(nèi)測(cè)量混凝土內(nèi)部溫度?；炷翝仓瓿珊?，每2h測(cè)定一次混凝土內(nèi)外溫度，并計(jì)入測(cè)溫記錄表，計(jì)算混凝土內(nèi)外溫差。

結(jié)束語

混凝土配合比采用雙摻法 (摻減水劑和粉煤灰)工藝，水泥選用表面積比小于350m3/kg的P.042.5普通硅酸鹽水泥，有效的減少了水泥水化導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部溫升，降低了混凝土內(nèi)外溫差。嚴(yán)格施工工藝控制，采取內(nèi)控外保措施，加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)和溫度監(jiān)測(cè)，采用保溫罩保溫，控制混凝土內(nèi)外溫差不超過20℃，能有效解決橋墩混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題。

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