高性能混凝土橋墩裂縫成因分析及預防

郭　靖

摘要：本文介紹了鄭西客運專線高性能混凝土橋墩裂縫產生的原因及預防緩解措施，以引起后續工程施工的重視，為今后類似工程的施工積累經驗。

關鍵詞：高性能混凝土；橋墩；裂縫

1前言

鄭西客運專線為我國即武廣之后的第二條高速鐵路，設計時速350km/h，運營使用壽命為100年。鄭西客運專

線的建設在我國鐵路建設史上具有劃時代的歷史意義，結構物施工中所用混凝土均為高性能混凝土。高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，通過改善混凝土的特性來提高混凝土結構物的使用壽命，是以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途的要求，對特殊性能有重點的加以保證。高性能混凝土本身應具備六大指標：①抗裂性②護筋性③耐久性④抗凍性⑤耐磨性⑥抗堿—骨料反應。高性能混凝土六大指標決定其具有四大特點：①高耐久性②高工作性③高強度④高勻質性。

做為一種新型建筑材料，同以往所使用普通混凝土相比，高性能混凝土工作性能本身具有顯著的優點，抗裂性能、抗氯離子滲透性能、抗堿骨料反應性能、護筋性能、抗凍性能、相對耐久性都有了顯著的提高，但作為一種建筑材料，本身也必然的存有一定的缺陷，如對使用環境要求更為嚴格、材料質量、材料溫度、混凝土拌合、混凝土運輸、混凝土澆筑振搗的要求相對更為嚴格。 由于施工環境、氣候、施工工藝、混凝土材料組成、混凝土配合比、高性能混凝土早期強度低的特性等因素可能會造成一些混凝土結構物施工缺陷，橋墩混凝土裂縫就是一種通病。本文就此混凝土產生裂縫的原因進行了調查分析，提出了緩解混凝土裂縫的措施，僅供參考。

2裂縫調查情況

由于在其他工程項目施工所用的混凝土均為普通混凝土，已有比較完善的施工工藝和管理體系，且具有較為豐富的施工經驗。但高性能混凝土施工在鄭西客運專線還是首次，可借鑒的知識和經驗相對較少，有許多地方還需邊學、邊干、邊研究，高性能混凝土橋墩施工就是一個例子。鄭西客運專線的橋墩設計長為13.2m，寬度3.5m，高度4m～34m不等。橋墩分實心墩和空心墩，橋墩截面為圓型或圓端型。由于是首次施工，所以特別關注，施工前進行了實心墩和空心墩的試驗墩澆筑。澆筑時間為2007年6月18日，環境環境溫度26℃，混凝土入模溫度28.3℃，模板溫度27.5℃，各項指標滿足客專技術條件要求。空心墩高度14.8m，混凝土方量149.8m3，實心墩高度6.5m，混凝土方量102.5m3。

混凝土澆筑完畢于7月22拆模，拆模強度23.8Mpa，大于設計強度的75%，外觀顏色均勻統一，表面質量較好，達到了預期的澆筑試驗目的。拆模后立即用土布進行包裹，土工布外用塑料薄膜進行包裹，后飽水養護，保持混凝土表面濕潤。每日對混凝土表面進行觀察，4天后實心墩表面出現一條環向裂紋，長度33cm，寬度0.1mm，經每日觀察，裂紋有繼續發展趨勢。7天后墩身中間位置距承臺高2.5m向上出現一條長度28cm，寬度0.1mm豎向裂紋, 經每日觀察，裂紋也有繼續發展趨勢。14天后兩條裂紋發展趨于穩定，環向裂紋，長度58cm，寬度0.2mm，豎向裂紋長度63cm，寬度0.2mm。空心墩一直未見有裂紋出現。

3裂縫成因及預防措施

由于墩身基礎為鋼筋混凝土半剛性基礎，首先排除了基底不實和沉降變形的可能，附近無放炮和山體位移等外界影響，排除了外力造成裂縫的可能性。根據裂縫的特征和規律分析與混凝土原材料、高性能混凝土本身的特性、結構物的形式和外界環境等因素有關。

3.1混凝土原材料的影響

3.1.1水泥的影響

混凝土強度等級設計為C30，水泥用量較小，243kg/m3，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其早期的水化熱和水化速度相對較快，混凝土內部早期蓄熱量較大，引起墩身內部溫度較高。

3.1.2骨料的影響

骨料在混凝土中占絕對數量，它的形狀、大小、級配以及熱學性能對混凝土的膨脹收縮至關重大。粗骨料采用硅質石灰巖，飽水單軸抗壓強度135.8Mpa，含泥量0.6%，無堿骨料反應有害物質存在，級配良好，最大公稱粒徑31.5mm；砂子為水洗河砂，細度模數2.6～2.8,含泥量0.8%，無堿骨料反應有害物質存在，級配良好。骨料對混凝土裂縫的影響較小。

3.1.3當地氣候條件的影響

河南地區六月中旬為旱季,氣候干燥，容易造成混凝土內部失水過快，形成混凝土養生補水小于混凝土內部失水，混凝土快速水化水量不足引起混凝土表面收縮增大，形成表面收縮裂縫。

3.2 高性能混凝土特性影響

高性能混凝土與普通混凝土最大的區別是在材料組成上引入了大量礦粉、粉煤灰替代水泥，由于礦物摻合料早期水化速度相對較慢，導致混凝土早期強度相對較低，早期抵抗外界影響能力較低，成為誘發混凝土出現裂縫的一重要因素。

3.3結構物型式影響

實心橋墩設計均為大體積混凝土，混凝土方量大，內部水化溫度高，設計上又無特殊散熱處理，橋墩為圓型結構，內部散熱相對較慢，從而極易形成溫度膨脹、收縮裂縫。

3.4溫差梯度、濕度梯度影響

惡劣的氣候環境使得混凝土內外溫差梯度和濕度梯度加大，加劇了混凝土表面的干縮，也是導致混凝土裂縫的主要原因之一。

3.5混凝土施工方法和工藝的影響

3.5.1混凝土配合比的影響

混凝土配制時所選參數對混凝土結構物的質量有著直接的影響，如砂率過小，不易施工操作，砂率過大，單位體積混凝土內骨料比表面積增大，混凝土的收縮相對增大，容易在混凝土表面出現開裂；如膠凝材料用量過大，不但引起混凝土芯部溫度升高，而且混凝土的收縮也相對增大，容易在混凝土表面出現開裂；對于C30強度等級以上混凝土，粗骨料的粒徑宜為31.5mm以下，不宜過大，單位質量的粗骨料比表面積有所增大，顆粒數目增多，雖然比表面積增大但對混凝土的收縮影響不大，而粗骨料顆粒數量適量增多，對限制混凝土收縮有較大貢獻。

3.5.2供料速度及連續性的影響

橋墩一次性灌筑的混凝土的方量較大，施工時間比較長，混凝土失水快、收漿快，混凝土采用罐車運輸,如果供料不及時，澆筑不連續，就容易使混凝土產生冷接縫，形成薄弱層，由于上下混凝土的收縮不同，在薄弱層的表面極易形成收縮裂紋。

3.5.3拌合物不均勻影響

由于混凝土拌合所用骨料的含水率不同，變化性較大，雖然采用了混凝土集中拌合，電子計量上料，但仍然存在由于骨料含水率不均勻而產生的混凝土工作性能差異，導致混凝土的坍落度、凝結時間、拌合物漿體的差異，這些差異對混凝土表面出現裂縫有不同程度的影響。

3.5.4漏振與過振的影響

漏振使局部混凝土勻質性差，容易產生不規則裂縫；過振使混凝土中石子下沉，砂漿上浮，表面泌水量加大。砂漿的收縮大約是混凝土的3倍。因此，砂漿量過于集中的層面極易形成貫穿縱向（環向）裂縫。

3.5.5養護不及時的影響

在客觀條件下，混凝土拆模前隱藏著有潛在裂縫，拆模后如果養護不到位，等于是“雪上加霜”，將使混凝土裂縫寬度加大，數量增多。但有時在養護環節上容量造成一種視覺假象，養護時雖然混凝土表面始終處于濕潤狀態，但由于混凝土本身內部毛細作用也再同時向外透水，形成補水、透水的一種循環，如內部透水大于外部補水，養護工作便失去了作用，但給人的視覺還是在進行養護。這樣容易形成養護不到位的養護裂縫。

4混凝土裂縫的預防和緩解措施

針對高性能混凝土橋墩表面出現裂縫的成因，在施工過程中加強原材料進場檢驗，并完善施工工藝，具體措施預防如下。

4.1原材料進行過程質量控制

4.1.1水泥采用河南仰韶P.O 42.5水泥。該水泥早期消化熱較低。

水泥性能復檢試驗結果見表1。

4.1.2骨料：細骨料采用級配良好的水洗河砂，細度模數2.6～2.8,含泥量0.6～1.2%；粗骨料采用粒徑31.5mm以下級配良好的硅質石灰巖，針片狀含量滿足高性能混凝土用粗骨料要求，并使其空隙率減至最小。加強材料進場控制，引導采石場生產粒形良好、級配合理、針片狀含量滿足要求的碎石，對進場的碎石分級堆放，分級使用。

（1）細骨料采用河南洛河砂場二區中砂。砂試驗結果見表2

（2）粗骨料 采用河南西陽碎石場二級配的碎石復配成5-25mm連續級配碎石,最大公稱粒徑25mm石灰巖碎石，粗骨料試驗結果見下表。根據復配結果，以方案一復配結果為理想級配。

碎石的品質及有害物復檢結果見表4

4.1.3合理選用外加劑：不同外加劑品種對混凝土收縮影響區別較大，應首選緩凝型聚羧酸系高效減水劑。因減水劑可以降低混凝土拌和用水，降低水膠比，提高混凝土抗滲性能和抗拉強度，對減小混凝土收縮十分有利。但過分摻入，混凝土泌水率加大從而增加沉降變形。引氣劑也可摻用，混凝土中適量引進含氣量可以減小混凝土泌水沉降，有利于防止混凝土收縮開裂，有利于提高混凝土耐久性。

減水劑采用山東菏澤聯強聚羧酸減水劑。

外加劑性能復檢結果見表5

4.1.4摻加礦物摻合料：以磨細礦渣粉、優質粉煤灰替代部分水泥可以降低混凝土早期水化熱，降低和推遲混凝土水化熱峰值點，有效降低混凝土出現收縮裂縫的機率。

（1）礦渣粉礦渣粉采用山西長治鋼鐵瑞昌有限公司S95級礦渣粉

礦渣粉性能復檢結果見表6

（2） 粉煤灰采用河南洛陽發電廠I級粉煤灰。

粉煤灰性能復檢結果見表7

4.2 混凝土配合比計量控制：

對混凝土配合比進行優化，在滿足工作性能、強度等物理力學指標的前題下，盡可能采用較低砂率、低膠材用量、低用水量，低坍落度。試驗人員加大骨料含水率的測試，及時根據骨料含水率的變化對施工配合比調整，保證混凝土均勻穩定。

4.3施工過程控制

4.3.1采用混凝土集中拌合，微機控制上料，保證混凝土計量準確，和易性穩定。

4.3.2合理安排施工機具、澆筑工序，保持混凝土澆筑的連續性。

4.3.3適當延長拌合時間，合理安排振搗，合理選定拆模時間，避開大風時段拆模。

4.4.4加強養護措施，避免混凝土過早失水。橋墩應采用噴施養護劑或蒙裹塑料薄膜的方法，不宜單純采用灑水養護，保持混凝土表面始終濕潤，保證養護補水量大于混凝土內部毛細作用透水量。

5控制效果

試驗墩澆筑暴露出了混凝土施工中所存在的一些問題，根據這些問題，通過對混凝土原材料、混凝土配合比的優化調整，加強高性能強度混凝土橋墩施工各個環節的控制，消除了表面裂縫產生的成因，有效的保證了施工質量，具有良好的社會推廣價值。