900 t鐵路預制箱梁混凝土裂縫控制技術

何志軍，郭萬中

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 400042）

0 引言

京滬高鐵是我國《中長期鐵路規劃網》中“四縱四橫”客運專線的南北向主骨架之一，正線運營長度1308.598 km，設計最高行駛速度380 km/h，主體結構設計使用壽命100 a，是中國第一條真正意義上的高速鐵路。它的建設對形成具有中國自主知識產權的高速鐵路技術體系，促進我國鐵路裝備工業的振興，優化調整產業結構起到龍頭作用，具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。

某梁場共制造747孔雙線簡支箱梁，其中32m標準箱梁694孔，24m標準箱梁53孔。單孔箱梁斷面設計為單箱單室等高截面，梁端頂板、底板及腹板局部向內側加厚型式，32m梁全長32.6m，頂寬12.0m，底寬5.5m，腹板、底板、頂板最大厚度為1.05m、0.7m、0.61m，梁體截面中心高3.05m，梁重達836.8 t。梁體混凝土強度等級設計為C50高性能混凝土，耐久性指標要求高[1]。為了充分發揮箱梁混凝土抗拉強度，增強混凝土的抗裂性并滿足抗滲性、抗凍性要求，必須消除箱梁混凝土表面的裂縫，尤其是箱梁梁端頭、頂面和預留孔周圍混凝土表面裂縫[2]。

1 裂縫成因

預制箱梁混凝土表面出現裂縫情況從設計缺陷、混凝土原材料、混凝土配合比、澆筑工藝、施工溫度、濕度、張拉工藝、臺座沉降等方面進行剖析，繪制出因果分析圖見圖1。

根據因果分析圖，通過調查分析，現場驗證，現場檢測，現場試驗，認為預制箱梁端頭、頂面和預留孔周圍混凝土表面裂縫主要原因如下。

1.1 設計缺陷

箱梁端頭鋼筋布置不合理，保護層過大，預留孔處沒有加強鋼筋，應力過分集中。

1.2 混凝土原材料

1.2.1 水泥

水泥安定性不良，水泥中f-CaO超標。超量的f-CaO與水泥漿體中的Ca（OH）2發生急劇反應，生成鈣礬石等礦物，體積成倍增長，向外擴張，產生裂縫；這就是常說的水泥安定性不良引起的破壞作用[3]。水泥熟料中的C3A收縮為C3S和C2S收縮的3倍，為C4AF收縮的4.5倍，C3A含量越大水泥的收縮越大；比表面積越大（細度越細），同等條件下，混凝土自收縮越大，單位體積混凝土產生的水化熱較大，混凝土結構內外溫差較大；水泥中K2O和Na2O等堿含量過高，會發生堿-骨料反應，使混凝土急劇膨脹而開裂。

1.2.2 骨料

砂、石料中含泥量或含粉量過大，大大降低水泥漿與骨料間的黏結力，易產生收縮裂縫；骨料級配過差，影響混凝土內膠結力[3]。骨料若為活性骨料，極易產生堿-骨料反應導致混凝土出現裂縫。骨料彈性模量過大，導致混凝土彈性模量較大，同等條件下溫度變化時，產生的溫度應力就較大。

1.2.3 摻和料

粉煤灰摻量和礦粉細度，礦粉越細，活性越高，水化收縮量和自收縮量越大，混凝土越易出現裂縫[3]。試驗數據表明：低水膠比混凝土的自收縮隨著粉煤灰摻量的增加而減小。

1.3 混凝土配合比設計

混凝土配合比水膠比越小，在同等條件下混凝土越密實，其內部水分遷移較困難，在外界無水分補充時，內部相對濕度降低較快，則自收縮較顯著，易出現裂縫。同等條件下，單位體積混凝土中膠凝材料用量大，則硬化后的收縮和徐變就越大。單位體積混凝土中堿含量不能過大，否則易發生堿-骨料反應產生裂縫。

1.4 混凝土施工工藝

1）澆筑頂板時，人、機械和施工工具承壓頂板鋼筋，使上層鋼筋變形下沉，致受負彎矩的鋼筋保護層加厚，構件有效高度減小，產生與受力鋼筋垂直方向的裂縫。

2）混凝土振搗不密實，不均勻，出現的麻面、蜂窩等缺陷極易形成荷載裂縫的起源點。

3）混凝土流動性較低，澆筑過快，在水泥漿硬化前振搗不足，硬化后沉實過大，在澆筑后產生塑性裂縫。

4）混凝土分層或分段澆筑時，接頭部位處理不好，在新舊混凝土或施工縫間產生裂縫。

5）施工模板剛度太小，在澆筑混凝土時，因側壓力作用使模板變形，產生與模板變形一致的裂縫。

1.5 施工溫度和濕度

1）澆筑混凝土時，環境溫度過高導致模板、鋼筋溫度升高，混凝土入模聚集在結構內部的水化熱不易散發，造成混凝土內部溫度急劇升高，而混凝土表面散熱較快，溫度相對較低，這樣就形成較大的內外溫差，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉引力，此時混凝土抗拉強度較低，溫差產生的拉應力超過混凝土的極限抗拉強度，就會在混凝土表面產生溫度裂縫。

C50混凝土熱膨脹系數為10×10-6/℃，若混凝土內外溫差超過15℃，則溫差引起的收縮量為150×10-6，實測C50混凝土彈性模量為45 GPa，則溫差產生的拉應力為6.75MPa，超過C50混凝土自身的極限拉應力6.25MPa，混凝土表面產生裂縫[4]。

2）混凝土養護溫度、濕度不足，表面失水速度超過內部水向表面遷移的速度，造成毛細管中產生負壓，使漿體發生塑性收縮而引起表面裂縫。

3）混凝土養護停止后，在不飽和的空氣中混凝土失去內部毛細孔的吸附水而發生不可逆收縮，隨著相對濕度的降低，水泥漿體的干縮增大，經計算完全干燥的水泥漿體收縮量為4000×10-6，實測C50混凝土彈性模量為45 GPa，則溫差產生的拉應力為180MPa，遠遠超過C50混凝土自身的極限拉應力6.25MPa，混凝土表面產生裂縫[4]。

1.6 張拉工藝

預應力箱梁張拉時間過晚，由于箱梁自重較大，自重分配不均，易產生表面裂縫。

1.7 臺座沉降

制梁臺座或存梁臺座產生不均沉降，使箱梁局部混凝土受拉過大產生表面裂縫。

2 預防措施

2.1 對“設計缺陷”采取的預防措施

1）將設計圖紙中的N1鋼筋保護層由原來5mm縮小為3.5mm，即將端部5根橫向鋼筋間距由設計100mm調整為80mm，鋼筋間距變小，增大端頭混凝土的抗裂性，具體調整距離見圖2。

圖2 調整前后的端頭鋼筋分布圖（單位：mm）

2）在通風孔等預留孔處增設2層斜置的由φ12制作成型的井字型加強鋼筋，安裝時距上下層骨架面為150 mm，并與預留孔處的豎向鋼筋牢固綁扎在一起，起到分散預留孔處的應力集中，具體分布見圖3。

圖3 斜置井字型鋼筋網片布置圖（單位：mm）

3）頂板鋼筋下面架立筋數量由4個/m2調整為5個/m2，減小上層鋼筋變形，使承受負彎矩的鋼筋保護層變小，維持設計構件有效高度不變。

2.2 對“混凝土原材料質量”采取如下預防措施

2.2.1 水泥

水泥比表面積必須在300～350m2/kg之間，安定性必須合格，f-CaO含量必須小于1.0%，熟料中的C3A含量小于8.0%，堿含量小于0.6%。其技術指標見表1。

2.2.2 骨料

黃砂細度模數2.6～3.0之間，級配區為Ⅱ區，含泥量小于2%，泥塊含量小于0.1%，堿含量低不足以發生堿-碳酸鹽反應。

碎石采用二級級配，5～10mm和10～20mm兩種規格，含泥量小于0.5%，泥塊含量小于0.1%，堿含量低不足以發生堿-碳酸鹽反應，碎石彈性模量不能超過80GPa。見表1。

2.2.3 摻和料

粉煤灰摻量小于30%，礦粉比表面積400～500 m2/kg。見表1。

表1 混凝土原材料技術指標

2.3 對“混凝土配合比設計”采取的預防措施

1）C50高性能混凝土水膠比最小不低于0.2。

2）混凝土中膠凝材料用量小于500 kg/m3，大于320 kg/m3。

3）單位體積混凝土中堿含量小于3.0 kg/m3。

4）C50高性能混凝土試驗配合比見表2。

表2 預制箱梁混凝土配合比

2.4 對“混凝土施工工藝”采取的預防措施

1）底腹板混凝土澆筑速度控制在60m3/h，派1人專門負責箱梁端部、預留孔周圍混凝土的振搗，每一振點振搗延續時間為25 s左右，直到混凝土不再沉落和表面呈現浮漿為止。

2）混凝土分層或分段灌注時，其搭接長度必須大于2 m。后澆混凝土必須在先澆混凝土初凝前進行覆蓋或重疊，振搗棒應插入下層混凝土中80mm左右進行作業。

3）在考慮2臺收面機行走工況下，經驗算側模剛度，發現側模剛度不足，每5m使用 [10以托架形式進行加強。

4）施壓同條件養護試塊，當其強度值大于30MPa以上時拆除內模和端模。

2.5 對“施工溫度和濕度”采取的預防措施

1）灌筑混凝土前必須在鋼筋內埋設測溫傳感器，以隨時觀察記錄箱梁混凝土內外各部位的溫度值。以防局部溫差過高造成溫度裂縫。測溫點布置如圖4。

圖4 預制箱梁混凝土測溫點分布圖

2）混凝土澆筑采取降溫（夏季）或升溫（冬期）措施，保證混凝土入模時模板溫度在5～35℃之間，混凝土拌合物入模溫度在5～30℃之間。

3）混凝土自然養護期間，當環境溫度高于5℃，使用噴霧器對箱梁內外腹板噴水貼膜養護，箱內蓄水保濕養護，箱梁頂面灑水后使用土工布和薄膜覆蓋，箱梁外底面噴灑養護劑，灑水頻率以保證混凝土養護期間一直處于潮濕狀態為準。當環境溫度低于5℃時，箱梁表面噴涂養護劑，使用保溫帆布包裹梁體，禁止對混凝土灑水。

4）冬期施工必須采用蒸汽養護。混凝土澆筑完4h后蒸汽開始升溫，升溫速度控制在10℃/h以內，恒溫階段蒸汽溫度不能大于45℃，并且混凝土芯部溫度（兩端頭1.5m處的混凝土溫度）不能超過60℃，恒溫階段蒸養棚內須保持90%～100%的相對濕度，降溫階段降溫速度控制10℃/h以內。經試壓試塊，混凝土強度達到30MPa時停止通蒸汽，等混凝土自然冷卻后拆除蒸養棚，進入自然養護階段。

5）在養護期間（自然養護或蒸汽養護）或撤除保溫設施，保證混凝土芯部和表層、表層與環境、箱內與箱外溫差小于15℃。當環境溫度5℃≤T＜10℃時，相對濕度小于60%，自然養護時間大于21 d。當環境溫度10℃≤T＜20℃，相對濕度大于60%，自然養護時間大于14 d。當環境溫度20℃≤T時，養護時間大于7 d。在任意養護時間，若淋注于混凝土表面的養護水溫度低于混凝土表面溫度，兩者溫差不得大于15℃。

6）混凝土在冬期或炎熱季節拆模后，若氣溫產生驟然變化時，采取適當的保溫（寒季）或隔熱（夏季）措施，防止混凝土產生過大的溫差應力。

2.6 對“張拉工藝”采取的預防措施

1）箱梁預應力張拉必須分3次進行，即預張拉（混凝土強度達設計強度的60%）、初張拉（混凝土強度達設計強度的80%）、終張拉（混凝土強度達設計強度的100%，彈性模量達到設計值的100%，且混凝土齡期大于 10 d）。

2）預張拉施工時必須帶模張拉（拆除端模，松開內模螺栓，防止對梁體壓縮造成阻礙），并且在制梁臺座上盡早進行。

2.7 對“臺座不均勻沉降”采取的預防措施

1）在每個制梁臺座上設置10個永久性沉降觀測點，具體位置如圖5、圖6所示。

圖5 32m箱梁臺座沉降觀測點分布平面圖

圖6 32m箱梁臺座沉降觀測點斷面圖

2）指派測量組專人負責每個臺座沉降觀測工作。按混凝土澆筑前、后，終張拉前、后及移梁后5個階段進行觀測記錄，若發現任一階段臺座不均勻沉降且超過2mm，將采取措施進行基礎加固。

3 結語

采取上述預防措施后，有效控制了預制箱梁端頭、預留孔周圍及箱梁頂面混凝土表面裂縫，補充優化了箱梁預制方案和工藝，節約了裂縫處理成本，受到業主、監理及其它梁場高度評價，創造了良好的社會效益。

[1] 通橋（2008）2322A，時速350公里客運專線鐵路無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁（雙線）[S].

[2] [2004]120號，客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件[S].

[3] ［2005］160號，鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準[S].

[4] 吳中偉.高性能混凝土技術[M].北京：中國科技出版社，2007.