高速鐵路橋梁墩身混凝土裂縫控制技術(shù)探討

甘 小 江

(中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西 南寧 530007)

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高速鐵路橋梁墩身混凝土裂縫控制技術(shù)探討

甘 小 江

(中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，廣西 南寧 530007)

以某高速鐵路橋梁墩身施工為例，主要從外力荷載、地質(zhì)條件、原材料、施工工藝等方面，對(duì)裂縫的成因進(jìn)行了分析，并采取了相應(yīng)的預(yù)防和控制措施，以避免高速鐵路橋梁墩身混凝土裂縫的產(chǎn)生。

高速鐵路，墩身，混凝土，裂縫成因

0 引言

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，以及山區(qū)鐵路修建復(fù)雜橋梁工程不斷出現(xiàn)，大承臺(tái)、高墩柱等大體積混凝土的應(yīng)用越來越廣泛。但是，墩身大體積混凝土裂縫是一直困擾著橋梁工程技術(shù)人員的技術(shù)難題，許多橋梁墩身混凝土在施工過程中出現(xiàn)了不同程度、不同形式的裂縫[1]，其成因復(fù)雜、繁多，有時(shí)多種因素相互影響。盡管在施工中也采取了各種措施但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)，有些還造成了無法估量的損失。為了減少和控制裂縫的出現(xiàn)，降低經(jīng)濟(jì)損失，本文依托某高速鐵路橋梁工程墩身大體積混凝土施工，對(duì)裂縫的成因、采取的措施等進(jìn)行探討。

1 工程概況

新建某高速鐵路正線數(shù)目為雙線，設(shè)計(jì)速度350 km/h，線間距5 m，軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年。橋梁工程采用鉆孔樁+承臺(tái)基礎(chǔ)，墩柱高30 m以內(nèi)采用圓端形實(shí)體墩，上部結(jié)構(gòu)以預(yù)制簡(jiǎn)支梁為主，上跨鐵路、公路時(shí)采用懸臂灌注連續(xù)梁。圓端形實(shí)體墩柱厚度2 m～3.9 m，高度5.5 m～20 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35或C40，其位于縱向兩側(cè)墩身中心線處各設(shè)一寬20 cm、深20 cm的凹槽，凹槽全墩高設(shè)置。施工中墩身澆筑脫模時(shí)或脫模后1 d內(nèi)在凹槽處出現(xiàn)豎向裂縫，連續(xù)或間斷沿墩柱方向延伸，寬度為0 mm～0.4 mm不等。

2 裂縫成因分析

2.1 地質(zhì)條件引起

墩身基礎(chǔ)地質(zhì)變形產(chǎn)生不均勻沉降或水平位移，可以造成墩身混凝土產(chǎn)生附加應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)承臺(tái)、墩身的沉降觀測(cè)結(jié)果分析，基礎(chǔ)無不均勻沉降和水平位移情況，故排除因地質(zhì)不均勻變形引起裂縫。

2.2 外加荷載產(chǎn)生

墩身施工后由于存在外加荷載如外力撞擊、地震、爆破等外力沖擊作用引起的混凝土開裂，從現(xiàn)場(chǎng)墩身施工過程中，在裂縫出現(xiàn)時(shí)并無任何的外力作用，因此非因外加荷載而產(chǎn)生的裂縫。

2.3 混凝土凍脹原因

當(dāng)混凝土在已吸水飽和，氣溫低于0 ℃情況下會(huì)發(fā)生冰凍，混凝土中游離的水會(huì)凍結(jié)成冰，其體積會(huì)增大9%[2]，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力引起開裂。本項(xiàng)目橋梁墩身從2016年5月份開始陸續(xù)灌注，施工的墩身均處于夏季期作業(yè)，不存在混凝土冰凍膨脹條件，可排除此項(xiàng)因素。

2.4 墩身鋼筋銹蝕引起

鋼筋銹蝕后其體積將大大超過原體積，使鋼筋位置處的混凝土受到內(nèi)壓力而產(chǎn)生裂縫，并隨之剝落。本項(xiàng)目所處地理環(huán)境未屬于腐蝕環(huán)境，且墩身鋼筋在加工廠房統(tǒng)一堆放、加工，運(yùn)至作業(yè)面及時(shí)安裝，并無鋼筋長期露天堆放和腐蝕造成銹蝕現(xiàn)象，因此可排除因鋼筋銹蝕導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生這一因素。

2.5 結(jié)構(gòu)本身設(shè)計(jì)引起

在橋梁墩身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于墩身結(jié)構(gòu)受力的假設(shè)和受力檢算與實(shí)際情況差距過大，安全系數(shù)不夠，墩身配筋過少或布置不合理，墩身本身剛度不足等，都有可能引起裂縫。本項(xiàng)目所施工墩身采用的參考圖為通用圖，其墩身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)多條鐵路線證實(shí)，并無因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配筋不合理引起裂縫的案例，說明凹槽處的裂縫并非自身設(shè)計(jì)缺陷引起。墩身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是裂縫產(chǎn)生的原因。

2.6 混凝土原材料質(zhì)量引起

采用不合格的材料配置混凝土，如水泥安定性差、水泥出廠強(qiáng)度不足、砂石粒徑過小及級(jí)配不合理等均有可能導(dǎo)致墩身出現(xiàn)裂縫。本項(xiàng)目墩身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35或C40，配合比采用P.O42.5水泥，C35混凝土水泥用量280 kg/m3，水膠比0.41；C40混凝土水泥用量304 kg/m3，水膠比0.38，水泥用量、水灰比配置在合理范圍內(nèi)。前期所用砂石料雖存在部分河砂粒徑偏小、含泥量超標(biāo)等質(zhì)量不穩(wěn)定現(xiàn)象，但通過對(duì)同期澆筑、使用同批材料而增設(shè)了冷卻管的承臺(tái)大體積混凝土觀測(cè)，承臺(tái)未出現(xiàn)裂縫，因此本項(xiàng)目前期墩身混凝土材料質(zhì)量不穩(wěn)定因素不是裂縫形成的關(guān)鍵。

2.7 混凝土內(nèi)外溫差引起

由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，其內(nèi)部溫度顯著升高后，體積膨脹，而外部環(huán)境卻隨氣溫降低而冷卻收縮，混凝土內(nèi)部膨脹與外部收縮這兩種作用互相抵制，使外部混凝土產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時(shí)，便開始出現(xiàn)裂縫。而混凝土的水泥在水化過程中放出的熱量是混凝土芯部溫度快速上升的主要因素。通過對(duì)墩身幾個(gè)循環(huán)墩身混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其第1天，第2天溫度迅速上升至峰值65 ℃～70 ℃，最高達(dá)71 ℃，芯部與混凝土表面、與環(huán)境溫度差最大達(dá)24 ℃，超過規(guī)范規(guī)定溫差不超過20 ℃范圍，墩身脫模時(shí)即發(fā)現(xiàn)凹槽處豎向裂縫,可以判定水化熱過高對(duì)產(chǎn)生裂縫起關(guān)鍵作用。且對(duì)裂縫的寬度及墩身結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)墩身結(jié)構(gòu)尺寸越大相應(yīng)的裂縫也越寬，表明墩身體積越大混凝土產(chǎn)生的水化熱越高，對(duì)裂縫的影響越大，說明混凝土水化熱引起的內(nèi)外溫差過大是本項(xiàng)目墩身中心凹槽處產(chǎn)生裂縫的主要因素。

3 預(yù)防和控制裂縫措施

針對(duì)墩身裂縫成因分析確定水化熱是混凝土內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生裂縫的主要原因，采取以下技術(shù)措施，以預(yù)防和控制裂縫。

3.1 原材料質(zhì)量控制和選用

1)水泥：在滿足混凝土強(qiáng)度條件下配置低升溫、低發(fā)熱的混凝土，減小水泥用量，選用低水化熱水泥，優(yōu)先采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

2)骨料：混凝土受拉破壞的主要形式為水泥石與粗骨料粘結(jié)界面處的破壞，而混凝土的抗拉強(qiáng)度很大程度取決于水泥與骨料的粘連程度。骨料的料徑、潔凈程度、含泥量高低均是影響混凝土抗拉強(qiáng)度的重要因素，因此選料時(shí)采用級(jí)配、質(zhì)量良好的砂石，細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)Mf≥2.5的中粗砂，砂、石含泥量控制在1%以內(nèi)，配以較低水灰比、適量的粉煤灰和外加劑，以減少水泥水化熱，達(dá)到減小混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力的效果。

3)外加劑：混凝土在拌制過程中可適當(dāng)加入一定量的減水劑、緩凝劑等，以提高混凝土的和易性，水灰比控制在0.55以下，可延長混凝土初凝時(shí)間至5 h左右。

4)混凝土配合比：降低配合比的水灰比，不僅有效降低水化熱，而且減少收縮，減少外觀弊病。但也不要盲目增加水泥用量，在施工現(xiàn)場(chǎng)，為了提高混凝土的強(qiáng)度，施工時(shí)經(jīng)常采用強(qiáng)行增加水泥用量的做法，結(jié)果收縮明顯加大，水化熱增加，加大了混凝土開裂的可能性。

3.2 增設(shè)冷卻管降溫和保溫措施

大體積混凝土的顯著特點(diǎn)是灌注后芯部溫度迅速上升，造成內(nèi)外溫差過大，通過采取“內(nèi)降外?！贝胧┛捎行Э刂苹炷羶?nèi)外溫差?！皟?nèi)降”即是在混凝土內(nèi)部增設(shè)冷卻管，混凝土澆筑初凝后不間斷循環(huán)通水降溫，并埋設(shè)測(cè)溫管以做好測(cè)溫記錄，通水時(shí)間以混凝土內(nèi)部溫度降至與表面、環(huán)境溫度溫差在20 ℃以內(nèi)后，并繼續(xù)通水直至芯部溫度接近環(huán)境溫度為止。冷卻管采用薄壁鋼管，鋼管層間距、橫向間距以1.0 m為宜，彎頭接管安裝牢固不脫落，混凝土澆筑前通水檢查是否存在堵塞、漏水現(xiàn)象，冷卻完成后及時(shí)壓漿封閉。如混凝土體積較大冷卻管一次接管距離較長，可采取多進(jìn)多出的多個(gè)獨(dú)立循環(huán)單元以縮短冷卻水在管內(nèi)循環(huán)時(shí)間，保證降溫效果。測(cè)溫管可采用PVC管或鋼管，測(cè)點(diǎn)布置在混凝土澆筑體平面對(duì)稱軸線上，并沿澆筑體厚度方向布置表面、外表、底面、中心溫度溫點(diǎn)，測(cè)溫時(shí)測(cè)溫計(jì)在孔內(nèi)至少留置3 min?！巴獗！奔词窃谕獠坎捎帽∧?、土工布等包裹材料對(duì)混凝土進(jìn)行保溫，起到保濕養(yǎng)生目的，同時(shí)避免混凝土表面隨環(huán)境溫度起伏大而加大溫差。

3.3 其他施工工藝措施

夏季施工混凝土的入模溫度較高也可加大內(nèi)外溫差，加強(qiáng)施工工藝和過程管控，降低混凝土入模溫度，讓其不宜高于28 ℃[3]，對(duì)降低其內(nèi)部溫度也起到重要作用，如砂石料倉、拌和用水加棚加蓋避免暴曬或其他措施以冷卻骨料和水的溫度，將混凝土澆筑時(shí)間調(diào)整至晚間避開高溫時(shí)段，泵送管加鋪草包并噴水及減少循環(huán)澆筑混凝土方量以減少水化熱，均利于降低入模溫度，加強(qiáng)混凝土的搗固，控制混凝土保護(hù)層厚度等?；炷撩撃r(shí)間除考慮強(qiáng)度外還應(yīng)考慮如過早拆模會(huì)引起混凝土溫度過高而表面接觸空氣時(shí)降溫過快而干裂，更不能在此時(shí)噴灑涼水養(yǎng)護(hù)。

4 裂縫處理方法

通過不間斷監(jiān)測(cè)裂縫確認(rèn)其穩(wěn)定無發(fā)展趨勢(shì)后，及時(shí)封閉處理，處理方法有以下幾種：

1)表面處理法：包括表面涂抹和表面貼補(bǔ)法，主要用于細(xì)微、淺層裂紋。2)填充法：用修補(bǔ)材料直接填充于裂縫處，此方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，適用于較寬裂縫，而對(duì)于寬度較小且深度較淺的裂縫，可采用V形槽填充。3)灌漿法：采用環(huán)氧樹脂，加入增塑劑、稀釋劑和固化劑等材料對(duì)裂縫進(jìn)行高壓灌漿封閉，適用于較寬、深度較深的裂縫，此方法效果好，應(yīng)用范圍廣。

5 結(jié)語

裂縫是橋梁工程墩身混凝土的常見通病之一，也是工程技術(shù)人員需要重點(diǎn)關(guān)注的質(zhì)量環(huán)節(jié)，但橋墩裂縫的形成原因相當(dāng)復(fù)雜，還須所有工程技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)一步的探討。在工程施工過程中加強(qiáng)預(yù)防和控制，落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝，分析其原因，采取有針對(duì)性的防裂措施，才能有效地減少或避免混凝土的開裂。此項(xiàng)目通過采取增設(shè)冷卻管、保溫、調(diào)整混凝土澆筑時(shí)間等“內(nèi)降外?！贝胧┖?，裂縫得到了有效控制，同時(shí)也進(jìn)一步印證了水化熱是墩身裂縫產(chǎn)生主要原因的判斷，對(duì)類似橋梁墩身大體積混凝土施工起到一定的借鑒作用。

[1] 金衛(wèi)華.混凝土橋墩裂縫分析與控制[J].西部探礦工程，2003(10):145-148.

[2] 李衛(wèi)軍.混凝土橋墩裂縫的成因分析及處理方法[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2012(13):150-152.

[3] 鐵建設(shè)[2010]241號(hào),鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南[Z].

On crack control techniques for pier concrete on expressways and bridges

Gan Xiaojiang

(FourthDivisionCo.,Ltd,ChinaRailwayTunnelGroup,Nanning530007,China)

Taking the bridge pier construction of some expressway as the example, the paper analyzes the reasons for the cracks from the loading of external forces, geological conditions, raw materials and construction craft, and adopts the respective prevention and controlling measures, so as to avoid the cracks on the bridge pier construction of expressways.

express railway, pier, concrete, crack reason

2016-11-26

甘小江(1977- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0186-03

U445.71

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