混凝土裂縫防治技術(shù)在道路橋梁施工中的運用

金智軍

南通路橋工程有限公司 江蘇南通 226000

在混凝土施工期間常出現(xiàn)由混凝土干縮、地基不均勻沉降等問題引發(fā)的裂縫，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的各項力學(xué)性能。為降低混凝土裂縫問題的發(fā)生概率，需要細(xì)致分析裂縫產(chǎn)生原因，制定專項可行的裂縫問題防御對策。

1 道路橋梁工程混凝土裂縫問題原因

1.1 溫度原因

在混凝土澆筑完畢后，水泥會產(chǎn)生水化熱反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高。混凝土表面和內(nèi)部的溫差較大，受到的熱脹冷縮程度不同，會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。在表面的拉應(yīng)力超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時，會使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫。

1.2 應(yīng)力原因

在實際施工期間，混凝土相對濕度會在水泥水化作用的反應(yīng)下逐步縮減，導(dǎo)致毛細(xì)孔內(nèi)的水分不飽和并產(chǎn)生壓力差。壓力差為負(fù)值會使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)收縮情況。具備較低水灰比的高強(qiáng)度混凝土為水泥水化熱反應(yīng)提供的自由水含量較少，在混凝土結(jié)構(gòu)早期發(fā)展期間，水泥的水化反應(yīng)會不斷消耗混凝土內(nèi)部水分，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過于干燥并產(chǎn)生原始裂縫。混凝土結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力主要與混凝土材料水灰比、細(xì)摻料活性、水泥細(xì)度等存在密切關(guān)聯(lián)。

1.3 水分原因

混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，干縮裂縫通常出現(xiàn)在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的一段時間或混凝土澆筑完畢一周左右。干縮裂縫主要由混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同而引起，具有不可逆特征。混凝土受外部環(huán)境影響較大，表面水分蒸發(fā)速度較快，內(nèi)部濕度變化較小，從而會出現(xiàn)干縮裂縫問題。

干縮裂縫表面呈現(xiàn)平行線或網(wǎng)格狀細(xì)裂縫形態(tài)，寬度約為0.05～0.20 mm，在大面積混凝土中部較為常見。干縮裂縫會直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能、混凝土承載力。干縮裂縫問題的原因與水泥成分、水泥用量、集料性質(zhì)存在密切關(guān)聯(lián)。

1.4 沉降原因

混凝土結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)不勻、松軟、壓實度不夠或地基浸水會造成地基不均勻沉降，引發(fā)沉陷裂縫問題。模板剛度不夠、支撐間距過大或支撐底部松動也會導(dǎo)致沉降裂縫。沉降裂縫多為貫穿性裂縫，與地面垂直或呈30°～45°發(fā)展。較大的沉降裂縫常存在一定的錯位，裂縫的寬度與沉降量成正比，即沉降量越大裂縫寬度越寬。

2 混凝土裂縫預(yù)防對策

2.1 明確混凝土施工管控重點

通過控制混凝土結(jié)構(gòu)塑性收縮與干燥收縮，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)自身的極限抗拉強(qiáng)度。采用合理措施減少混凝土收縮期間的約束力，不斷優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)配比。加強(qiáng)混凝土施工期間的管控力度，最大限度提升混凝土材料拌和均勻。

2.2 優(yōu)化混凝土配比

在混凝土內(nèi)部適當(dāng)摻入能夠控制水化熱現(xiàn)象的礦物摻合料。在保障混凝土整體施工質(zhì)量的前提下，減少混凝土凝膠材料的用量。精準(zhǔn)計算混凝土結(jié)構(gòu)水膠比、塌落度，使混凝土塑性收縮與長期干縮問題得到緩解。在混凝土材料中適當(dāng)加入對材料各類性能影響較小的纖維物質(zhì)，增強(qiáng)混凝土自身結(jié)構(gòu)的極限抗拉強(qiáng)度。

2.3 提高混凝土材料的均勻性

提高混凝土材料的均勻性能夠有效控制混凝土裂縫問題發(fā)生概率。在混凝土材料拌合期間，加入適當(dāng)?shù)膿胶土希鰪?qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)自身的保水性能。做好混凝土材料配置與攪拌管控工作，切實提升混凝土結(jié)構(gòu)的韌度與強(qiáng)度。

2.4 做好混凝土養(yǎng)護(hù)工作

混凝土養(yǎng)護(hù)工作會直接影響混凝土裂縫開裂的控制效果，施工人員需要在原有基礎(chǔ)上加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的早期控制力度，在混凝土表面適當(dāng)噴涂養(yǎng)護(hù)劑。結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境因素，對混凝土表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋衽c保溫處理，避免混凝土表面與內(nèi)部溫度差異較大。

進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)工作時，需要確保混凝土始終處于潮濕狀態(tài)，使水化作用能夠達(dá)到最大速度。不同養(yǎng)護(hù)與維護(hù)手段可以使混凝土結(jié)構(gòu)抗裂能力得到進(jìn)一步改善，從根本上提升混凝土后期使用期間的力學(xué)性能。

2.5 延長混凝土結(jié)構(gòu)拆模時間

在混凝土結(jié)構(gòu)施工期間，避免周圍溫度較低。在氣溫小于10℃的情況下，對混凝土梁體進(jìn)行保溫與養(yǎng)護(hù)，最大限度降低溫度裂縫的發(fā)生概率。模板本身具備保溫、保濕的養(yǎng)護(hù)作用，適當(dāng)延長混凝土結(jié)構(gòu)拆模時間，避免混凝土內(nèi)部溫度與外部溫度差值較大，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度及抵抗應(yīng)力。綜合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)帶模養(yǎng)護(hù)5d 后再拆模，梁體結(jié)構(gòu)與外部溫度基本可以保持平衡狀態(tài)，從根本上管控早期裂縫的發(fā)生概率。

2.6 采用合理方式控制外部及內(nèi)部約束力

預(yù)制梁施工過程中，在拆模時間約為24～36h 的情況下，需要配合采用釋放基底臺座為約束力的方式，確保梁體結(jié)構(gòu)能夠在正常條件下自由收縮。在基底底座上部鋪設(shè)滑動層可以有效解除外部約束力。

混凝土內(nèi)部約束力主要由水泥漿及鋼筋約束作用產(chǎn)生，需要選擇收縮性較小的混凝土配合比，增強(qiáng)混凝土材料自身的和易性、保水性與整體性。混凝土梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)振動密實，可以通過配合使用各類振動裝置，增加結(jié)構(gòu)整體的勻質(zhì)密實強(qiáng)度。

3 道路橋梁工程施工中混凝土裂縫防治技術(shù)的應(yīng)用案例

3.1 道路橋梁工程混凝土施工概況

本文以某地一道路橋梁工程為例，橋梁全長340 m，梁體主要為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁寬度為13.5 m，兩側(cè)翼緣寬度為2.0 m。箱體為三箱四室結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級為C50。

依照設(shè)計要求規(guī)定，梁體結(jié)構(gòu)采用三次澆注，混凝土最大的一次澆筑量應(yīng)控制在3000m3，澆筑長度應(yīng)控制在152 m。支架采用全滿堂支架結(jié)構(gòu)，在橋梁預(yù)應(yīng)力施工完成后統(tǒng)一拆除支架。混凝土澆筑環(huán)節(jié)采用泵送方式。橋梁箱室設(shè)計底板寬度為2.37 m，混凝土澆筑期間需要著重避免離析問題出現(xiàn)。為了從根本上增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與流動性，水泥用量較大，在凝結(jié)期間會釋放大量熱量，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂問題。

在改善混凝土性能過程中，為最大限度控制水泥用量，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的可泵送性，需要在混凝土內(nèi)摻入粉煤灰，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久性下降。

橋梁工程量體全長152 m，在混凝土施工期間出現(xiàn)收縮變形量較大現(xiàn)象。澆筑環(huán)節(jié)已經(jīng)處于深秋，晝夜溫度差異較大，混凝土的伸縮量增大，在未拆模的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)極易受模型限制而出現(xiàn)開裂問題。

3.2 混凝土裂縫問題出現(xiàn)原因

（1）混凝土橋梁工程在常規(guī)靜載與動載應(yīng)力的情況下出現(xiàn)裂縫。這些裂縫主要集中在受拉區(qū)與受剪區(qū)，可以分為直接應(yīng)力裂縫與次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂縫主要是受到外荷載力影響出現(xiàn)的裂縫。如施工期間沒有依照嚴(yán)格的施工現(xiàn)場管理規(guī)范堆放施工機(jī)械、沒有充分了解連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)受力特征、在橋梁處隨意堆放施工材料以及起吊機(jī)械設(shè)備均會造成直接應(yīng)力裂縫。次應(yīng)力裂縫主要由外荷載引起的次生應(yīng)力裂縫。該裂縫產(chǎn)生的原因主要為連續(xù)箱梁施工期間模板拆除時間過早或過晚、預(yù)留應(yīng)力張拉工作槽設(shè)置不合理、僅采用經(jīng)驗方式計算結(jié)構(gòu)受力規(guī)格。長跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)橋梁截面內(nèi)力需要截斷鋼束、設(shè)置錨頭，常在錨頭周邊出現(xiàn)裂縫。如果沒有對此裂縫進(jìn)行及時處理，會嚴(yán)重影響橋梁整體荷載力。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)具有熱脹冷縮的物理性能。在外部環(huán)境及結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度差異較大的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)變形問題，在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生較大應(yīng)力。應(yīng)力超過混凝土本身的抗拉強(qiáng)度會產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫出現(xiàn)原因主要有混凝土凝結(jié)期間的水化熱反應(yīng)、氣候變化引發(fā)的內(nèi)外溫度差異較大、冬季施工維護(hù)不當(dāng)。

（3）收縮裂縫可以分為塑性收縮裂縫與縮水收縮裂縫。塑性收縮裂縫主要在混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中產(chǎn)生，澆筑4～5h 后，水泥水化熱反應(yīng)劇烈，形成分子鏈，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)泌水及水分急劇蒸發(fā)問題。由于混凝土失水情況較為嚴(yán)重，骨料下降，混凝土尚未硬化會出現(xiàn)塑性收縮情況。縮水收縮裂縫是在混凝土結(jié)構(gòu)硬結(jié)后，混凝土表面水分逐步蒸發(fā)、濕度進(jìn)一步降低，實際體積減小產(chǎn)生的裂縫。混凝土表面水分損失過寬、表面收縮較大、內(nèi)部收縮不均勻，表面收縮力會受到混凝土自身的約束力影響，使混凝土結(jié)構(gòu)表面在無法承受拉力的情況下出現(xiàn)裂縫問題。

3.3 混凝土裂縫專項防治對策

（1）結(jié)合道路橋梁工程實際建設(shè)要求，使用普通硅酸鹽水泥，加入彈模量較高的破碎巖、一級粉煤灰以及高效硫化劑。

（2）加強(qiáng)混凝土施工期間的組織管控力度，針對混凝土施工全過程制定出專項可行的質(zhì)量保障體系。加強(qiáng)施工人員及施工團(tuán)隊的責(zé)任意識，構(gòu)建一支高素質(zhì)施工隊伍。

（3）在鋼筋進(jìn)場后，將鋼筋放置在鋼筋大棚或下墊上蓋，避免鋼筋受雨水侵蝕影響。嚴(yán)格遵照施工要求布設(shè)鋼筋間距，切實增強(qiáng)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)性能。

（4）在混凝土強(qiáng)度沒有達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的90%時，不可以在橋面上堆放機(jī)械設(shè)備及施工材料。在翼緣板懸臂結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到100%的情況下，才可以拆除底板支撐模板。

（5）為避免混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面干縮裂縫，混凝土澆筑完畢后，頂板混凝土收面時需要進(jìn)行多次的搓平與抹壓處理，以便有效控制混凝土結(jié)構(gòu)早期收縮裂縫出現(xiàn)。

（6）面對箱室結(jié)構(gòu)模板拆除后的溫度較高的情況，應(yīng)進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。兩側(cè)模板拆除后，需要時用塑料薄膜包裹并進(jìn)行全面灑水處理。在頂板混凝土凝固后，及時采用土工布或者麻布進(jìn)行覆蓋，定期灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于7d。

4 結(jié)語

為了從根本上提升道路橋梁工程混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，延長道路全生命周期，需要將工作重點放置在找尋裂縫問題發(fā)生原因，制定專項可行裂縫預(yù)防方案中，不斷優(yōu)化裂縫防治方案，做好混凝土實際養(yǎng)護(hù)工作。