薄壁混凝土防水擋墻裂縫分析與控制

曹林均

（四川紅葉建設(shè)有限公司，四川成都 610000）

0 前言

衡量混凝土耐久性的主要指標(biāo)包括抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化（中性化）、抗化學(xué)侵蝕等，混凝土的抗?jié)B性主要與密實(shí)度及內(nèi)部空隙的大小和構(gòu)造有關(guān)?；炷恋目?jié)B性，特別是抗氯離子滲透性較能綜合的反應(yīng)其各種耐久性能。混凝土結(jié)構(gòu)在形成過(guò)程中，由于材料、工藝的原因，導(dǎo)致各種初始缺陷，包括裂紋、裂縫等，會(huì)對(duì)建筑物的使用性能產(chǎn)生不利影響因此，抗裂比抗?jié)B更為重要。

1 混凝土裂縫分類

混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂紋的擴(kuò)展而引起的，引起混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫的原因很多，查找相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]，混凝土開裂的原因主要可以分為：荷載引起的裂縫、溫度變化引起的裂縫、收縮引起的裂縫、地基礎(chǔ)變形引起的裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、施工材料質(zhì)量引起的裂縫。

2 薄壁防水擋墻開裂因素分析

2.1 防水擋墻概況

例如金九大橋?yàn)橄妈F路以及跨越一河流而設(shè)的橋梁，采用四聯(lián)3×20.4+3×20.4+4×21.2+4×21.2（單位：m）預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，橋長(zhǎng)294.08m。橋面標(biāo)高215.255，比100年一遇的洪水位218.633低3.378m，設(shè)計(jì)時(shí)為了保證運(yùn)營(yíng)期間即使發(fā)生特大洪水也能保證該橋的正常運(yùn)營(yíng)，特為該橋設(shè)計(jì)了防洪擋墻及獨(dú)特的防、排水系統(tǒng)。

防水擋墻高4m，厚0.5m，采用C30混凝土，擋墻薄且高，混凝土的防滲等級(jí)要求較高，施工中如何保證擋墻防水性能以滿足設(shè)計(jì)要求是本工程施工的一大重點(diǎn)。

圖1 防水墻橫橋向布置

2.2 擋墻開裂因素分析

擋墻設(shè)在箱梁頂板邊緣，在墩頂和跨中均設(shè)置5mm變形縫斷開，不參與主梁結(jié)構(gòu)受力，且無(wú)其他荷載作用，所以擋墻不會(huì)出現(xiàn)因荷載引起裂縫；擋墻厚50cm，高4m，面積較大，混凝土澆筑硬化過(guò)程中，水化熱散發(fā)較快，因此出現(xiàn)內(nèi)外溫差過(guò)大的可能性不大，可以忽略擋墻自身溫度裂縫的可能；擋墻混凝土在澆筑到硬化的過(guò)程中，僅頂面暴露在空氣中，暴露面積較小，因而出現(xiàn)因便面失水過(guò)多的塑性收縮裂縫的可能也不大；橋梁采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定性好，所以出現(xiàn)沉降裂縫的可能性也不大。所以最可能引起擋墻出現(xiàn)裂縫的因素是箱梁對(duì)擋墻收縮的約束。

2.2.1 擋墻的溫度收縮

如果擋墻混凝土澆筑后的凝結(jié)溫度和當(dāng)時(shí)箱梁頂板的溫度相同，并在以后的降溫過(guò)程中也是一致的，則擋墻和箱梁頂板的降溫差相同，收縮量也相同，兩者收縮同步進(jìn)行，則不存在箱梁頂板對(duì)擋墻的約束問題。而實(shí)際在施工過(guò)程中，在箱梁澆筑完成，并張拉完成后一段時(shí)間才開始進(jìn)行擋墻的施工。箱梁總體體積較大，暴露面積相對(duì)較少，溫度變化相對(duì)較小，而擋墻體積較小，切完全暴露在空氣中，而且澆筑后由于水化作用，溫差變化相對(duì)較大，所以擋墻的溫度收縮量大于箱梁頂板的溫度收縮量，而受到頂板的約束，因此在擋墻內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果此應(yīng)力過(guò)大，則可能產(chǎn)生裂紋。

2.2.2 擋墻的干縮

混凝土中水分的蒸發(fā)等原因發(fā)生不可逆的干縮。一方面，擋墻混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同而導(dǎo)致不能的變形程度：拆模過(guò)后，擋墻的外露面積大，受外部條件的影響，表面水分損失較快，收縮較大，內(nèi)部濕度變化較小而變形較小，較大的表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部的約束，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫；另一方面，混凝土在硬化過(guò)程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生收縮變形，這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān)，而是隨著時(shí)間的推移，變形量越來(lái)越低，而箱梁頂板已經(jīng)澆筑了一段時(shí)間，已經(jīng)趨于相對(duì)穩(wěn)定，而新澆筑的擋墻收縮變形較大，兩者間的變形差異必然導(dǎo)致箱梁頂板對(duì)擋墻搜索變形產(chǎn)生約束作用，從而在擋墻的內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力[3]。頂板澆筑的時(shí)間越長(zhǎng)，擋墻的收縮越大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)裂縫，這種裂縫將會(huì)在靠近頂板的底部較大，上部較小。

2.2.3 材料及配合比的影響

重慶地處長(zhǎng)江、嘉陵江交匯處，地區(qū)無(wú)合格的天然中砂資源，沿江及其支流及有著豐富的天然特細(xì)砂資源，而細(xì)砂又容易導(dǎo)致混凝土開裂，將機(jī)制砂和特細(xì)砂按照一定的比例混合，配制成混合砂，可以有效的克服單獨(dú)使用機(jī)制砂流動(dòng)性較差的特點(diǎn)。且砂石等材料供應(yīng)較為分散，如含泥量、較難長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，對(duì)混凝土抗裂造成不利影響。

3 裂縫控制采取措施

通過(guò)對(duì)薄壁擋水墻可能開裂因素的分析，薄壁擋墻結(jié)構(gòu)和塊體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相比，有顯著特點(diǎn)，擋墻由于受到箱梁頂板的極大約束力，這種約束遠(yuǎn)大于地基對(duì)基礎(chǔ)的約束，且難以改善。從對(duì)擋墻裂縫的原因分析中可以看出：擋墻出現(xiàn)裂縫可能的最主要因素是由于擋墻混凝土的溫濕度的降低造成的收縮受到其基礎(chǔ)即箱梁頂板的約束產(chǎn)生的。對(duì)于薄壁擋墻結(jié)構(gòu)，除需采取措施減少擋墻的冷縮與干縮之外，更重要的一點(diǎn)是要減少箱梁頂板對(duì)擋墻的約束里，盡可能采取措施縮小箱梁頂板溫、濕度與擋墻溫、濕度變化之間的差異，在施工中主要采取的措施如下：

3.1 合理設(shè)置變形縫

設(shè)置伸縮縫，縮短了擋墻和箱梁頂板的接觸長(zhǎng)度，對(duì)降低擋墻收縮時(shí)因受箱梁頂板約束產(chǎn)生的應(yīng)力有一定的效果。箱梁頂板對(duì)擋墻的約束，主要是因?yàn)轫敯迮c擋墻的溫、濕度不同，而收縮變形不同造成的，設(shè)置收縮縫并不能改變底板與擋墻溫差及濕差的大小，只是改變了單段擋墻的絕對(duì)變形值，從而降低約束力。

擋水墻在墩頂和跨中正負(fù)彎矩較大的部位均設(shè)置20mm變形縫斷開，不參與主梁結(jié)構(gòu)受力。對(duì)于溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力根據(jù)，《橋梁工程》[4]、《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[1]和《路橋施工計(jì)算手冊(cè)》[5]相關(guān)理論及公式建立力學(xué)模型并進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)歷史溫度情況、材料情況和現(xiàn)場(chǎng)情況等計(jì)算溫度應(yīng)力，在實(shí)際計(jì)算中，將混凝土收縮當(dāng)量折算成當(dāng)量溫差來(lái)計(jì)算溫度和收縮應(yīng)力：①計(jì)算絕熱升溫值；②計(jì)算實(shí)際最高溫升值；③計(jì)算平均熱水化溫度；④計(jì)算各齡期混凝土收縮值及收縮當(dāng)量溫差；⑤計(jì)算各齡期綜合溫差及總溫差；⑥計(jì)算各齡期彈性模量；⑦各齡期混凝土松弛系數(shù)；⑧計(jì)算最大拉應(yīng)力，凝土最大拉應(yīng)力等于其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即可以反推計(jì)算得到變形縫的合理間距。其計(jì)算過(guò)程略，取變形縫間距為10m，滿足抗裂要求。

3.2 對(duì)原材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制并優(yōu)化混凝土配合比

在施工過(guò)程中嚴(yán)格的控制原材料的質(zhì)量，重點(diǎn)控制水泥的安定性、強(qiáng)度、集料的含泥量等易引起混凝土開裂的因素，盡量保持材料的穩(wěn)定。

3.3 結(jié)構(gòu)及施工工藝方面降低收縮

合理的配制縱向構(gòu)造筋，可以大幅度提高混凝土的極限抗拉應(yīng)變力，改善其抗裂性能。過(guò)薄的保護(hù)層厚度影響耐久性，而過(guò)厚的保護(hù)層厚度又增加開裂的可能性，施工時(shí)采用保護(hù)層墊塊，控制鋼筋和模板精度，嚴(yán)格控制保護(hù)層厚度。

采取措施減少箱梁頂板對(duì)擋墻的約束力，盡可能的縮小箱梁頂板與擋墻之間的溫、濕度差異。在澆筑前，對(duì)箱梁頂板進(jìn)行灑水潤(rùn)濕，提高濕度，降低箱梁頂板和擋墻的初始濕差；重慶長(zhǎng)期處于炎熱天氣，采取了預(yù)冷骨料，避開高溫時(shí)段，采用淋水冷卻模板等方法，盡量的降低混凝土的入模溫度；延長(zhǎng)拆模時(shí)間，并在炎熱天氣時(shí)采用水噴淋模板對(duì)模板進(jìn)行降溫，拆模后，用水噴淋擋墻，既對(duì)擋墻進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，又加快擋墻自身的散熱，降低擋墻混凝土的最高溫度，即降低了擋墻與箱梁頂板之間的溫度差異，直到擋墻溫度降到和箱梁頂板溫度接近時(shí)，采用薄膜覆蓋的方法繼續(xù)養(yǎng)護(hù)14d以上。

3.4 無(wú)機(jī)防水涂料

雖然防水擋墻采用了防水混凝土結(jié)構(gòu)，但是混凝土的微裂縫是無(wú)法完全避免的，水仍然可以慢慢滲透到混凝土中，因此在采取混凝土裂縫控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用防水涂料CM-DPS水性滲透性無(wú)機(jī)防水劑。在混凝土表面噴涂防水涂料，可以填補(bǔ)表面的毛細(xì)孔和微裂紋，減緩混凝土碳化（中性化），控制裂紋的增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

分析得出箱梁頂板對(duì)防水擋墻的收縮的約束是其產(chǎn)生裂縫可能性的主要因素。通過(guò)合理設(shè)置變形縫，采取措施減少擋墻溫縮和干縮降低箱梁頂板對(duì)擋墻的約束力，優(yōu)化配合比，采用無(wú)機(jī)涂料等方法，在施工工序工藝、材料方面亦都采取措施減少收縮，提高混凝土極限抗拉力，降低約束程度達(dá)到綜合控制裂縫目的。通過(guò)采取多種抗裂預(yù)防措施，橋防水擋墻只出現(xiàn)極少肉眼可見裂縫，且都小于0.02mm，抗裂效果較好。