涼水河特大橋墩身高性能混凝土裂紋預(yù)防及處理措施

王瑞清

【摘要】本文介紹高性能混凝土所用的原材料選擇，配合比設(shè)計(jì)，對理論配合比進(jìn)行裂紋計(jì)算分析，明確現(xiàn)場施工過程具體控制措施，施工現(xiàn)場墩身實(shí)際出現(xiàn)的裂紋統(tǒng)計(jì)分析，采取的具體處理措施。

【關(guān)鍵詞】高性能混凝土；墩身裂紋；預(yù)防；處理

一、工程概況

涼水河特大橋施工范圍為DK21+454.97～DK43+018.09，全長21563.12米，中心里程DK32+236.52，主要跨越?jīng)鏊雍捅本┝h(huán)道路及多條主要干道，全橋共計(jì)2個(gè)臺(tái)、665個(gè)墩共666跨。橋臺(tái)采用雙線一字形橋臺(tái)，墩身為實(shí)心墩，采用直坡到底的等截面圓端形，托盤、頂帽形式采用矩形截面，四周抹圓角并與墩身截面順接。墩身截面尺寸絕大部分為2×6m，高度在3m～12.5m之間，均采用高性能混凝土。本工程高性能混凝土設(shè)計(jì)壽命為100年，在耐久性及裂紋的控制方面與普通混凝土相比有很高的要求。

二、施工地域、季節(jié)

涼水河特大橋地處北京地區(qū)，施工時(shí)間從05年12月到07年4月，施工過程歷經(jīng)炎熱的夏季和寒冷的冬季。根據(jù)以往資料顯示，北京地區(qū)年最高和最低氣溫分別為39.5℃和-16.6℃，在這樣惡劣的自然條件下進(jìn)行如此高要求的混凝土施工，并且要確保混凝土滿足各項(xiàng)質(zhì)量要求，確保混凝土不開裂，困難極大。

大體積高性能混凝土的裂紋控制應(yīng)從原材料、混凝土配合比、施工工藝三方面采取措施。

三、原材料的質(zhì)量要求：

本工程中使用的普通硅酸鹽水泥除滿足國家標(biāo)準(zhǔn)外，對水泥的堿含量比表面積熟料中的C3A含量等指標(biāo)進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)，共選擇的7種水泥進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，有三種水泥的試驗(yàn)指標(biāo)能滿足要求，其中鼎新水泥比表面積344m2/kg≤350 m2/kg，堿含量：0.52%≤0.8%，熟料中的C3A含量7.3%≤8%。

礦物摻合料的使用首先是高性能混凝土耐久性的需要，摻入粉煤灰的混凝土強(qiáng)度發(fā)展較慢。早期彈性模量較小，抗應(yīng)變的能力強(qiáng)，不易開裂。粉煤灰的細(xì)度，對混凝土的和易性有較大影響，同時(shí)燒失量和需水量也是反映粉煤灰質(zhì)量的重要指標(biāo)，粉煤灰的燒失量越大，表明含碳量越高，需水量越大，混凝土容易產(chǎn)生收縮裂紋，現(xiàn)在注重粉煤灰細(xì)度的同時(shí)，更應(yīng)控制其燒失量和需水量。一般情況下礦碴越細(xì)，活性越高，在一定摻量范圍內(nèi)，高細(xì)度的磨細(xì)礦碴混凝土強(qiáng)度隨摻量的增大而提高，全混凝土相應(yīng)的溫升、化學(xué)收縮和自收縮也增加，所以在控制混凝土的比表面積，通過原材料的試驗(yàn)，選擇的粉煤灰細(xì)度1.7%<2.0%。燒失量4.6%<5%，需水量比95%<105%，礦碴混凝土比表面積350m2/kg<494 m2/kg<500m2/kg。

高效外加劑在高性能混凝土中合一摻加具有減水率高，坍落度損失小，適量引氣，能提高混凝土的工作性和勻質(zhì)性，減少用水量，降低混凝土水分蒸發(fā)，產(chǎn)生的收縮裂縫，我部經(jīng)過原材料檢驗(yàn)合格的高效外加劑，減水率24.2%≥20%，含氣量5.7%≥4.5%。

本工程的高性能混凝土為了獲得較好的工作性能，采用了細(xì)度模數(shù)為2.3～3.1的中粗砂，為了獲得良好的級配，采用了5～10mm，10～20mm，20～31.5mm三種級配的碎石，按2：7：1地行混合形成連續(xù)的碎石級配，經(jīng)過篩選砂碎石的含泥量和泥塊含量均能滿足要求。

在對粗細(xì)骨料進(jìn)行原材料檢測時(shí)，碎石的堿一硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率為0.25%>0.1%，由于擬定的配合比采取了抑制堿—骨料反應(yīng)的技術(shù)措施，即摻加了礦物摻合料及復(fù)合外加劑。為了判別配合比是否滿足要求，計(jì)算混凝土中包括水泥、礦物摻合料，外加劑、水的堿含量之和1.59kg/ m3≤3.0kg/ m3，取骨料做了礦物摻合料及外加劑抑制堿骨料反應(yīng)有效性試驗(yàn)，試件長度膨脹率為0.03%<0.1%滿足要求。

四、配合比優(yōu)選

混凝土的技術(shù)性能在很大程度上是由原材料的性質(zhì)及相對含量決定的，混凝土配合比應(yīng)根據(jù)混凝土的原材料品質(zhì)，混凝土實(shí)際強(qiáng)度等級、耐久性等的要求進(jìn)行試拌選定。

高性能混凝土配合比的選定應(yīng)遵循以下基本原則：

⑴ 為提高混凝土的耐久性，改善混凝土的抗裂性，混凝土中應(yīng)適量摻加優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、礦粉等礦物摻和料；

⑵ 不同的混凝土強(qiáng)度和環(huán)境條件等級，混凝土的最大水膠比和最大膠凝材料用量必須滿足規(guī)范要求。

⑶ 混凝土中宜摻入能提高混凝土耐久性能的高效外加劑，優(yōu)先選用多功能復(fù)合外加劑；

根據(jù)以上混凝土配合比選定的原則和確定的原材料，經(jīng)試驗(yàn)室多次試拌，并對混凝土試塊進(jìn)行了56天強(qiáng)度和耐久性檢測后確定的配合。

根據(jù)選定的高性能混凝土配合比，通過理論計(jì)算分析混凝土是否會(huì)產(chǎn)生裂紋，首先計(jì)算混凝土的水泥水化熱絕熱升溫值、各齡期的收縮變形值，收縮當(dāng)量溫差和彈性模量，其次計(jì)算可能產(chǎn)生的最大溫度收縮應(yīng)力，如不超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，則表示所采用的原材料及配合比有效控制裂紋的出現(xiàn)；如超過則需要采取調(diào)整混凝土的澆筑溫度或降低水化熱溫升值，降低內(nèi)外溫差，改善施工操作工藝等技術(shù)措施并重新計(jì)算直至計(jì)算應(yīng)力在允許范圍以內(nèi)為止。

⑴ 混凝土各齡期的抗拉強(qiáng)度R（t）

⑵ 水化熱溫升值（℃）

⑶ 各齡期混凝土收縮變形值

各齡期混凝土的收縮變形值隨許多具體條件和因素的差異而變化，一般可按下列指數(shù)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算：

⑷ 各齡期混凝土收縮當(dāng)量溫差Ty（t）

當(dāng)量溫差是將混凝土收縮產(chǎn)生的變形，換算成相當(dāng)于引起同樣應(yīng)變所需溫度，以便按溫差計(jì)算溫度應(yīng)力。

⑸ 各齡期混凝土彈性模量

⑹ 露天養(yǎng)護(hù)期間混凝土降溫收縮應(yīng)力

⑺ 露天養(yǎng)護(hù)期間混凝土產(chǎn)生的降溫收縮應(yīng)力：

⑻ 安全度K

經(jīng)過計(jì)算，混凝土的各個(gè)齡期的溫度收縮應(yīng)力均小于C30混凝土對應(yīng)各齡期設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度且安全度k均大于1.15，此方案在理論上是可行的。

五、模板制作、安裝

由于墩（臺(tái)）身高度最高為

⑴模板制作：模板采用精加工，在特制胎模上制作，嚴(yán)格控制模板的表面光潔度及拼縫的平整、密實(shí)度。

⑵模板試拼：模板加工完成后，應(yīng)試拼裝，經(jīng)驗(yàn)收合格后，運(yùn)抵現(xiàn)場使用；

⑶模板處理：模板使用前進(jìn)行細(xì)致的除銹、涂油處理，保證模板表面光亮無污染；

⑷模板安裝：墩身、帽模板采用吊機(jī)整體安裝，模板接縫采用栓接；按照設(shè)計(jì)要求的位置布置拉桿，并將拉桿上緊上牢。

⑸調(diào)模：在測量人員的配合下，調(diào)整已經(jīng)立好的模板，首先調(diào)整模板的位置與標(biāo)高，然后調(diào)整模板各斷面的尺寸，調(diào)整達(dá)到要求后，將模板固定，對模板間接縫進(jìn)行嵌縫處理。

六、混凝土澆筑方法

混凝土采用混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸，混凝土泵車泵送澆筑。

混凝土灌注前，對模板、鋼筋、預(yù)埋件進(jìn)行詳細(xì)檢查，模板內(nèi)的雜物應(yīng)清除干凈，辦理好簽證手續(xù)；混凝土攪拌運(yùn)輸車、混凝土泵車、振搗設(shè)備應(yīng)有備用，并對施工人員進(jìn)行技術(shù)交底。

⑴泵送管管口距離澆注混凝土面高度不大于2m；必要時(shí)用PVC管做串筒泵管直接接至墩身內(nèi)，泵管頂口設(shè)漏斗接混凝土。吊掛于腳手平臺(tái)上?；炷凉嘧r(shí)不得固定在一點(diǎn)下料，不得用振動(dòng)棒向四周推趕混凝土。

⑵墩身帽混凝土澆筑

采用水平分層澆注，混凝土的一次攤鋪厚度在30cm左右?；炷恋恼駬v采用插入式振搗器，每次振搗時(shí)，以不擾動(dòng)下層混凝土為主，插入下層深度在5～10cm。振搗棒移動(dòng)間距不超過振動(dòng)棒作用半徑的1.5倍，與模板間應(yīng)保持10～15cm的距離，應(yīng)避免振搗棒碰撞模板、鋼筋和預(yù)埋件，振搗要均勻，以混凝土停止下沉、不再冒氣泡、表面平坦、泛漿為度，防止過振和欠振現(xiàn)象。在振搗過程中應(yīng)經(jīng)常檢查模板、預(yù)埋件及內(nèi)外支撐和拉桿的支撐情況，有異常及時(shí)處理。

⑶混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆注完畢初凝前采用二次趕壓抹光，控制表面收縮裂紋，減少水分蒸發(fā)，改善養(yǎng)護(hù)?；炷脸跄?，加強(qiáng)保溫保濕養(yǎng)護(hù)，先在其表面覆蓋一層薄膜，一層草袋，再一層薄膜，最后一層草袋。下層薄膜防止水分蒸發(fā)，上層薄膜隔離低溫雨水，同時(shí)使表面已升高的溫度不易散失，有效地減少內(nèi)外溫差。常溫下養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7天，如溫度持續(xù)較低，要延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

七、裂紋分析

產(chǎn)生裂紋的原因有很多種，裂紋的種類也較多，但主要分為兩種即收縮裂紋和溫差裂紋。

（1） 收縮裂紋

混凝土收縮包括塑性收縮、干燥收縮和自收縮。塑性收縮原因是沉降、泌水，一般發(fā)生在混凝土拌合后3～12小時(shí)以內(nèi)，終凝前比較明顯；自收縮是混凝土澆筑成型后與外界無水分交換的條件下，由于水泥水化造成混凝土內(nèi)部干燥而引起的；干燥收縮是因?yàn)榛炷了终舭l(fā)，導(dǎo)致混凝土體積變化。當(dāng)用水量、膠凝材料用量越多，水泥的水化熱大并大量向空氣中蒸發(fā)水分，混凝土的收縮就越大。收縮會(huì)產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力，如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過當(dāng)時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生收縮裂紋。

（2）溫差裂紋

混凝土內(nèi)部與表面或混凝土表面與環(huán)境溫差過大會(huì)產(chǎn)生溫差裂紋。水泥遇水發(fā)生水化作用，產(chǎn)生水化熱，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，而其表面由于受內(nèi)部溫度影響較慢，且散熱較快，溫度較低，因此形成了較大的溫度差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。此時(shí)的混凝土齡期短，抗拉強(qiáng)度低，當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度，則會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生裂紋。

通過對涼水河特大橋施工完的橋墩每月定期進(jìn)行裂紋檢查并記錄，從檢查結(jié)果來看，本工程大約有25個(gè)左右的墩身出現(xiàn)了表面龜裂，裂紋寬度在0～0.2mm之間，深度較淺，根據(jù)出現(xiàn)的位置和裂紋狀況將其分為三個(gè)種類：

①墩帽模板與墩身模板拼縫以下10cm泄水凹槽位置，以及直面模板與圓弧模板接縫處， 裂紋呈線狀，走向?yàn)闄M向和豎向，長度在15cm～200cm之間，約7個(gè)墩身。

②墩身大面模板中間，泄水凹槽位置， 裂紋呈線狀，走向?yàn)樨Q向，長度在10cm～150cm不等，約10 個(gè)墩身。

③墩身曲盒部位， 裂紋呈冠狀和放射狀，長度在10cm～30cm，約8個(gè)墩位。

八、裂紋處理

對于本橋出現(xiàn)的裂紋情況來看，這些裂紋對于橋墩本身的結(jié)構(gòu)安全基本沒有影響，其種類為龜裂，屬于表面收縮裂紋。采用的涂膜封閉法處理裂縫。

在混凝土表面涂刷防水涂膜以封閉微細(xì)裂縫的修補(bǔ)方法稱涂膜封閉法，適用于寬度小于0.2mm的微細(xì)裂縫的修補(bǔ)，也可用于混凝土外表面的裝飾和防水處理，以及防止混凝土保護(hù)層的碳化和有害離子對混凝土的腐蝕。

⑴材料和機(jī)具

材料：ZV型混凝土修補(bǔ)膠，ZB型罩面膠，修補(bǔ)粉料或水泥。

ZV型混凝土修補(bǔ)膠：是以高分子共聚物為基本原料，摻加適量改性劑、有機(jī)助劑配制成的水乳狀產(chǎn)品，無毒、不燃、無腐蝕性，其PH值為6～6.5，粘度200～500厘泊。

ZB型罩面膠：由高分子共聚物乳液和混合助劑配制而成的水乳液，涂刷在涂膜表面，可提高涂膜的硬度、光澤性、耐久性和耐水性。

機(jī)具：鋼絲刷、羊毛輥具、油漆刷等手工工具，也可用噴漿機(jī)。

⑵操作方法

①清掃：混凝土表層的浮漿和起砂層要用砂輪打磨機(jī)磨去，并清掃或沖洗干凈。

②刮膩?zhàn)樱夯炷帘砻媪芽p、氣孔和缺陷應(yīng)用膩?zhàn)犹畛溲a(bǔ)平，待干后用砂布磨平。膩?zhàn)优浞饺缦拢篫V型混凝土修補(bǔ)膠：粉料=1：1.8～2.0。

③涂刷底層涂料：配方如下：ZV型混凝土修補(bǔ)膠：粉料=1：0.7～0.8

④涂刷主層涂料：主層涂料配方如下：ZV型混凝土修補(bǔ)膠：粉料=1：0.8～1

通過上述方法處理后，墩身裂紋沒有繼續(xù)擴(kuò)展，處理效果較好。