橋梁工程大體積混凝土裂縫問題分析及防治措施

王 曉

(中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司，福建 廈門 361000)

引言

隨著城市建設(shè)的不斷加快，物流的不斷發(fā)展，普通的地面空間已經(jīng)無法滿足物流運(yùn)輸?shù)男枰?，城市中的高架橋梁快速物流通道?yīng)運(yùn)而生，致力于改善人們生活，提高出行便利性，為城市現(xiàn)代化建設(shè)奠定基礎(chǔ)。不過在橋梁工程建設(shè)中，由于高架橋本身的一些特點(diǎn)，許多高架橋需要應(yīng)用大體積混凝土技術(shù)，但是大體積混凝土容易出現(xiàn)裂縫問題，這與施工人員技術(shù)水平有直接關(guān)系。因此在實(shí)際作業(yè)中，就需做到規(guī)范管理，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，降低大體積混凝土裂縫出現(xiàn)的概率，保證橋梁工程的質(zhì)量。

1 工程概況

海滄貨運(yùn)通道(疏港通道-海翔大道段)工程主線高架橋長3.35km，橋梁結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、鋼筋混凝土橋墩臺、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋標(biāo)準(zhǔn)寬26m、最寬38.66m，梁高2.2m。本文結(jié)合該項目橋梁工程施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對橋梁工程大體積混凝土裂縫問題的成因與防治措施予以詳細(xì)分析及探討。

2 橋梁工程大體積混凝土裂縫問題的成因

混凝土是橋梁工程的主要材料，作為一種復(fù)合型材料，內(nèi)部原材料的性能多少會對混凝土性能產(chǎn)生影響，這就導(dǎo)致在施工過程中，大體積混凝土施工質(zhì)量的把控難度增加，管控不當(dāng)極易出現(xiàn)裂縫問題。根據(jù)以往實(shí)際案例及現(xiàn)有資料數(shù)據(jù)分析，將大體積混凝土裂縫成因概括為以下幾種。

2.1 水熱化反應(yīng)影響

水熱化反應(yīng)是水泥和水?dāng)嚢柚挟a(chǎn)生的一種化學(xué)反應(yīng)，會加劇內(nèi)部反應(yīng)，提升混凝土溫度。水泥水熱化反應(yīng)的產(chǎn)生會增加混凝土的內(nèi)部溫度，進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形問題，這樣在大體積混凝土澆筑中，會因?yàn)閼?yīng)力和溫度變化產(chǎn)生裂縫問題。溫度應(yīng)力與溫差之間呈正比關(guān)系，溫差越大，應(yīng)力變化越明顯，帶來的裂縫問題也將越嚴(yán)重。另外，在大體積混凝土施工中，澆筑混凝土的厚度越大，水泥使用量越多，如果不能有效控制水泥和水的比例，水熱化反應(yīng)將得不到控制，這樣產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和溫差變化也會增加，裂縫會越來越嚴(yán)重。

2.2 收縮問題

混凝土在散熱和固化過程中會存在較為明顯的收縮情況，而大體積混凝土的這一情況會更加明顯。當(dāng)混凝土收縮受到外界約束力影響后，會產(chǎn)生相應(yīng)的收縮應(yīng)力，破壞混凝土自身的抗拉強(qiáng)度，兩者相互牽制，最終產(chǎn)生裂縫問題。大體積混凝土施工中，因水泥與水的應(yīng)用量較大，混凝土存在的收縮情況也會更加明顯，裂縫出現(xiàn)頻率增大。為控制收縮裂縫問題，應(yīng)對水泥和水的用量加以控制，并利用其他材料替換水泥，以抑制收縮現(xiàn)象。

2.3 溫濕度變化

大體積混凝土在施工過程中，會受到大氣環(huán)境的影響，而出現(xiàn)溫濕度裂縫問題。這是因?yàn)樵诖篌w積混凝土施工過程中，大氣溫度和濕度的變化會使得混凝土澆筑前后溫度及內(nèi)部水分含量變化，如果外界溫度較低，澆筑后大體積混凝土表面會存在快速降溫的情況，與內(nèi)部混凝土形成較大溫差，內(nèi)外拉應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生裂縫。如果外界濕度較大，大體積混凝土澆筑中，混凝土的含水率會發(fā)生變化，內(nèi)部水分增加，會加劇水熱化反應(yīng)，破壞結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫問題。由此可知，大體積混凝土施工中裂縫問題的產(chǎn)生與溫濕度變化有著較為密切的聯(lián)系。為防止溫濕度裂縫的生成，合理規(guī)劃混凝土約束條件，實(shí)現(xiàn)溫濕度的調(diào)整和把控是非常必要的。

2.4 養(yǎng)護(hù)工作不到位

橋梁工程混凝土澆筑完成需要做好養(yǎng)護(hù)工作，如果養(yǎng)護(hù)未到位，特別是內(nèi)箱和外箱養(yǎng)護(hù)不一致將導(dǎo)致箱梁內(nèi)部和外部的濕度相對不同，箱梁外部的水分在日照及風(fēng)吹等環(huán)境下水分散發(fā)比較快，混凝土收縮形態(tài)發(fā)展也快，而混凝土內(nèi)部處于相對密閉的環(huán)境，水分散發(fā)比較慢，混凝土收縮形態(tài)發(fā)展也慢，從而產(chǎn)生了應(yīng)力差、導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。所以為防止橋梁工程大體積混凝土裂縫的生產(chǎn)，混凝土的養(yǎng)護(hù)工作也是非常關(guān)鍵。

綜合以上所述的大體積混凝土裂縫成因分析，總結(jié)主要原因是由于混凝土的內(nèi)部和外部溫度差及溫度引起變形造成的。因此，防止混凝土裂縫生成的關(guān)鍵措施就是控制混凝土內(nèi)部和外部的溫度差。此外混凝土裂縫還受內(nèi)部和外部相關(guān)約束條件、外界環(huán)境氣溫變化及混凝土自身收縮變形的影響。

3 大體積混凝土裂縫問題控制

3.1 水泥品種及用量把控

大體積混凝土施工中，水泥水熱化反應(yīng)會帶來較大熱量，形成較大溫差和應(yīng)力變化，最后生成裂縫。所以在大體積混凝土施工中，要注重水泥品種的科學(xué)選擇，有效控制發(fā)熱量，降低水熱化反應(yīng)速率。在研究水泥材料時發(fā)現(xiàn)，水泥內(nèi)部礦物質(zhì)成分決定其放熱情況與速度。如氯酸三鈣能夠快速產(chǎn)生熱量，且溫度較高，而硅酸三鈣、硅酸二鈣和鐵鋁酸四鈣產(chǎn)生熱量的速度相對較慢。另外，水泥細(xì)度也將決定發(fā)熱速度。所以在水泥品種選擇上，要做到科學(xué)比對，減少發(fā)熱。目前常用的水泥品種以礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥為主，發(fā)熱速率低，不容易出現(xiàn)水熱化反應(yīng)，而水泥用量則需結(jié)合實(shí)際需求科學(xué)計算和調(diào)配。

3.2 外加劑的使用

為提高大體積混凝土質(zhì)量，在材料配置上通常會通過外加劑的適量添加，以優(yōu)化混凝土的性能，增大密實(shí)度，減少水泥用量，控制收縮值。常用的外加劑以粉煤灰為主，摻入量要根據(jù)實(shí)際情況加以確定。

3.3 骨料控制

大體積混凝土施工中骨料多是以粗粒徑骨料為主，目的是控制混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙率，縮小表面積，減少在散熱過程中產(chǎn)生收縮裂縫。

3.4 施工方面控制

(1)大體積混凝土澆筑過程可采取分塊分層次的方式，降低澆筑速度、減小澆筑層厚度，有效使?jié)仓用孢^程中散熱，進(jìn)行施工工序合理安排，避免溫差過大情況。

(2)施工現(xiàn)場需對混凝土的水膠比及坍落度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并確保振搗質(zhì)量，不應(yīng)在雨水天氣澆筑混凝土，提高混凝土的澆筑質(zhì)量。

(3)根據(jù)施工季節(jié)不同，施工現(xiàn)場采取的溫控措施也應(yīng)不同。在夏季施工時，盡可能安排在早、晚或夜間等溫度較低的時間段澆筑。同時可根據(jù)澆筑溫度要求，可采取混凝土加冰進(jìn)行拌和、冷卻骨料，布置降溫管通冷水進(jìn)行冷卻等措施。在冬季施工時，應(yīng)盡可能避開最低溫度時段施工，可采取蓄熱法或暖棚法等澆筑措施。

(4)施工過程中需注意混凝土的保溫保濕要求，為減小內(nèi)外溫差可采取蓄水法或覆蓋法。夏季時可蓄水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，由于夏季溫度較高，蓄水養(yǎng)護(hù)時間要長，不然混凝土突然脫離蓄水養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，加上外界環(huán)境高溫，很容易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生更多的裂縫；冬季時則需注重混凝土保溫養(yǎng)護(hù)工作，一般可采用保溫模板，或利用其他隔熱材料保持溫度。

4 裂縫的檢查與處理

大體積混凝土裂縫問題主要以表面、深層和貫穿裂縫這三種為主。橋梁出現(xiàn)裂縫時，應(yīng)對裂縫寬度、深度進(jìn)行確認(rèn)，可采用取芯方法、結(jié)合尺子及裂縫寬度檢測儀器進(jìn)行確認(rèn)分類。《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，裂縫≤0.15mm時可不作處理，為確保橋梁的使用壽命及砼的耐久性，對橋梁所出現(xiàn)縫寬≤0.15mm裂縫可采用封閉膠封閉處理。

4.1 封閉膠修補(bǔ)流程(圖1)

圖1

(1)利用酒精燈有機(jī)溶劑對封閉空間內(nèi)的裂縫實(shí)施清潔處理，以達(dá)到增強(qiáng)混凝土干燥性的效果。

(2)拌合好的封閉膠直接涂抹在表面裂縫位置，涂抹要均勻，以達(dá)到封閉表面裂縫的效果。

(3)封縫膠在涂抹過程中，注重寬度和厚度的合理性，過薄或過厚均會對處理效果產(chǎn)生影響。通常情況下，寬度控制在2cm～3cm，厚度控制在2mm。

4.2 對縫寬>0.15mm裂縫，采取畢可法灌漿封閉處理

(1)畢可法灌漿封閉施工流程(圖2)

圖2

(2)畢可法處理所需材料：該方法使用中，需要配備灌漿材料，檢查材料的粘結(jié)性、滲透性和柔韌性，其中粘結(jié)性要在最低標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，以保證材料使用中不存在較大的收縮現(xiàn)象，確?；炷恋姆€(wěn)定性和強(qiáng)度。灌漿材料安全性能指標(biāo)如表1所示。

表1 灌漿材料安全性能指標(biāo)表

(3)具體應(yīng)用

一是利用鋼絲刷及小型機(jī)械吸塵器進(jìn)行裂縫清理，將其中的雜質(zhì)、灰塵清除干凈。同時沿裂縫兩側(cè)約5cm范圍的混凝土表面也要清理清除。

二是結(jié)合裂縫寬度和深度，確定灌膠底座間距與位置，做好灌膠嘴的安裝。之后按照縫窄宜密、縫寬可稀的方式加以處理，并在每個裂縫處預(yù)留至少有一個進(jìn)漿孔和排氣孔。

注漿嘴間距參考如表2所示。

表2 注漿嘴間距參考表

三是按照標(biāo)注位置將灌膠底座安裝在裂縫表面位置上，利用封縫膠完成封堵。裂縫封堵完成并養(yǎng)護(hù)12h后，每條裂縫都要進(jìn)行試漏實(shí)驗(yàn)，可采取將肥皂水涂抹在封閉裂縫上的方式進(jìn)行，之后封堵注漿嘴，留一個嘴進(jìn)行壓氣，如封閉裂縫處出現(xiàn)冒泡等現(xiàn)象則說明裂縫封閉不嚴(yán)、需重新進(jìn)行封堵，如未出現(xiàn)則符合要求、可進(jìn)行下一道工序。

四是在灌封膠混合均勻且質(zhì)量合格后，注入到專用的注射器或泵壓器內(nèi)，之后將注膠嘴與設(shè)備連接起來，利用注膠嘴在加壓狀態(tài)下完成灌注，直到灌注高度達(dá)到限高位置后停止。灌漿作業(yè)操作前應(yīng)注意檢查注射器或泵壓器等器具質(zhì)量，確認(rèn)能正常使用后方可進(jìn)行。

五是對于裂縫寬度較大區(qū)域，要先注入灌封膠，這時注入的灌封膠粘度要低，之后再灌注粘度較高的材料，直到限高位置停止。灌注時應(yīng)遵循自上而下，從一端到另一端的順序要求。

六是灌縫完成后開展養(yǎng)護(hù)工作，養(yǎng)護(hù)時間以一晝夜為準(zhǔn)，直到材料膠固化。如果外界溫度過低，養(yǎng)護(hù)時間可適當(dāng)延長，結(jié)束后將周邊圍繞的殘渣清除干凈，保證表面的美觀性。

4.3 施工作業(yè)注意事項

(1)進(jìn)行灌膠作業(yè)前需要處理裂縫，清理干凈裂縫表面的灰塵、浮渣及松散層等污物，將裂縫兩側(cè)20mm～30mm范圍內(nèi)用有機(jī)溶劑擦洗干凈、并保持干燥。

(2)灌膠機(jī)具、器具及管子在灌漿前需進(jìn)行檢查、檢查合格后方可進(jìn)行使用。

(3)灌膠作業(yè)前所有參與作業(yè)的人員均需進(jìn)行全面技術(shù)培訓(xùn)或交底，確保所有操作人員清楚知道各自操作工序的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝和質(zhì)量要求。

(4)針對發(fā)現(xiàn)的裂縫需先進(jìn)行裂縫情況數(shù)據(jù)收集、裂縫分析后再確認(rèn)裂縫處理方案，處理過程及處理后需對全過程各相關(guān)情況及數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總、建立有關(guān)臺賬。

4.4 實(shí)驗(yàn)檢測及驗(yàn)證

(1)箱梁裂縫經(jīng)注漿處理后，重新對裂縫區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測，以驗(yàn)證注漿后裂縫部位混凝土的密實(shí)性是否滿足設(shè)計要求。

(2)通過橋梁的動、靜載加載試驗(yàn)，采用裂縫測寬儀檢測箱梁裂縫有無發(fā)展現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

橋梁工程中大體積混凝土裂縫問題的出現(xiàn)較為頻繁，對工程質(zhì)量和安全帶來了較大影響，如影響橋梁的安全性、影響其使用功能的發(fā)揮，也縮短了橋梁的使用壽命。對此，橋梁工程各參加單位及參與人員就應(yīng)加大裂縫防治力度，制定科學(xué)的解決措施，做好裂縫的檢查與處理，最大程度地減弱裂縫影響，以此優(yōu)化工程質(zhì)量，保證橋梁的正常使用功能。鑒于后期很難修復(fù)橋梁工程發(fā)生裂縫產(chǎn)生的質(zhì)量影響，所以關(guān)鍵在于施工事前控制，大體積混凝土施工時應(yīng)進(jìn)行專項施工方案編制、并經(jīng)各單位審批通過后方可實(shí)施，實(shí)施過程嚴(yán)格按方案要求進(jìn)行控制、確保各項管理措施落實(shí)到位，以保證橋梁工程大體積混凝土施工的質(zhì)量。