硯瓦河大橋空心薄壁墩實心段裂縫成因分析及預(yù)防

文／周俠 核工業(yè)長沙中南建設(shè)集團(tuán)有限公司 湖南長沙 410000

引言：

由于空心薄壁墩臺施工工藝簡便、經(jīng)濟(jì)、美觀，近年來大中跨度橋梁、高等級公路、城市道路、立交橋中空心薄壁墩臺被廣泛應(yīng)用，但薄壁墩實心段位置屬于大體積混凝土，混凝土內(nèi)外溫差大，容易使薄壁墩臺實心段位置出現(xiàn)裂縫。據(jù)分析，薄壁墩臺的裂縫大多非外力引起的荷載裂縫，而是溫度變形、收縮變形等引起的變形裂縫。在混凝土硬化過程中，會導(dǎo)致鋼筋銹蝕和混凝土剝落，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的美觀和使用壽命，因此在橋梁施工中對高墩的施工監(jiān)測提出了新的要求。既要克服現(xiàn)場地形地貌和施工空間距離大的困難,又要滿足施工質(zhì)量的要求。論文基于河南省濟(jì)源至洛陽西高速公路項目硯瓦河大橋空心薄壁墩實心段開裂的具體研究,采用混凝土外部保溫消除空心薄壁墩實心段開裂現(xiàn)象可行性分析,對橋梁施工的各個重要工況進(jìn)行橋墩實心段開裂監(jiān)測。該方法能快速判定橋墩實心段的開裂情況,將大橋施工時各個工況下監(jiān)測情況進(jìn)行對比能及時發(fā)現(xiàn)問題,并采取相應(yīng)的措施,保證了高墩的安全和質(zhì)量。因此，研究這類問題是非常必要的。

1、硯瓦河大橋設(shè)計概況

該橋起訖樁號：K4+217.700～K5+065.7，橋梁上部結(jié)構(gòu)為21×40m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，全長848m，左右分幅，橋梁全寬26m，正交設(shè)置，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、空心薄壁墩、樁式臺，樁基為端承樁，樁基最深長度為17m，空心薄壁墩最高長度為70m，橋梁最高位置高度約80m，位于13號墩處。

空心薄壁墩：第12號墩、第13號墩為平面尺寸4×7m的薄壁墩，橋墩高度為70m，底部實心段高度為3m，實心段混凝土體積為84m，混凝土強(qiáng)度為C40，薄壁墩凈保護(hù)層為5.21cm(距主筋鋼筋肋)，與箍筋凈保護(hù)層不得小于3cm，如按主筋中心計算保護(hù)層為7cm。

2、薄壁墩混凝土現(xiàn)場施工情況

硯瓦河大橋13#墩右幅空心薄壁墩（以下簡稱13#右），采用滑模施工工藝，實心段澆筑時間為2017年9月28日，混凝土澆筑完成后立即采用塑料薄膜曬水覆蓋養(yǎng)生，至質(zhì)監(jiān)站10月23日工地巡查時，揭開養(yǎng)生塑料薄膜后，發(fā)現(xiàn)13#右空心薄壁墩的實心段混凝土表面存在豎向開裂現(xiàn)象，開裂位置均位于薄壁墩兩長邊側(cè)面，北側(cè)面裂縫距墩左邊線約3.37m，裂縫長度約2.2m，南側(cè)面裂縫距墩左邊線3.8m，裂縫長度約2.0m，隨后根據(jù)業(yè)主、總監(jiān)辦、駐地辦要求，我項目部采用專業(yè)儀器（北京智博ZBL-F101）對裂縫進(jìn)行動態(tài)的觀測。

硯瓦河大橋12#墩右幅空心薄壁墩（以下簡稱12#右），采用翻模施工，實心段澆筑時間為2017年11月19日，拆模時間11月25日，拆模后用毛氈和土工布包裹，白天中午氣溫高時，采用淋水養(yǎng)護(hù)，淋水3～4天后，因氣溫較低不宜澆水遂停止僅用土工布和毛氈包裹?，F(xiàn)場施工員在拆模時其已對12#墩右幅進(jìn)行仔細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)薄壁墩有開裂現(xiàn)象，12月17日試驗室人員對該墩回彈強(qiáng)度時方揭開毛氈和土工布后，發(fā)現(xiàn)南北長邊面有豎向開裂現(xiàn)象（詳見圖1），開裂位置北側(cè)面距墩左邊線3.15m，裂縫長度2.12m，南側(cè)面距墩左邊線3.15m，裂縫長度1.92m。

圖1 空心薄壁墩南北側(cè)面示意圖

硯瓦河大橋12#墩左幅空心薄壁墩（以下簡稱12#左），采用翻模施工，實心段澆筑時間為2017年11月23日，拆模時間12月20日，豎向裂縫在南側(cè)長邊側(cè)面，距該墩左邊線約3.25m，裂縫長度2.31m。

3、裂縫觀測情況及分析

3.1 裂縫情況

（1）13#右空心薄壁墩：動態(tài)觀測進(jìn)行了2次，分別在2017年11月29日、2017年12月30日。

情況如下：北側(cè)面裂縫寬度為0.4-1.5mm之間，平均約1.0mm，大部分開裂深度均小于保護(hù)層厚度，僅有兩個測點(diǎn)位置開裂深度較深，即距承臺頂面高約0.83m與1.2m處（兩測點(diǎn)相鄰）深度較深，深度分別為7.5～8.0cm、7.3～8.2cm，裂縫整體平均深度為5.7cm。南側(cè)面裂縫寬度0.2～1.0mm，平均寬度約為0.6mm，僅有距承臺頂56cm高處裂縫深度較深，深度在7.8～8.1cm，裂縫整體平均深度為4.5cm（詳見表1、表2）。

表1 2017-11-29日裂縫觀測記錄表

表2 2017-12-30日裂縫觀測記錄表

（2）12#右空心薄壁墩：動態(tài)觀測2次，分別在2017年12月18日、2018年1月3日。

情況如下：北側(cè)面裂縫寬度為0.3～0.8mm之間，平均約0.5mm，5個測點(diǎn)中，即距承臺頂面高約1.03m與1.3m處（兩測點(diǎn)相鄰）深度較深，深度分別為7.5～7.9cm、5.5～6.2cm，裂縫整體平均深度為4.6cm。南側(cè)面裂縫寬度0.4～0.6mm，平均寬度約為0.5mm，觀測點(diǎn)4個，距承臺頂0.22m及1.63m高處裂縫深度較深（超過凈保護(hù)層），深度分別為6.2～6.4cm、7.0～7.5cm，裂縫整體平均深度為5.5cm（詳見表3、表4）。

表3 2017-12-18日裂縫觀測記錄表

表4 2018-01-03日裂縫觀測記錄表

（3）12#左空心薄壁墩：動態(tài)觀測2次，分別在12月25日、2018年1月3日。

情況如下：北側(cè)未發(fā)現(xiàn)裂縫，南側(cè)裂縫寬度為0.2～0.4mm之間，平均約0.3mm，4個測點(diǎn)位置所測裂縫深度均未超過凈保護(hù)層厚度，最深位置距承臺頂1.09m處，深度為4.3～4.4cm，其余位置裂縫深度均不超過1.5cm，裂縫整體平均深度為1.9cm（詳見表5、表6）。

表5 2018-12-25日裂縫觀測記錄表

表6 2018-01-03日裂縫觀測記錄表

3.2 情況分析

（1）從目前施工的這3個空心薄壁墩情況看，裂縫均發(fā)育在實心段（大體積混凝土）位置，可以初步判斷為溫度裂縫。

（2）混凝土表面因內(nèi)外溫差引起的表面應(yīng)力最大的位置理論上應(yīng)位于長邊一側(cè)（因為混凝土的尺寸越大，其總變形量越大，導(dǎo)致混凝土表面拉應(yīng)力越大）中心線上（沿短邊方向開裂），拉應(yīng)力往混凝土表面兩側(cè)逐漸擴(kuò)散減小，根據(jù)現(xiàn)場對裂縫發(fā)育的位置看，其位置臨近薄壁墩長邊側(cè)面的豎向中心線附近，可以看出該位置基本位于混凝土內(nèi)外溫差引起混凝土表面拉應(yīng)力最大的位置，應(yīng)可以明確判定為溫差裂縫。

（3）從觀測數(shù)據(jù)看，裂縫平均深度基本與凈保護(hù)層厚度相近，個別位置裂縫深度值略超過鋼筋主筋中心線，這說明鋼筋已經(jīng)對裂縫發(fā)育具有了很強(qiáng)的束縛作用，阻止裂縫進(jìn)一步向混凝土內(nèi)部延伸，此種裂縫屬表面裂縫。

（4）從觀測的時間順序上看裂縫發(fā)育情況，未發(fā)現(xiàn)有明顯的跡象表明混凝土裂縫深度及寬度有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，最后一次觀測時間距空心薄壁墩實心段混凝土澆筑時間13#右墩、12#右（左）墩分別已經(jīng)過去93d、36（32）d，混凝土的內(nèi)外溫差應(yīng)已經(jīng)趨于一致，溫度裂縫繼續(xù)發(fā)育的條件已不復(fù)存在，可以斷定裂縫基本穩(wěn)定。

4、僅采用混凝土外部保溫消除薄壁墩實心段開裂現(xiàn)象可行性分析

實心段混凝土體積大，如果僅采用外包保溫不采取措施降低混凝土內(nèi)部溫度，隨著混凝土外表溫度升高，向外散熱效果變差，混凝土內(nèi)部溫度也會相應(yīng)上升，因此僅依靠外部保溫不能有效地減小內(nèi)外溫度。

翻模施工工藝要求：剛澆筑的混凝土模板必須等上一節(jié)混凝土澆筑后達(dá)到一定強(qiáng)度后方可拆模，這期間需要5-7d時間，外側(cè)模板上有操作平臺，無法對混凝土進(jìn)行包裹保溫。

尤其是臨近冬季，即使混凝土澆筑后，外部全部包裹并通蒸汽養(yǎng)護(hù)也是不可行的，原因:以目前我標(biāo)段施工設(shè)備水平，蒸汽養(yǎng)護(hù)的溫度只能保證在16-22℃范圍內(nèi)，此溫度不能有效保證實心段澆筑后不開裂，證據(jù)是13#墩右幅在9月底澆筑，外部溫度應(yīng)高于16～22℃，但仍存在內(nèi)外溫差裂縫。

綜上所述，有效地減緩混凝土內(nèi)外溫差最有效的辦法是降低混凝土內(nèi)部溫度，外部保溫只能是輔助手段。

5、與其他橋梁的薄壁墩實心段裂縫發(fā)育情況對比

近期我們對相鄰標(biāo)段及本標(biāo)的其他橋梁薄壁墩實心段裂縫發(fā)育進(jìn)行了調(diào)查，詳情況見下：

（1）本標(biāo)段內(nèi)祖師廟大橋，已經(jīng)施工的薄壁墩平面尺寸為3×7m，實心段高度為2m，實心段混凝土體積42m，未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

（2）濟(jì)洛西高速土建3標(biāo)（鄰標(biāo)段）目前施工的薄壁墩為3×7m，實心段高度為2m，實心段混凝土體積42m3，未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

（3）濟(jì)陽高速土建一標(biāo)（鄰項目）施工的最大薄壁墩尺寸為3.5m×6.25m，實心段高度為2m，實心段混凝土體積43.75m，混凝土體積未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

6、針對薄壁墩開裂現(xiàn)象擬采取的措施

（1）薄壁墩實心段（平面尺寸4＊7m，實心段高3m）混凝土體積較大，實心段澆筑后混凝土體內(nèi)外溫差大，必須對混凝土內(nèi)部溫度采取降溫措施，因此建議對大體積空心薄壁墩（平面尺寸4＊7m，實心段高3m）的實心段位置增設(shè)降溫管。

（2）根據(jù)上述裂縫觀察數(shù)據(jù)表明鋼筋對裂縫的發(fā)育具有很強(qiáng)的束縛作用，可以阻止裂縫進(jìn)一步向混凝土內(nèi)部延伸。建議在易開裂的薄壁墩實心段位置長邊側(cè)（南北兩側(cè)）一定范圍內(nèi)敷設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片敷設(shè)在鋼筋主筋外側(cè)。

（3）對已經(jīng)施工完成的薄壁墩實心段裂縫采取壓力改性環(huán)氧化學(xué)灌漿法處理，壓漿液由環(huán)氧樹脂、改性液及三乙烯三胺組成，在催化劑作用下相分離而呈海島狀態(tài)結(jié)構(gòu)，具有橡膠相改性環(huán)氧樹脂效果，它可灌性好，粘度低，強(qiáng)度高，使用方便。特別適合于灌注細(xì)裂縫。具體步驟：表面用鋼絲刷刷干凈，并吹去浮塵；粘貼進(jìn)漿嘴，間隔300-500mm一個；用速凝膠封閉裂縫；配漿；壓力灌漿至與進(jìn)漿嘴相鄰的進(jìn)漿口冒漿為止，關(guān)閉冷閥門停止進(jìn)漿，并迅速用堵頭封住進(jìn)漿口，依次逐段壓漿完成；復(fù)原，等72h后打掉進(jìn)漿嘴，鏟去混凝土面上的膠泥。

結(jié)語：

硯瓦河大橋12#、13#墩，空心薄壁墩平面尺寸為4×7m，實心段高3m，混凝土體積為84m，比上述橋梁薄壁墩實心段的混凝土數(shù)量有大幅增加，相同施工條件下，內(nèi)外溫差會更大，該墩實心段也未設(shè)置降溫管，大大增加了混凝土開裂的風(fēng)險，本標(biāo)段祖師廟大橋空心薄壁墩施工方案、設(shè)備與養(yǎng)護(hù)方式均與硯瓦河大橋基本一致，可排除施工因素導(dǎo)致開裂，應(yīng)確定硯瓦河大橋12#、13#空心薄壁墩實心段長邊側(cè)面豎向裂縫為內(nèi)外溫差引起的表面裂縫。