鐵路橋梁墩臺(tái)身大體積混凝土裂縫控制措施

王廣厚

【摘 要】大體積混凝土產(chǎn)生出現(xiàn)裂縫是一個(gè)普遍的現(xiàn)象。隨著高墩大跨鐵路橋梁越來越普遍，相應(yīng)的大體積混凝土在鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中越來越多，但對(duì)于鐵路橋梁中大體積混凝土的裂縫的原因分析與控制措施方面的研究相對(duì)較少。針對(duì)鐵路橋梁工程大體積高強(qiáng)度混凝土的特點(diǎn)，分析了鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，進(jìn)行針對(duì)性的分析和探討，并從設(shè)計(jì)及施工兩方面提出了防止裂縫的主要的技術(shù)措施。

【關(guān)鍵詞】鐵路橋梁；混凝土；裂縫控制

0 前言

隨著高墩大跨鐵路橋梁越來越普遍，相應(yīng)的大體積混凝土在鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越多，尤其是在復(fù)雜山區(qū)跨越峽谷的單線、雙線或多線鐵路橋梁的高墩及基礎(chǔ)等。本文結(jié)合鐵路橋梁工程實(shí)踐將對(duì)此類問題進(jìn)行分析，探討裂縫出現(xiàn)的原因及控制措施?；炷潦菓?yīng)用最廣泛最重要的工程結(jié)構(gòu)材料之一。對(duì)于大型橋梁的基礎(chǔ)、橋墩等大體積混凝土必需要考慮水化熱引起的溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力引起的裂縫具有裂縫寬、上下貫通等特點(diǎn)，因此對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、防水性能、耐久性等都會(huì)產(chǎn)生很大影響。

1 墩臺(tái)混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因分析

1.1 溫度應(yīng)力

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為三個(gè)階段。早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，這個(gè)階段的兩個(gè)特征，一是，水泥放出大量的水化熱；二是，混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。晚期：混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。大體積混凝土的界定，各國不盡相同，還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。但凡屬于大體積混凝土都具有一些共同特征：結(jié)構(gòu)厚實(shí)，混凝土現(xiàn)澆量大，施工技術(shù)上有特殊要求，水泥水化熱使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度變形，應(yīng)采取措施，盡可能地減少變形引起的裂縫開展。

1.2 施工工藝的影響

鐵路橋梁剛性實(shí)體墩臺(tái)普遍采用C20混凝土，由于在施工中為加快施工進(jìn)度，縮短工期，采用了混凝土泵送技術(shù)。為了滿足混凝土泵送的要求，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行了調(diào)整，如加大了水泥用量等，將影響裂縫的發(fā)生發(fā)展。為保證泵送混凝土的流動(dòng)性、粘聚性和保水性，便于泵送和澆筑，常采用的砂率為45%，比普通混凝土增大6%以上。砂率的加大，混凝土中粗骨料用量相對(duì)減少，而粗骨料在混凝土中是抵抗收縮的主要材料。因此，在配合比相同的情況下，隨著砂率的加大，混凝土的收縮率也隨之增大。大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常具有以下特點(diǎn)：混凝土是脆性材料，橋梁工程中常用混凝土（C15～C40）抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的8%～13%。大體積混凝土的斷面尺寸較大，由于水泥的水化熱會(huì)使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升；以及在以后的降溫過程中，在一定的約束條件下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力?，F(xiàn)橋梁墩身及基礎(chǔ)等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應(yīng)力要由混凝土本身來承擔(dān)。大體積混凝土施工常見的質(zhì)量問題是溫度裂縫?；炷岭S著溫度變化而發(fā)生膨脹收縮，稱為溫度變形。對(duì)于大體積混凝土施工階段來講，裂縫是由于混凝土溫度變形而引起的。由于混凝土溫度變化產(chǎn)生變形受到混凝土內(nèi)部和外部的約束影響，產(chǎn)生較大應(yīng)力，尤其是拉應(yīng)力，是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。

1.3 環(huán)境方面的影響

施工時(shí)的氣象條件也是影響混凝土裂縫（主要是表面裂縫）的主要因素。在氣候干燥和大風(fēng)季節(jié)，混凝土澆灌后不覆蓋立即開裂。據(jù)介紹，風(fēng)速為16mPs時(shí)，混凝土中水分蒸發(fā)速度為零風(fēng)速時(shí)的4倍，相對(duì)濕度10%時(shí)，蒸發(fā)速度為相對(duì)濕度90%時(shí)的9倍以上，如果將風(fēng)速作用和濕度影響疊加，則可推算出此時(shí)混凝土干燥速度是通常條件下的10倍之多。但這種裂紋一般都是表面裂紋，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)沒有影響。

2 鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的控制

2.1 優(yōu)化鐵路橋梁工程大體積混凝土的設(shè)計(jì)

鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的控制首先從設(shè)計(jì)方面來考慮，主要從以下幾個(gè)方面來優(yōu)化設(shè)計(jì)：即使鐵路橋梁工程大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，為避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中，在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施。如在孔洞的周圍以及轉(zhuǎn)角處等布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔(dān)拉應(yīng)力，提高混凝土的極限拉伸能力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。在設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮利用中低強(qiáng)度水泥，充分利用混凝土的后期強(qiáng)度。對(duì)于混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值，因?yàn)楸Ｗo(hù)層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫。

2.2 合理選擇水泥品種及用量

理論研究表明大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。于是，我們對(duì)于橋梁中的大體積混凝土應(yīng)該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內(nèi)礦物成分的不同。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣，其他成分依次為硅酸三鈣、硅酸二鈣和鐵鋁酸四鈣。另外，水泥越細(xì)發(fā)熱速率越快，但是不影響最終發(fā)熱量。因此我們?cè)诖篌w積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。精心設(shè)計(jì)混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比） 二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值的抗裂混凝土。

2.3 充分利用混凝土的后期強(qiáng)度

根據(jù)工程特點(diǎn)，充分利用混凝土后期強(qiáng)度，可以減少用水量，減少水化熱和收縮。因?yàn)榇篌w積混凝土施工期限長(zhǎng)，不可能28d向混凝土施加設(shè)計(jì)荷載，因此將試驗(yàn)混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的齡期向后推遲至56d或者90d是合理的。基于這一點(diǎn)，國內(nèi)外很多專家均提出類似的建議。這樣充分利用后期強(qiáng)度則可以每立方米混凝土減少水泥40Kg～70Kg 左右，混凝土內(nèi)部的溫度相應(yīng)降低4℃～7℃。實(shí)踐證明，混凝土常見的裂縫，大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成，寒冷地區(qū)的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。從溫度應(yīng)力觀點(diǎn)出發(fā)，保溫應(yīng)達(dá)到下述要求：防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面溫度梯度，防止表面裂縫。防止混凝土超冷，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。防止老混凝土過冷，以減少新、老混凝土間的約束。

3 結(jié)語

防止鐵路橋梁大體積混凝土出現(xiàn)裂縫是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，產(chǎn)生裂縫的原因很多，且工程又千差萬別。長(zhǎng)期的工程實(shí)踐證明，溫度裂縫并不是不可控制的，通過采取一些技術(shù)措施是完全可以減少甚至避免的，且其有害程度是可以控制的。只要我們?cè)谠O(shè)計(jì)、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護(hù)過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是可以避免危害結(jié)構(gòu)的裂縫的產(chǎn)生。

【參考文獻(xiàn)】

[1]盧二俠.大體積混凝土承臺(tái)水化熱溫度分析與控制[D].湖南大學(xué)，2007.

[2]李海濤.鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的原因分析與控制措施[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2008.

[責(zé)任編輯：丁艷]