公路橋梁墩身混凝土的開裂及防治策略

楊春彥

（云南建投第六建設(shè)有限公司，昆明 650000）

1 引言

近年來，隨著國(guó)家和地方政府在公路橋梁工程上的投入日漸增多，公路橋梁交通網(wǎng)絡(luò)也逐步完善，給人們的出行帶來了方便。橋梁墩身多以混凝土結(jié)構(gòu)為主，由于混凝土結(jié)構(gòu)施工的特殊性，墩身開裂極為常見，如果開裂問題得不到有效的預(yù)防與控制，墩身在橋梁中的作用將難以實(shí)現(xiàn)。因此，在交通事業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的過程中，工程企業(yè)當(dāng)下需要重點(diǎn)關(guān)注公路橋梁墩身混凝土開裂問題，并結(jié)合工程實(shí)際和結(jié)構(gòu)要求，選擇有效的開裂預(yù)防對(duì)策。

2 公路橋梁墩身混凝土裂縫的主要特征

公路橋梁墩身混凝土開裂主要呈現(xiàn)以下特征：（1）裂縫多表現(xiàn)為豎向延伸，裂縫長(zhǎng)度與墩體高度相接近；（2）墩體中間裂縫的寬度較大，該裂縫在兩端延伸處逐步變細(xì)且最終消失；（3）裂縫數(shù)量多，寬度小，多以寬度在0.3 mm 以下的裂縫為主，同時(shí)也存在一些寬度較大的裂縫；（4）墩身兩端的裂縫分布較少，而更多的裂縫集中在墩身部位；（5）拆模以后墩體裂縫更容易發(fā)生，主要是由于氣溫快速降低，加劇了裂縫的形成，一段時(shí)間以后，裂縫的總體數(shù)量雖然逐步增多，但裂縫寬度卻不會(huì)有明顯的變化；（6）墩體四周有回填土?xí)r，裂縫表現(xiàn)更為明顯，主要表現(xiàn)為橫向剪切裂縫[1]。

3 橋梁墩身混凝土裂縫種類及其成因

3.1 直接應(yīng)力裂縫

直接應(yīng)力裂縫是一種常見裂縫，是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題所引起的，專業(yè)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中存在結(jié)構(gòu)計(jì)算不合理的問題，計(jì)算時(shí)的受力預(yù)設(shè)與實(shí)際發(fā)生的荷載偏差較大，與公路墩身實(shí)際受力有著明顯的差異，安全性不夠。施工階段各種施工材料、工具等隨意堆放，施工作業(yè)進(jìn)行時(shí)存在起吊、運(yùn)輸、安裝不規(guī)范，導(dǎo)致可變荷載變化較大或有計(jì)算外的偶發(fā)荷載發(fā)生，結(jié)構(gòu)施工工序安排不當(dāng)，都是引起直接應(yīng)力裂縫的原因。當(dāng)公路橋梁工程投入使用以后，墩身的荷載超出了設(shè)計(jì)限值，在大型車輛等反復(fù)接觸、撞擊作用下，墩身結(jié)構(gòu)缺陷日漸暴露，尤其是一些突發(fā)事故，如地震、爆炸等事故發(fā)生時(shí)，更是會(huì)對(duì)墩身結(jié)構(gòu)完整性與安全性造成不利的影響[2]。次應(yīng)力裂縫指的是外荷載引起的次生應(yīng)力裂縫。比如，橋梁結(jié)構(gòu)施工中涉及的鑿槽、開洞、牛腿設(shè)置等環(huán)節(jié)，施工人員往往依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行鋼筋的設(shè)置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著較大的主觀性，這種情況下，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，從而使得孔洞周邊存在著應(yīng)力集中的問題。次應(yīng)力是引發(fā)荷載裂縫的原因，次應(yīng)力裂縫更多地呈現(xiàn)出張拉、劈裂和剪切的性質(zhì)。

3.2 溫度變化引起的裂縫

3.2.1 年溫差

特殊的地理?xiàng)l件下，我國(guó)四季分明，溫度變化大。公路橋梁工程的施工和運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)受到溫度變化的影響，當(dāng)溫度發(fā)生劇烈變化，結(jié)構(gòu)位移受到限制以后，就會(huì)提高溫度裂縫的出現(xiàn)概率。

3.2.2 日照

公路橋梁的橋面板、主梁、橋墩側(cè)，常年受到強(qiáng)烈的陽光照射，在強(qiáng)烈的太陽光照射下，這些結(jié)構(gòu)部位的溫度明顯高于其他部位，因此，整個(gè)公路橋梁的溫度將呈現(xiàn)出非線性的特點(diǎn)。當(dāng)墩身結(jié)構(gòu)部位受到了自身約束以后，局部拉應(yīng)力將有所增大，此時(shí)勢(shì)必會(huì)引起結(jié)構(gòu)裂縫。

3.2.3 驟然降溫

公路橋梁墩身在突然降溫的條件下，可能會(huì)形成溫度裂縫。比如，當(dāng)突降大雨、冷空氣侵襲以后，墩身外表面的溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，結(jié)構(gòu)中形成了溫度梯度。如云南大理—麗江高速公路的K158+125 處的7 m×30 m T 梁橋，右側(cè)3、4 號(hào)墩，墩高25.6 m，地形右高左低。該工程位于麗江地區(qū)，屬高原型西南季風(fēng)氣候，氣溫偏低，晝夜溫差大。該墩柱在施工時(shí)，因混凝土運(yùn)輸原因，澆筑結(jié)束時(shí)間為凌晨?jī)牲c(diǎn)左右，大氣溫度較低，也沒有及時(shí)采取保溫養(yǎng)護(hù)措施，拆模后，墩柱混凝土表面出現(xiàn)豎向不連續(xù)裂縫。

3.2.4 水化熱

墩身混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土材料中水泥的性質(zhì)比較特殊，如果水泥在沒有充分穩(wěn)定前被使用，水泥水化熱會(huì)使得混凝土內(nèi)外部的溫度差值增大，同樣是引起溫度裂縫的重要原因。部分混凝土拌和站過于追求早期強(qiáng)度，加入大量外加劑，導(dǎo)致混凝土在凝固后繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加上結(jié)構(gòu)內(nèi)部水化熱的持續(xù)作用導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

3.3 收縮引起的塑性收縮裂縫

混凝土的收縮特性導(dǎo)致塑性收縮裂縫的產(chǎn)生。一般情況下，在混凝土澆筑作業(yè)結(jié)束以后的4～5 h，水泥水化熱反應(yīng)是最為明顯的，分子鏈并未形成，泌水與水分在急劇蒸發(fā)的過程中，混凝土呈現(xiàn)出失水收縮的特性，再加上骨料的自重下沉，混凝土未完全硬化，一旦遇到了鋼筋的阻擋，將會(huì)沿著鋼筋方向生成裂縫。構(gòu)件豎向變截面，如丁梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤硬课唬绻谟不暗某翆?shí)不均勻，表面沿腹板方向上將形成新的裂縫[3]。

3.4 混凝土原材料質(zhì)量引起的裂縫

墩身混凝土裂縫也有可能是由混凝土材料質(zhì)量引起的。公路橋梁墩身施工作業(yè)中，要想達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，各種原材料的質(zhì)量都應(yīng)該符合工程要求。如果在施工過程中，水泥性能的不達(dá)標(biāo)、受潮，都將會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度不足，提高混凝土裂縫的出現(xiàn)概率，如果砂石骨料粒徑過小、級(jí)配不良、空隙率大，混合料使用的水泥和用水量都相對(duì)較大，混凝土的強(qiáng)度將難以保障。

4 公路橋梁墩身混凝土裂縫防治

4.1 施工材料控制

公路橋梁墩身混凝土開裂的控制，首先要從施工材料的質(zhì)量控制出發(fā)，加強(qiáng)混凝土原材料的質(zhì)量管理。施工材料的控制應(yīng)該從以下幾方面來開展：

1）水泥。水泥的水化熱反應(yīng)會(huì)加劇混凝土裂縫的形成，因此，施工過程中應(yīng)盡量選用粉煤灰水泥、礦渣硅酸鹽水泥等低水化熱水泥。水泥的細(xì)度模數(shù)越大、標(biāo)準(zhǔn)越高、單位體積用量越多，混凝土的收縮越大且持續(xù)時(shí)間越久。當(dāng)混凝土坍落度、強(qiáng)度確定后，在混合料中添加一定的減水劑與粉煤灰，就可以起到降低水化作用，并節(jié)約水泥的用量。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，在混合料中使用了一定的外加劑和骨料以后，水泥用量可以節(jié)約25%～30%。

2）集料。公路橋梁墩身混凝土施工中，細(xì)集料最好選用級(jí)配良好、細(xì)度模數(shù)在2.3～3.7 的中粗砂；粗集料應(yīng)選用級(jí)配良好，粒徑在5～40 mm 的大粒徑骨料，并將針片狀含量控制在10%，含泥量控制在1%以內(nèi)。

4.2 施工工藝控制

墩身混凝土的施工流程復(fù)雜，為了有效對(duì)混凝土裂縫加以控制，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)施工工藝控制：（1）適當(dāng)降低混凝土入模溫度，在混凝土攪拌作業(yè)進(jìn)行時(shí)，添加一定的冷卻水，實(shí)現(xiàn)攪拌溫度控制，在混凝土澆筑作業(yè)中，科學(xué)控制澆筑溫度。（2）進(jìn)行墩身分層澆筑作業(yè)時(shí)，每層的澆筑厚度都應(yīng)該保持在300 mm 以內(nèi)，且要注意對(duì)澆筑速度的控制，當(dāng)澆筑速度過快時(shí)，由于水泥水化熱產(chǎn)生的熱量難以及時(shí)散發(fā)，可能會(huì)引起混凝土裂縫[4]。（3）做好混凝土的振搗作業(yè)，通過振搗工具的選擇，振搗時(shí)間的控制，提高混凝土密實(shí)度，嚴(yán)禁振搗時(shí)的過振作業(yè)，否則，墩身外表面可能會(huì)由于混凝土離析而引起質(zhì)量問題。振搗作業(yè)結(jié)束以后，在墩頂開展二次抹面作業(yè)，并及時(shí)覆蓋，維持一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)。（4）對(duì)于墩身下部易出現(xiàn)開裂問題的部位，在處理時(shí)可以通過布設(shè)小間距、小直徑的溫度鋼筋，來改善混凝土的抗裂性。

4.3 墩身開裂的處理

4.3.1 表面涂抹法

針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的表面裂縫問題，一般可以采用表面涂抹法，即在混凝土墻體表面涂刷高分子防水涂層，其材料多為環(huán)氧樹脂類、氰凝、聚氨酯類及丙烯酸酯等。為保障良好的施工效果，應(yīng)在涂層涂抹作業(yè)開始之前，對(duì)混凝土表層加以清理，保持干燥性。

4.3.2 面涂刷法和玻璃纖維布法

面涂刷法和玻璃纖維布法同樣是十分有效的裂縫處理方法，當(dāng)下的施工處理中，多采用的是聚氨酯涂膜和環(huán)氧樹脂膠結(jié)料，為發(fā)揮這些材料在裂縫控制方面的優(yōu)勢(shì)，尤其要根據(jù)裂縫處理需求來進(jìn)行材料的配合比設(shè)計(jì)，配備結(jié)束以后，還應(yīng)該交由專業(yè)部門審核材料特性，符合裂縫處理標(biāo)準(zhǔn)后方可正常使用。與表面涂抹法相同，面涂刷法與玻璃纖維布法在應(yīng)用時(shí)，同樣要保持混凝土表層的牢固性、干凈性和干燥性。

4.3.3 充填法

充填法在對(duì)橋梁墩身進(jìn)行處理時(shí)非常有效，在利用充填法進(jìn)行處理時(shí)，首先應(yīng)將裂縫適當(dāng)擴(kuò)大，比如，可以使用風(fēng)鎬、鋼釬或者高速旋轉(zhuǎn)的切割圓盤，將裂縫擴(kuò)大為V 形或者梯形槽狀，隨后清洗裂縫，在裂縫上涂抹一定的成品速凝堵水劑[5]。在壓抹過程中堅(jiān)持分層施工的標(biāo)準(zhǔn)，所使用的成品速凝堵水劑多為環(huán)氧砂漿、水泥砂漿等材料，以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的堵塞。

4.3.4 灌漿法

采用灌漿法進(jìn)行裂縫處理時(shí)，尤其要注重灌漿材料的選擇。當(dāng)前多使用環(huán)氧樹脂類、甲基丙烯酸甲酯、丙凝、水溶聚氨酯等材料，這些材料的性能各有其特點(diǎn)，在進(jìn)行裂縫處理時(shí)應(yīng)根據(jù)具體需求來選擇。比如，貴州省畢節(jié)市碧陽二道東環(huán)橋，中心K0+756.159，設(shè)計(jì)為2 m×24.96 m 預(yù)制箱梁橋，1～3 號(hào)墩，墩高8.4 m，因工期較緊，水泥直接入罐用于混凝土攪拌，混凝土澆筑后2.5 h，模板表面測(cè)溫達(dá)53.4℃，現(xiàn)場(chǎng)采用了澆水降溫的方法，但拆模3 d 后，在中系梁下部2 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)了斜向不連續(xù)裂縫，部分形成環(huán)向龜裂，此情況就可以采用灌漿處理法。進(jìn)行灌漿處理時(shí)，可以選用壓力灌漿的方式，將前期所配備好的漿液用壓力注入裂縫中，注入的過程中注意對(duì)壓力的控制。

5 結(jié)語

公路橋梁工程中的墩身開裂問題較為常見，給整個(gè)工程結(jié)構(gòu)造成了巨大的破壞。因此，隨著人們對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)要求的逐步提高，各個(gè)工程企業(yè)在參與此類工程的過程中，都應(yīng)該結(jié)合墩身混凝土開裂的原因，采取有效的控制措施來應(yīng)對(duì)墩身混凝土開裂，發(fā)揮墩身在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的作用。