空心墩墩底實體段混凝土溫度裂縫防治措施

趙靜

摘 要：由于山區高速公路地勢陡峻，因此，在橋梁設計中根據線位情況采用空心墩跨越，為滿足橋墩的強度、剛度、穩定性等方面的要求，空心墩具有較大的截面尺寸。但是空心墩墩底為實體段，這種大體積混凝土在澆筑過程中產生的水化熱與外界環境溫度及約束的綜合作用會導致混凝土出現溫縮裂縫。這種裂縫雖然不會影響橋墩的受力能力，但為空氣、水和侵蝕介質提供了通道，加速了混凝土劣化和鋼筋銹蝕，嚴重降低結構的耐久性。因此，加強空心墩墩底實體段混凝土溫度裂縫防治尤為重要。

關鍵詞：空心墩;大體積混凝土;溫度裂縫

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）25-0100-03

Abstract： Because the mountain highway is steep， hollow piers are adopted in bridge design according to the line position. In order to meet the requirements of the strength， stiffness and stability of the piers， it has a large section size. Since the bottom of the hollow pier is a solid section， the comprehensive action of hydration heat generated in the pouring process of this mass concrete with the external environment temperature and constraints is the main reason for the occurrence of temperature shrinkage cracks in concrete. Although such cracks do not affect the bearing capacity of the piers， they provide channels for air， water and erosion media， accelerate the deterioration of concrete and steel corrosion， and seriously reduce the durability of the structure. Therefore， it is particularly important to strengthen the prevention and control of concrete temperature cracks at the bottom of hollow pier.

Keywords： hollow pier;mass concrete;temperature crack

1 研究背景

溫縮裂縫按深度的不同可分為表面裂縫、深層裂縫及貫穿裂縫三種。表面裂縫的危害性較小，但處于已硬化混凝土約束范圍內的表面裂縫在內部混凝土降溫過程中可能會發展為深層裂縫甚至貫穿裂縫。深層裂縫部分切斷了結構斷面，危害性不及貫穿裂縫嚴重。貫穿裂縫切斷了結構的斷面，可能破壞結構的整體性和穩定性，其危害是最為嚴重的。

水泥在水化過程中會產生大量的熱量，對于大體積混凝土來說，這種熱量聚集在結構內部，使內部溫度迅速升高，內部體積膨脹，此時硬化后的混凝土外表面就會開裂，后澆筑的混凝土由于受先期硬化混凝土的約束產生壓應力，但在硬化結束冷卻收縮時產生拉應力，當受壓與受拉應力積累不平衡，拉應力超過混凝土的極限拉應力時，就會導致其內部出現裂縫，甚至可能發展為結構貫通裂縫，對構件的安全影響較大。因此，應對大體積混凝土的施工進行溫度控制，使結構內部最高溫度與外表的溫度差產生的應力值控制在材料的極限應力內，避免溫縮裂縫的出現。墩底溫縮裂縫如圖1所示。

2 溫縮裂縫影響因素

溫縮裂縫形成的主要原因為溫度差。為了避免出現過大的溫差，就要從產生熱量的因素著手，即混凝土的水化熱。影響大體積混凝土水化熱的因素有很多，從結構內部分析主要有混凝土配合比、水泥品種、水泥用量、外式中，[θ]為絕熱溫升;[t]為時間;[W]為水泥用量;[q]為單位質量水泥在單位時間內放出的水化熱;[c]為質量熱容;[ρ]為密度;[Q]為單位時間內單位體積中發出的熱量。

2.1 原材料

混凝土的收縮和水化熱與水泥的品種有直接關系。不同水泥的收縮變形影響修正系數不同，收縮的主要影響因素為混凝土用水量和水泥用量，兩者含量越高，混凝土的收縮就越大。

2.2 配合比

水化熱是水泥在硬化過程中的化學反應，水化熱的多少也與水泥含量有關。在保證混凝土強度、和易性及坍落度要求的前提下，盡量地節省水泥，降低混凝土絕熱溫升。

2.3 內外環境

骨料溫度、拌和水溫度、水泥溫度是混凝土入模溫度的基礎。混凝土在運輸中的溫度及入模溫度對硬化過程水化熱的多少起關鍵性作用。澆筑后外環境氣溫的變化對結構是否干縮，溫度應力的變化至關重要。所以混凝土拌和、運輸、澆筑成形每步都要嚴格控制，盡可能地降低溫度，才能為水化熱奠定基礎。

3 防治措施

避免裂縫出現就要從降低混凝土水化熱和提高混凝土抗裂性兩方面著手。由于空心墩墩底為受力最大處，為了保證結構整體性不受影響，因此空心墩墩底不建議使用分層澆筑的方式。下面從設計、原料及配比、溫控措施、齡期差和溫縮裂縫修補方面給出溫縮裂縫的預防及處治措施。

3.1 設計

3.1.1 設置防裂鋼筋網。墩身的防裂鋼筋網可以協同混凝土共同抵抗溫度應力，改善應力分布。鋼筋的線膨脹系數（1.2×10-5 ℃-1）與混凝土的線膨脹系數（1.0×10-5 ℃-1）相差較小，但兩者的彈性模量相差約7倍[1]。配置防裂鋼筋網雖不能完全避免裂縫的出現，但是可以限制溫縮裂縫進一步擴展成深層裂縫，有效縮短縫長，減小裂縫深度和寬度。直徑細、間距小的防裂鋼筋網對提高混凝土抗裂性效果好。根據規范[2]要求，鋼筋直徑不小于6 mm，間距不大于100 mm，鋼筋網片的混凝土保護層厚度不宜小于25 mm。

3.1.2 混凝土內摻入鋼纖維。鋼纖維與鋼筋工作原理一致，與混凝土共同工作，在應力差作用下抗裂性能更高。

3.1.3 設置冷卻水管。在空心墩實體段內預埋冷卻水管，通過調節水溫、流量、水循環時間等因素間接控制結構內部的溫度，縮小結構內外部混凝土的溫度差。冷卻管采用分層方式布置，每層冷卻管呈“S”形，冷卻管間距控制在1.0～1.5 m。每層冷卻管一個進水口一個出水口，進出水管的水溫相差5～10 ℃。冷卻管布置示意圖如圖2所示。

3.1.4 風冷系統[3]。在施工位置與水源高差大、供水壓力大、水資源緊缺、生態環境要求高的條件下可采用風冷卻技術。風冷卻技術彌補了水冷卻方法使用范圍的局限性，對大體積混凝土施工技術水平的提高起到了促進作用。

3.2 原料及配比

對于大體積混凝土的原料和配合比設計，應在保證混凝土工作性、強度及耐久性的基礎上，堅持降低水化熱溫升的原則。

水泥宜選擇中、低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥。在保證混凝土各項指標滿足要求的條件下，盡量減少水泥用量。采用降低混凝土早期水化熱的外加劑和摻合料的“雙摻”技術，如緩凝劑、減水劑、膨脹劑、粉煤灰、礦渣粉等，在施工前通過實驗優化混凝土的配合比。

骨料選擇表面粗糙、棱角分明、潔凈的粗細骨料，并控制含泥量。粗骨料宜采用自然連續級配，可以減少水泥和水的用量，增強混凝土的和易性，有效控制混凝土的溫升。在條件允許下，盡量選用粒徑較大、級配良好的骨料，粒徑越大、級配越好、孔隙率越小、總表面積越小，每立方米的用水泥砂漿量和水泥用量就越小，水化熱就隨之降低。細骨料宜采用級配良好的中砂或中粗砂。同時，要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收縮變形就越大，裂縫就越嚴重。

3.3 溫控

大體積混凝土的溫控原則為“內降外保”，內部采用冷卻水管循環水冷卻，外部采用覆蓋蓄熱或熱水等保溫措施，防止干縮，使混凝土內外溫度差值不至過大，經內部循環后的水，其溫度可基本滿足外部混凝土保溫的要求，兩者溫差更均衡。

在骨料堆場搭設遮陽棚，避免陽光直射;在混凝土攪拌前，對骨料噴灑冷水降溫，但使用中要嚴格控制含水量。同時，避免在一天當中溫度較高時澆筑，澆筑過程中要采取通風等措施加快入模內混凝土溫度的散發。

澆筑后注意保溫保濕，盡量延長養護時間，減緩降溫速度和時間，延長脫模時間。

在墩底埋設一定量的測溫點，監測結構內部溫度變化，直至混凝土內部溫度趨于穩定。監測過程中，控制內部溫度不大于75 ℃，內外溫差不大于25 ℃。

澆筑完成后加強混凝土早期養護，保持溫濕條件，防治早期干縮及后期結構內外溫差過大。

3.4 齡期差

在橋墩承臺混凝土強度達到設計要求時就綁扎墩身鋼筋，立模澆筑墩底混凝土，盡量縮短承臺與墩底混凝土齡期差，使兩者形成相對柔性的變形體系，兩者后期可相對同步徐變，防止承臺灌注時間早，已形成剛性約束體，對墩身結構產生約束出現裂縫。

3.5 溫縮裂縫修補

對于空心墩墩底已經出現裂縫的，首先要檢測裂縫寬度和深度，然后根據檢測結果分析裂縫出現的根本原因。

一般情況下，溫縮裂縫的寬度均小于0.4 mm。對于這種裂縫，適合采用灌漿的方式進行修補。具體來說，利用壓力設備將膠結材料壓入混凝土的裂縫中，膠結材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而起到封堵加固的目的。常用的膠結材料有水泥漿、環氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學材料。

4 結語

空心墩墩底是橋墩受力的關鍵部位，其質量直接影響橋墩的整體質量。因此，做好空心墩墩底實體段混凝土裂縫防治工作尤為重要。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.大體積混凝土施工規范：GB 50496—2009[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2]中華人民共和國交通運輸部.公路橋涵施工技術規范：JTG/T F50—2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]郭成舉.混凝土的物理和化學[M].北京：中國鐵道出版社，2004.