客運專線高性能混凝土裂縫控制

□文/劉寶新 劉積海 王 軍

□劉積海、王 軍/中國建筑第六工程局有限公司。

客運專線高性能混凝土裂縫控制

□文/劉寶新 劉積海 王 軍

文章通過工程實例，總結分析了使用高性能混凝土的客運專線橋梁墩臺裂縫成因并提出相應的預防措施。

客運專線；高性能混凝土；橋墩；承臺；裂縫

隨著我國鐵路客運專線的快速發展，在客觀上催生了一批新技術、新材料、新工藝、新方法。其中，高性能混凝土作為客運專線建設不可或缺的基本元素，越來越多地被廣泛應用到鐵路建設中。

哈大鐵路客運專線是我國乃至世界范圍內嚴寒地區修建的第一條設計速度為350km/h的高速鐵路，全線主體結構工程全部采用高性能混凝土，主體結構設計使用年限為100a。目前客運專線高性能混凝土于嚴寒地帶施工的工程實例較少，對混凝土耐久性的要求十分嚴格，對混凝土結構施工質量提出了更高的要求。客運專線混凝土工程涉及樁基、承臺、墩身、梁體等主要結構，其工程質量直接影響全線的使用壽命。

1 高性能混凝土裂縫控制

根據高性能混凝土的特點和產生裂縫的原因，分別從墩身、承臺的受力與裂縫的成因等方面進行分析。從力學角度看，混凝土特別是大體積混凝土開裂，主要是混凝土所承受的拉應力超過了混凝土本身抗拉強度的結果；從裂縫成因上看，最主要是溫差過大引起的，包括混凝土表面與內部溫差和混凝土與外界自然環境的溫差。因此，為有效控制混凝土裂縫必須綜合考慮提高混凝土本身抗拉強度性能和降低抗拉應力，特別是溫度應力。根據以往的施工經驗，要減少和防止高性能混凝土開裂，充分發揮其應有的高性能，應重點對高性能混凝土的原材料、配合比、施工工藝進行有效控制。

1.1 合理選用原材料

1）水泥。首先，選擇水泥時不能以強度作為唯一的指標，耐久性同樣非常重要。因為提高水泥的強度，實際上是增加水泥中的硅酸三鈣和鋁配三鈣含量并提高水泥的比表面積，這樣將導致水泥水化速率過快、水化熱大、混凝土收縮大、抗裂性下降、混凝土的微結構不良、耐久性降低。要改善混凝土的抗裂性，就要控制水泥中的硅酸三鈣和鋁配三鈣含量且水泥顆粒不能太細，混凝土早期強度越高，也越易開裂，所以要慎用早強水泥。其次，控制水泥中的堿含量，堿的影響首先表現在增加混凝土的開裂傾向，不管是否有活性骨料存在，開裂首先是由于水泥的高含堿量引起的收縮。

因此，客運專線高性能混凝土水泥的合理選用，可以有效控制高性能混凝土裂縫的產生。一方面應盡量選用低水化熱或中水化熱和堿含量較低的水泥配制混凝土，選擇適宜的礦物組成，調整水泥的細度模數，降低水化熱；另一方面在滿足設計強度要求的前提下，應盡量降低水灰比，采用適量摻加粉煤灰、外加劑的方法，充分利用混凝土的后期強度，以減少水泥用量，達到降低水化熱的目的。

2）骨料。關鍵是骨料粒徑和級配的選擇，應注意選用粒徑較大、級配較好的骨料，減小骨料的空隙率和比表面積，從而減少單位混凝土中膠凝材料的需用量，降低水泥用量，使水化熱相應降低，有效防止裂縫出現。同時，應根據東北地區砂石料石粉和泥塊含量較大的實際情況，對砂石料進行處理，用帶水源的機械振動篩對碎石進行邊沖洗邊篩分，砂子用帶循環水的絞籠沖洗，使原材料表面清潔。要嚴格控制砂石的含泥量，防止鋼筋銹蝕和“堿-集料反應”等問題，提高混凝土的握裹力和整體膠結性能，從而在一定程度上起到防止混凝土開裂的作用。

3）高性能減水劑及礦物摻和料。客運專線高性能混凝土采用聚羧酸高性能減水劑，可以降低高性能混凝土的水膠比和膠凝材料的用量并且混凝土配合比中摻入粉煤灰和礦粉各占膠凝材料總量20%，因此混凝土強度發展較慢，水化熱的產生不像普通混凝土集料中，礦渣的摻量到一定數量后，由于減少相應的水泥量，礦渣水化的速度因缺少足夠的水泥中激發物而降低，相應的水化熱和自收縮減少。

根據高性能混凝土對各種原材料的要求和原材料檢測結果，確定高性能大體積混凝土的原材料，見表1。

表1 客運專線高性能混凝土原材料

1.2 優化配合比設計

混凝土的技術性能在很大程度上是由原材料性質及相對含量決定的，混凝土配合比的優化設計是生產合格混凝土，從根本上預防混凝土開裂的關鍵環節。在混凝土原材料一定的情況下，單位水泥用量、水灰比、骨料級配、外加劑等因素對混凝土裂縫產生有著重要影響。因此，要認真做好混凝土配合比的設計與優化。

水泥用量的設計應遵循“最少量”的原則，在保證設計強度的前提下，通過選擇水泥等級、調整骨料級配以及適量摻加外加劑等措施，最大限度地減少水泥用量，降低水化熱。一般情況下，水泥等級以混凝土設計強度等級的1.5～2倍為宜。

骨料的級配設計上，宜采用粒徑5～10mm、10～20mm的石子加優質中砂多級配制，砂率宜為38%～45%，可有效減少骨料間孔隙，降低空隙率，減少膠凝材料填充縫隙用量。

合理使用外加劑，一般外加劑摻量≯水泥量的5%能有效改善混凝土性能，起到預防混凝土開裂的作用，在實際施工中可根據情況選擇使用。在不改變各種原材料配比的情況下，添加減水劑，可大幅提高混凝土的流變性及可塑性，提高其工作性能。添加緩凝劑可以延緩混凝土放熱峰值出現的時間，從而減小裂縫出現的機率并且能夠改善和易性，減少運輸過程中的坍落度損失。應用引氣劑對改善混凝土的和易性、可泵性，提高混凝土耐久性能十分有利，也能在一定程度上增強混凝土的抗裂性能。此外，在拌制混凝土時，還可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土在硬化過程中的收縮得以補償，減少混凝土的溫度應力，起到預防混凝土開裂的作用。

根據以上混凝土配合比選定的原則和確定的原材料，經試驗室多次試拌并對混凝土試塊進行了56d強度和耐久性檢測后確定的配合比見表2。

表2 客運專線高性能混凝土配合比 kg

1.3 施工工藝的控制

客運專線高性能混凝土澆筑振搗和養護不到位，同樣也會對橋梁承臺、墩身造成裂紋的產生。混凝土運輸到現場后，應盡快澆筑完畢，澆筑下料高度超過2m時應采用串筒，澆筑時要均勻下料，控制速度，防止空氣進入。應分層澆筑、分層振搗，宜采用二次振搗的方式，消除下灰快、塌落度小等原因在邊角、鋼筋密集區等處形成的空隙，使混凝土成型更加密實，提高混凝土的抗拉性能；混凝土澆筑后，必須在初凝前進行二次抹面，防止混凝土由于泌水或摻加粉煤灰可能形成的表面浮漿因溫度過高、失水過快等原因造成收縮裂縫的現象。若混凝土平面尺寸過大，在設計許可時，可以適當設置后澆縫，以減少外應力和溫度應力，同時也有利于散熱，降低混凝土的內部溫度，防止混凝土裂縫出現。

混凝土澆筑后保溫及其養護措施如果沒有保證，其表面的水分散失太快和內外溫差太大，在混凝土的強度不足以抵抗因干燥和溫差收縮而產生的拉應力時，混凝土表面將出現裂紋。在實際施工中，承臺、墩身混凝土拆模后的2～6h，包裹新型可控高分子節水保溫養護膜，養護膜具有熱容大、保溫效果好和節水等優點，養護期間混凝土表面總能保持濕潤，養護時膜內溫度比環境溫度高出4～20℃，有利于混凝土提高早期強度并能有效平緩晝夜溫差，減少和抵制微細裂紋的產生；一個養護周期內只需澆水一次，用水量與土工布、麻袋、草簾等傳統養護材料相比，節水率達95%以上。養護后的混凝土表面平整、無浮砂，著色顏色呈青灰色，耐磨性好。

盡量不在大風和氣溫突變的天氣拆模，不在混凝土內部開始降溫以前與混凝土內部溫度最高時拆模。

2 高性能混凝土溫度內部實測

現場埋設溫度傳感器定時測溫，掌握混凝土內部溫度變化情況。通過測溫將混凝土深度方向的溫度梯度控制在規范允許范圍以內；由于對混凝土內部溫度各關鍵部位溫差等精確掌握，改善施工操作工藝，有效控制溫度裂縫的出現。

2.1 測溫設備選用及配置

大體積高性能混凝土現場測溫儀器使用現場定時測溫記錄儀。自動測溫時間間隔60min，精度為0.1℃；采用7個測溫傳感器分別記錄大體積高性能混凝土不同部位的混凝土溫度與環境溫度。

2.2 測點位布置

1）根據大體積混凝土的平面形狀、厚度尺寸布點，在中心、邊角等代表性部位布點。在保證能全面反映混凝土內部各點溫度的情況下，做到盡量減少布點數。哈大鐵路客運專線所測承臺布點7處，見圖1。

2）測點位布置在混凝土澆筑前進行。當承臺鋼筋綁扎完成，進行鋼筋驗收前，可開始進行布點施工。用1根φ14mm鋼筋，其長度為澆筑層厚度+20cm，將溫度傳感器用膠布固定于鋼筋上的各不同位置處，然后小心將每根鋼筋與底板鋼筋網綁扎牢，布點結束后，檢查各傳感器外觀是否完好，如有損壞，應立即更換。

3）測溫儀器安放。在承臺混凝土澆筑前將配置好的現場定時測溫記錄儀安放到現場，各傳感器的導線插入記錄儀；當承臺混凝土澆筑開始時將測溫儀啟動，查看各傳感器導線連結是否正常，查看記錄儀顯示時間是否正常，要注意做好防雨措施。

4）定期檢查。安排專人定時去現場檢查儀器運行是否正常，在測溫記錄儀內存滿時，及時將數據用轉存器或筆記本電腦轉存到現場定時測溫記錄儀軟件中。

5）數據輸出。每天打印溫度記錄表，及時撐握承臺各部位內部溫度，了解承臺芯部溫度與表面溫度的上升與下降全過程，測溫結束后打印測溫記錄全過程的溫度變化曲線。

2.3 現場測溫結果

根據試驗承臺測溫結果看，混凝土芯部及表層溫度在混凝土澆筑完成96h時混凝土溫度達到峰值，芯部最高溫度達到47.9℃，對應的表層溫度達27.9℃，對應芯表溫差為20℃、表層與環境溫差為2.9℃。

從測溫曲線分析，應特別加強混凝土在40h段與150h的保溫措施。96h后芯部溫度開始緩慢下降，降溫速度保持在1.5℃/h以內。測溫曲線上升與下降過程平穩，總體呈現規則性變化，見圖2。

由圖2可知，通過合理優化配合比設計，加強施工工藝的監控，大體積混凝土施工在不埋設降溫管的情況下，芯部溫度未超過65℃，芯部最高溫度與表層溫度差在20℃以內，滿足施工規范要求。在40、150h時應特別加強混凝土的保溫措施，承臺芯部混凝土與表層混凝土之間的溫差、表層混凝土與環境之間的溫差＞20℃時不宜拆模。現有的溫度控制措施能滿足驗標中對溫度控制的要求。

通過采取以上措施，本次大體積混凝土養護溫度監控的代表性結構試驗點，混凝土表面沒有發生任何開裂現象。

3 結語

通過以上分析和實踐證明，選用滿足要求的原材料，合理優化配合比和進行良好的施工養護，能夠有效地控制客運專線高性能混凝土裂紋的產生。

[1]郭小平，吳 浪.混凝土常見裂縫成因及防治措施[J].廣東建材，2008，（12）：44-46.

[2]楊益兵.混凝土溫度裂縫和干縮裂縫的成因及控制[J].江蘇建材，2008，（4）：45-47.

TU755

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1008-3197（2011）06-34-03

2011-07-13

劉寶新/男，1973年出生，高級工程師，中國建筑第六工程局有限公司，從事鐵路客運專線建設科研管理工作。

□劉積海、王 軍/中國建筑第六工程局有限公司。