硯瓦河大橋空心薄壁墩實心段裂縫成因分析及預防

文／周俠 核工業長沙中南建設集團有限公司 湖南長沙 410000

引言：

由于空心薄壁墩臺施工工藝簡便、經濟、美觀，近年來大中跨度橋梁、高等級公路、城市道路、立交橋中空心薄壁墩臺被廣泛應用，但薄壁墩實心段位置屬于大體積混凝土，混凝土內外溫差大，容易使薄壁墩臺實心段位置出現裂縫。據分析，薄壁墩臺的裂縫大多非外力引起的荷載裂縫，而是溫度變形、收縮變形等引起的變形裂縫。在混凝土硬化過程中，會導致鋼筋銹蝕和混凝土剝落，嚴重影響結構的美觀和使用壽命，因此在橋梁施工中對高墩的施工監測提出了新的要求。既要克服現場地形地貌和施工空間距離大的困難,又要滿足施工質量的要求。論文基于河南省濟源至洛陽西高速公路項目硯瓦河大橋空心薄壁墩實心段開裂的具體研究,采用混凝土外部保溫消除空心薄壁墩實心段開裂現象可行性分析,對橋梁施工的各個重要工況進行橋墩實心段開裂監測。該方法能快速判定橋墩實心段的開裂情況,將大橋施工時各個工況下監測情況進行對比能及時發現問題,并采取相應的措施,保證了高墩的安全和質量。因此，研究這類問題是非常必要的。

1、硯瓦河大橋設計概況

該橋起訖樁號：K4+217.700～K5+065.7，橋梁上部結構為21×40m裝配式預應力混凝土連續T梁，全長848m，左右分幅，橋梁全寬26m，正交設置，下部結構采用柱式墩、空心薄壁墩、樁式臺，樁基為端承樁，樁基最深長度為17m，空心薄壁墩最高長度為70m，橋梁最高位置高度約80m，位于13號墩處。

空心薄壁墩：第12號墩、第13號墩為平面尺寸4×7m的薄壁墩，橋墩高度為70m，底部實心段高度為3m，實心段混凝土體積為84m，混凝土強度為C40，薄壁墩凈保護層為5.21cm(距主筋鋼筋肋)，與箍筋凈保護層不得小于3cm，如按主筋中心計算保護層為7cm。

2、薄壁墩混凝土現場施工情況

硯瓦河大橋13#墩右幅空心薄壁墩（以下簡稱13#右），采用滑模施工工藝，實心段澆筑時間為2017年9月28日，混凝土澆筑完成后立即采用塑料薄膜曬水覆蓋養生，至質監站10月23日工地巡查時，揭開養生塑料薄膜后，發現13#右空心薄壁墩的實心段混凝土表面存在豎向開裂現象，開裂位置均位于薄壁墩兩長邊側面，北側面裂縫距墩左邊線約3.37m，裂縫長度約2.2m，南側面裂縫距墩左邊線3.8m，裂縫長度約2.0m，隨后根據業主、總監辦、駐地辦要求，我項目部采用專業儀器（北京智博ZBL-F101）對裂縫進行動態的觀測。

硯瓦河大橋12#墩右幅空心薄壁墩（以下簡稱12#右），采用翻模施工，實心段澆筑時間為2017年11月19日，拆模時間11月25日，拆模后用毛氈和土工布包裹，白天中午氣溫高時，采用淋水養護，淋水3～4天后，因氣溫較低不宜澆水遂停止僅用土工布和毛氈包裹。現場施工員在拆模時其已對12#墩右幅進行仔細檢查，未發現薄壁墩有開裂現象，12月17日試驗室人員對該墩回彈強度時方揭開毛氈和土工布后，發現南北長邊面有豎向開裂現象（詳見圖1），開裂位置北側面距墩左邊線3.15m，裂縫長度2.12m，南側面距墩左邊線3.15m，裂縫長度1.92m。

圖1 空心薄壁墩南北側面示意圖

硯瓦河大橋12#墩左幅空心薄壁墩（以下簡稱12#左），采用翻模施工，實心段澆筑時間為2017年11月23日，拆模時間12月20日，豎向裂縫在南側長邊側面，距該墩左邊線約3.25m，裂縫長度2.31m。

3、裂縫觀測情況及分析

3.1 裂縫情況

（1）13#右空心薄壁墩：動態觀測進行了2次，分別在2017年11月29日、2017年12月30日。

情況如下：北側面裂縫寬度為0.4-1.5mm之間，平均約1.0mm，大部分開裂深度均小于保護層厚度，僅有兩個測點位置開裂深度較深，即距承臺頂面高約0.83m與1.2m處（兩測點相鄰）深度較深，深度分別為7.5～8.0cm、7.3～8.2cm，裂縫整體平均深度為5.7cm。南側面裂縫寬度0.2～1.0mm，平均寬度約為0.6mm，僅有距承臺頂56cm高處裂縫深度較深，深度在7.8～8.1cm，裂縫整體平均深度為4.5cm（詳見表1、表2）。

表1 2017-11-29日裂縫觀測記錄表

表2 2017-12-30日裂縫觀測記錄表

（2）12#右空心薄壁墩：動態觀測2次，分別在2017年12月18日、2018年1月3日。

情況如下：北側面裂縫寬度為0.3～0.8mm之間，平均約0.5mm，5個測點中，即距承臺頂面高約1.03m與1.3m處（兩測點相鄰）深度較深，深度分別為7.5～7.9cm、5.5～6.2cm，裂縫整體平均深度為4.6cm。南側面裂縫寬度0.4～0.6mm，平均寬度約為0.5mm，觀測點4個，距承臺頂0.22m及1.63m高處裂縫深度較深（超過凈保護層），深度分別為6.2～6.4cm、7.0～7.5cm，裂縫整體平均深度為5.5cm（詳見表3、表4）。

表3 2017-12-18日裂縫觀測記錄表

表4 2018-01-03日裂縫觀測記錄表

（3）12#左空心薄壁墩：動態觀測2次，分別在12月25日、2018年1月3日。

情況如下：北側未發現裂縫，南側裂縫寬度為0.2～0.4mm之間，平均約0.3mm，4個測點位置所測裂縫深度均未超過凈保護層厚度，最深位置距承臺頂1.09m處，深度為4.3～4.4cm，其余位置裂縫深度均不超過1.5cm，裂縫整體平均深度為1.9cm（詳見表5、表6）。

表5 2018-12-25日裂縫觀測記錄表

表6 2018-01-03日裂縫觀測記錄表

3.2 情況分析

（1）從目前施工的這3個空心薄壁墩情況看，裂縫均發育在實心段（大體積混凝土）位置，可以初步判斷為溫度裂縫。

（2）混凝土表面因內外溫差引起的表面應力最大的位置理論上應位于長邊一側（因為混凝土的尺寸越大，其總變形量越大，導致混凝土表面拉應力越大）中心線上（沿短邊方向開裂），拉應力往混凝土表面兩側逐漸擴散減小，根據現場對裂縫發育的位置看，其位置臨近薄壁墩長邊側面的豎向中心線附近，可以看出該位置基本位于混凝土內外溫差引起混凝土表面拉應力最大的位置，應可以明確判定為溫差裂縫。

（3）從觀測數據看，裂縫平均深度基本與凈保護層厚度相近，個別位置裂縫深度值略超過鋼筋主筋中心線，這說明鋼筋已經對裂縫發育具有了很強的束縛作用，阻止裂縫進一步向混凝土內部延伸，此種裂縫屬表面裂縫。

（4）從觀測的時間順序上看裂縫發育情況，未發現有明顯的跡象表明混凝土裂縫深度及寬度有進一步發展的趨勢，最后一次觀測時間距空心薄壁墩實心段混凝土澆筑時間13#右墩、12#右（左）墩分別已經過去93d、36（32）d，混凝土的內外溫差應已經趨于一致，溫度裂縫繼續發育的條件已不復存在，可以斷定裂縫基本穩定。

4、僅采用混凝土外部保溫消除薄壁墩實心段開裂現象可行性分析

實心段混凝土體積大，如果僅采用外包保溫不采取措施降低混凝土內部溫度，隨著混凝土外表溫度升高，向外散熱效果變差，混凝土內部溫度也會相應上升，因此僅依靠外部保溫不能有效地減小內外溫度。

翻模施工工藝要求：剛澆筑的混凝土模板必須等上一節混凝土澆筑后達到一定強度后方可拆模，這期間需要5-7d時間，外側模板上有操作平臺，無法對混凝土進行包裹保溫。

尤其是臨近冬季，即使混凝土澆筑后，外部全部包裹并通蒸汽養護也是不可行的，原因:以目前我標段施工設備水平，蒸汽養護的溫度只能保證在16-22℃范圍內，此溫度不能有效保證實心段澆筑后不開裂，證據是13#墩右幅在9月底澆筑，外部溫度應高于16～22℃，但仍存在內外溫差裂縫。

綜上所述，有效地減緩混凝土內外溫差最有效的辦法是降低混凝土內部溫度，外部保溫只能是輔助手段。

5、與其他橋梁的薄壁墩實心段裂縫發育情況對比

近期我們對相鄰標段及本標的其他橋梁薄壁墩實心段裂縫發育進行了調查，詳情況見下：

（1）本標段內祖師廟大橋，已經施工的薄壁墩平面尺寸為3×7m，實心段高度為2m，實心段混凝土體積42m，未發現開裂現象。

（2）濟洛西高速土建3標（鄰標段）目前施工的薄壁墩為3×7m，實心段高度為2m，實心段混凝土體積42m3，未發現開裂現象。

（3）濟陽高速土建一標（鄰項目）施工的最大薄壁墩尺寸為3.5m×6.25m，實心段高度為2m，實心段混凝土體積43.75m，混凝土體積未發現開裂現象。

6、針對薄壁墩開裂現象擬采取的措施

（1）薄壁墩實心段（平面尺寸4＊7m，實心段高3m）混凝土體積較大，實心段澆筑后混凝土體內外溫差大，必須對混凝土內部溫度采取降溫措施，因此建議對大體積空心薄壁墩（平面尺寸4＊7m，實心段高3m）的實心段位置增設降溫管。

（2）根據上述裂縫觀察數據表明鋼筋對裂縫的發育具有很強的束縛作用，可以阻止裂縫進一步向混凝土內部延伸。建議在易開裂的薄壁墩實心段位置長邊側（南北兩側）一定范圍內敷設抗裂鋼筋網片，鋼筋網片敷設在鋼筋主筋外側。

（3）對已經施工完成的薄壁墩實心段裂縫采取壓力改性環氧化學灌漿法處理，壓漿液由環氧樹脂、改性液及三乙烯三胺組成，在催化劑作用下相分離而呈海島狀態結構，具有橡膠相改性環氧樹脂效果，它可灌性好，粘度低，強度高，使用方便。特別適合于灌注細裂縫。具體步驟：表面用鋼絲刷刷干凈，并吹去浮塵；粘貼進漿嘴，間隔300-500mm一個；用速凝膠封閉裂縫；配漿；壓力灌漿至與進漿嘴相鄰的進漿口冒漿為止，關閉冷閥門停止進漿，并迅速用堵頭封住進漿口，依次逐段壓漿完成；復原，等72h后打掉進漿嘴，鏟去混凝土面上的膠泥。

結語：

硯瓦河大橋12#、13#墩，空心薄壁墩平面尺寸為4×7m，實心段高3m，混凝土體積為84m，比上述橋梁薄壁墩實心段的混凝土數量有大幅增加，相同施工條件下，內外溫差會更大，該墩實心段也未設置降溫管，大大增加了混凝土開裂的風險，本標段祖師廟大橋空心薄壁墩施工方案、設備與養護方式均與硯瓦河大橋基本一致，可排除施工因素導致開裂，應確定硯瓦河大橋12#、13#空心薄壁墩實心段長邊側面豎向裂縫為內外溫差引起的表面裂縫。