高速鐵路橋梁墩身混凝土裂縫控制技術探討

甘 小 江

(中鐵隧道集團四處有限公司，廣西 南寧 530007)

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高速鐵路橋梁墩身混凝土裂縫控制技術探討

甘 小 江

(中鐵隧道集團四處有限公司，廣西 南寧 530007)

以某高速鐵路橋梁墩身施工為例，主要從外力荷載、地質條件、原材料、施工工藝等方面，對裂縫的成因進行了分析，并采取了相應的預防和控制措施，以避免高速鐵路橋梁墩身混凝土裂縫的產生。

高速鐵路，墩身，混凝土，裂縫成因

0 引言

隨著高速鐵路的迅速發展，以及山區鐵路修建復雜橋梁工程不斷出現，大承臺、高墩柱等大體積混凝土的應用越來越廣泛。但是，墩身大體積混凝土裂縫是一直困擾著橋梁工程技術人員的技術難題，許多橋梁墩身混凝土在施工過程中出現了不同程度、不同形式的裂縫[1]，其成因復雜、繁多，有時多種因素相互影響。盡管在施工中也采取了各種措施但裂縫仍然時有出現，有些還造成了無法估量的損失。為了減少和控制裂縫的出現，降低經濟損失，本文依托某高速鐵路橋梁工程墩身大體積混凝土施工，對裂縫的成因、采取的措施等進行探討。

1 工程概況

新建某高速鐵路正線數目為雙線，設計速度350 km/h，線間距5 m，軌道結構形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，主體結構設計使用年限100年。橋梁工程采用鉆孔樁+承臺基礎，墩柱高30 m以內采用圓端形實體墩，上部結構以預制簡支梁為主，上跨鐵路、公路時采用懸臂灌注連續梁。圓端形實體墩柱厚度2 m～3.9 m，高度5.5 m～20 m，混凝土強度等級為C35或C40，其位于縱向兩側墩身中心線處各設一寬20 cm、深20 cm的凹槽，凹槽全墩高設置。施工中墩身澆筑脫模時或脫模后1 d內在凹槽處出現豎向裂縫，連續或間斷沿墩柱方向延伸，寬度為0 mm～0.4 mm不等。

2 裂縫成因分析

2.1 地質條件引起

墩身基礎地質變形產生不均勻沉降或水平位移，可以造成墩身混凝土產生附加應力而出現裂縫。根據現場對承臺、墩身的沉降觀測結果分析，基礎無不均勻沉降和水平位移情況，故排除因地質不均勻變形引起裂縫。

2.2 外加荷載產生

墩身施工后由于存在外加荷載如外力撞擊、地震、爆破等外力沖擊作用引起的混凝土開裂，從現場墩身施工過程中，在裂縫出現時并無任何的外力作用，因此非因外加荷載而產生的裂縫。

2.3 混凝土凍脹原因

當混凝土在已吸水飽和，氣溫低于0 ℃情況下會發生冰凍，混凝土中游離的水會凍結成冰，其體積會增大9%[2]，導致混凝土內部產生膨脹應力引起開裂。本項目橋梁墩身從2016年5月份開始陸續灌注，施工的墩身均處于夏季期作業，不存在混凝土冰凍膨脹條件，可排除此項因素。

2.4 墩身鋼筋銹蝕引起

鋼筋銹蝕后其體積將大大超過原體積，使鋼筋位置處的混凝土受到內壓力而產生裂縫，并隨之剝落。本項目所處地理環境未屬于腐蝕環境，且墩身鋼筋在加工廠房統一堆放、加工，運至作業面及時安裝，并無鋼筋長期露天堆放和腐蝕造成銹蝕現象，因此可排除因鋼筋銹蝕導致裂縫產生這一因素。

2.5 結構本身設計引起

在橋梁墩身結構設計時，對于墩身結構受力的假設和受力檢算與實際情況差距過大，安全系數不夠，墩身配筋過少或布置不合理，墩身本身剛度不足等，都有可能引起裂縫。本項目所施工墩身采用的參考圖為通用圖，其墩身結構設計已經多條鐵路線證實，并無因結構設計、配筋不合理引起裂縫的案例，說明凹槽處的裂縫并非自身設計缺陷引起。墩身的結構設計不是裂縫產生的原因。

2.6 混凝土原材料質量引起

采用不合格的材料配置混凝土，如水泥安定性差、水泥出廠強度不足、砂石粒徑過小及級配不合理等均有可能導致墩身出現裂縫。本項目墩身混凝土強度等級為C35或C40，配合比采用P.O42.5水泥，C35混凝土水泥用量280 kg/m3，水膠比0.41；C40混凝土水泥用量304 kg/m3，水膠比0.38，水泥用量、水灰比配置在合理范圍內。前期所用砂石料雖存在部分河砂粒徑偏小、含泥量超標等質量不穩定現象，但通過對同期澆筑、使用同批材料而增設了冷卻管的承臺大體積混凝土觀測，承臺未出現裂縫，因此本項目前期墩身混凝土材料質量不穩定因素不是裂縫形成的關鍵。

2.7 混凝土內外溫差引起

由于混凝土的導熱性能較差，其內部溫度顯著升高后，體積膨脹，而外部環境卻隨氣溫降低而冷卻收縮，混凝土內部膨脹與外部收縮這兩種作用互相抵制，使外部混凝土產生很大的拉應力，當混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種拉應力時，便開始出現裂縫。而混凝土的水泥在水化過程中放出的熱量是混凝土芯部溫度快速上升的主要因素。通過對墩身幾個循環墩身混凝土內部溫度監測，發現其第1天，第2天溫度迅速上升至峰值65 ℃～70 ℃，最高達71 ℃，芯部與混凝土表面、與環境溫度差最大達24 ℃，超過規范規定溫差不超過20 ℃范圍，墩身脫模時即發現凹槽處豎向裂縫,可以判定水化熱過高對產生裂縫起關鍵作用。且對裂縫的寬度及墩身結構尺寸進行統計分析，發現墩身結構尺寸越大相應的裂縫也越寬，表明墩身體積越大混凝土產生的水化熱越高，對裂縫的影響越大，說明混凝土水化熱引起的內外溫差過大是本項目墩身中心凹槽處產生裂縫的主要因素。

3 預防和控制裂縫措施

針對墩身裂縫成因分析確定水化熱是混凝土內外溫差過大產生裂縫的主要原因，采取以下技術措施，以預防和控制裂縫。

3.1 原材料質量控制和選用

1)水泥：在滿足混凝土強度條件下配置低升溫、低發熱的混凝土，減小水泥用量，選用低水化熱水泥，優先采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

2)骨料：混凝土受拉破壞的主要形式為水泥石與粗骨料粘結界面處的破壞，而混凝土的抗拉強度很大程度取決于水泥與骨料的粘連程度。骨料的料徑、潔凈程度、含泥量高低均是影響混凝土抗拉強度的重要因素，因此選料時采用級配、質量良好的砂石，細骨料采用細度模數Mf≥2.5的中粗砂，砂、石含泥量控制在1%以內，配以較低水灰比、適量的粉煤灰和外加劑，以減少水泥水化熱，達到減小混凝土內部拉應力的效果。

3)外加劑：混凝土在拌制過程中可適當加入一定量的減水劑、緩凝劑等，以提高混凝土的和易性，水灰比控制在0.55以下，可延長混凝土初凝時間至5 h左右。

4)混凝土配合比：降低配合比的水灰比，不僅有效降低水化熱，而且減少收縮，減少外觀弊病。但也不要盲目增加水泥用量，在施工現場，為了提高混凝土的強度，施工時經常采用強行增加水泥用量的做法，結果收縮明顯加大，水化熱增加，加大了混凝土開裂的可能性。

3.2 增設冷卻管降溫和保溫措施

大體積混凝土的顯著特點是灌注后芯部溫度迅速上升，造成內外溫差過大，通過采取“內降外保”措施可有效控制混凝土內外溫差。“內降”即是在混凝土內部增設冷卻管，混凝土澆筑初凝后不間斷循環通水降溫，并埋設測溫管以做好測溫記錄，通水時間以混凝土內部溫度降至與表面、環境溫度溫差在20 ℃以內后，并繼續通水直至芯部溫度接近環境溫度為止。冷卻管采用薄壁鋼管，鋼管層間距、橫向間距以1.0 m為宜，彎頭接管安裝牢固不脫落，混凝土澆筑前通水檢查是否存在堵塞、漏水現象，冷卻完成后及時壓漿封閉。如混凝土體積較大冷卻管一次接管距離較長，可采取多進多出的多個獨立循環單元以縮短冷卻水在管內循環時間，保證降溫效果。測溫管可采用PVC管或鋼管，測點布置在混凝土澆筑體平面對稱軸線上，并沿澆筑體厚度方向布置表面、外表、底面、中心溫度溫點，測溫時測溫計在孔內至少留置3 min。“外保”即是在外部采用薄膜、土工布等包裹材料對混凝土進行保溫，起到保濕養生目的，同時避免混凝土表面隨環境溫度起伏大而加大溫差。

3.3 其他施工工藝措施

夏季施工混凝土的入模溫度較高也可加大內外溫差，加強施工工藝和過程管控，降低混凝土入模溫度，讓其不宜高于28 ℃[3]，對降低其內部溫度也起到重要作用，如砂石料倉、拌和用水加棚加蓋避免暴曬或其他措施以冷卻骨料和水的溫度，將混凝土澆筑時間調整至晚間避開高溫時段，泵送管加鋪草包并噴水及減少循環澆筑混凝土方量以減少水化熱，均利于降低入模溫度，加強混凝土的搗固，控制混凝土保護層厚度等。混凝土脫模時間除考慮強度外還應考慮如過早拆模會引起混凝土溫度過高而表面接觸空氣時降溫過快而干裂，更不能在此時噴灑涼水養護。

4 裂縫處理方法

通過不間斷監測裂縫確認其穩定無發展趨勢后，及時封閉處理，處理方法有以下幾種：

1)表面處理法：包括表面涂抹和表面貼補法，主要用于細微、淺層裂紋。2)填充法：用修補材料直接填充于裂縫處，此方法簡單、經濟，適用于較寬裂縫，而對于寬度較小且深度較淺的裂縫，可采用V形槽填充。3)灌漿法：采用環氧樹脂，加入增塑劑、稀釋劑和固化劑等材料對裂縫進行高壓灌漿封閉，適用于較寬、深度較深的裂縫，此方法效果好，應用范圍廣。

5 結語

裂縫是橋梁工程墩身混凝土的常見通病之一，也是工程技術人員需要重點關注的質量環節，但橋墩裂縫的形成原因相當復雜，還須所有工程技術人員對其進一步的探討。在工程施工過程中加強預防和控制，落實標準化施工工藝，分析其原因，采取有針對性的防裂措施，才能有效地減少或避免混凝土的開裂。此項目通過采取增設冷卻管、保溫、調整混凝土澆筑時間等“內降外保”措施后，裂縫得到了有效控制，同時也進一步印證了水化熱是墩身裂縫產生主要原因的判斷，對類似橋梁墩身大體積混凝土施工起到一定的借鑒作用。

[1] 金衛華.混凝土橋墩裂縫分析與控制[J].西部探礦工程，2003(10):145-148.

[2] 李衛軍.混凝土橋墩裂縫的成因分析及處理方法[J].交通標準化，2012(13):150-152.

[3] 鐵建設[2010]241號,鐵路混凝土工程施工技術指南[Z].

On crack control techniques for pier concrete on expressways and bridges

Gan Xiaojiang

(FourthDivisionCo.,Ltd,ChinaRailwayTunnelGroup,Nanning530007,China)

Taking the bridge pier construction of some expressway as the example, the paper analyzes the reasons for the cracks from the loading of external forces, geological conditions, raw materials and construction craft, and adopts the respective prevention and controlling measures, so as to avoid the cracks on the bridge pier construction of expressways.

express railway, pier, concrete, crack reason

2016-11-26

甘小江(1977- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0186-03

U445.71

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