薄壁臺裂縫成因分析

趙志航

(黑龍江省公路勘察設計院)

薄壁臺裂縫成因分析

趙志航

(黑龍江省公路勘察設計院)

摘 要:探討了鋼筋混凝土薄壁式橋臺產生豎向裂縫的原因及防治措施，并對裂縫的處理提出了建議。

關鍵詞:薄壁式橋臺;裂縫;成因;分析

在鋼筋混凝土薄壁式橋臺施工過程中或完工初期，經常出現數量不等、長度和寬度不同的豎向裂縫。為解決類似問題，設計上采取了加密鋼筋、加大鋼筋直徑以及提高混凝土強度等級等措施加以解決，但實踐證明情況并沒有得到改善。這些裂縫的存在雖然目前乃至以后一段時間內不會影響其結構功能及承載能力，但是這些裂縫如不能停止發展或得到妥善處理，必將對構造物的耐久性造成不利影響，特別是當構造物受到有害氣、液體侵蝕或處于潮濕、冰凍環境及沿海地區這一矛盾顯得更為突出。

1 裂縫狀況

鋼筋混凝土薄壁式橋臺臺身厚度多數為50～70 cm，高度大于2 m，長度均大于10 m(可視為直立大面積混凝土厚板)，且中間不設置伸縮縫。施工方式采用現澆混凝土施工，置于淺基礎或樁基礎之上。

裂縫由基礎或承臺頂部開始，由下而上延伸。裂縫寬度不等，一般在0.1～0.5 mm之間，下寬上窄，長度約為構造物高度的1/3～2/3;也有少數通縫現象，但均發生在高度較矮的構造物上，這時構造物高度一般小于3 m。構造物越長，裂縫的數量越多，裂縫間距在3 m左右，通常兩橋臺的裂縫位置相互對應。

2 裂縫產生的原因

鋼筋混凝土裂縫不外乎以下幾種:即沉縮裂縫、溫度裂縫、干縮裂縫、化學作用裂縫和結構性裂縫結構性;裂縫又分為應力裂縫和施工因素裂縫。鋼筋凝土薄壁式橋臺的豎直裂縫形成歸為溫度影響、混凝土收縮及特定的施工因素等共作用的結果。

黑龍江省地處我國北方，近幾年干旱、高溫和干燥的氣候時間較多。受工期及氣候限制，構造物的現澆混凝土施工往往在溫和干燥時候施工。對這一情況設計和施工方面沒充分估計到，因此對策措施就不十分全面。

2.1 設計上考慮混凝土熱期施工、水化和干縮的影響不充分

在高溫條件下澆筑混凝土，由于忽視降溫措施，使澆筑混凝土溫度偏高。另外，這些構造物大體積混土特性比較明顯，由于其內部水泥水化熱導致的混凝土升溫是不能忽視的，它給熱期施工的混凝土起到溫上加溫的效果。混凝土的線脹系數為1.0×10-6℃，較高溫度的現澆混凝土在硬化時將產生較大的溫差，這將導致結構物產生較大的收縮，嚴重時中午澆筑的混凝土晚上即可因收縮而開裂，一般混凝土收縮值在0.03%～0.04%時就會引起開裂。

硬化后的混凝土在干燥時的收縮率為0.05% ～0.06%，水灰比大的混凝土收縮更大。當混凝土的收縮率為0.05%時，6 m長的構件會收縮3 mm，處于受約束的構件則會開裂;彈性模量約2.1×105MPa的混凝土在應變0.05%時將產生相當于混凝土極限拉應力3倍的應力，為此，素混凝土4.5～6.1 m應設置一條收縮縫以防止開裂。

由于上述的溫差和干縮共同導致的混凝土開裂單靠所配置的鋼筋去解決是十分困難的。更主要的因素是這些混凝土是澆筑在已成品的基礎和承臺上，當混凝土降溫及收縮時受到基礎和承臺的約束，其內部產生很大的拉應力，因而導致結構產生裂縫。由于在這個過程中受約束的是結構物下部，其上部仍處于自由狀態，因此其產生的裂縫是由下而上、并且下寬上窄。

2.2 混凝土澆筑施工環境溫度高而對策措施不全面

關于熱期混凝土施工溫度限制以前強調的不多。在這方面日本規定是宜低于30℃，并不得高于35℃;美國規定是不得高于32℃;我國《公路橋涵施工技術規范規定》:混凝土的澆筑溫度應控制在32℃以下，宜選用在一天溫度較低的時間內進行。上述原則被有些施工部門忽視或突破。鋼筋混凝土薄壁式橋臺(墩)這種結構大體積混凝土的特性較為明顯，雖然可不必采取在結構內設冷水管用以降低大體積混凝土內由于水泥水化熱而升高溫度的措施，即使沒有突破上述規定而在溫度較高時澆筑混凝土時也應采取相應的降低施工環境溫度的措施，這一點并沒使所有施工部門引起注意，給結構裂縫的產生留下隱患。

熱期澆筑混凝土尤其是氣候干燥地區的成型后混凝土養護是極其重要的，養護工作質量不高不但降低強度、快速蒸發還會產生塑性收縮裂縫。由于這些構造物的施工均在干旱之年的炎熱干旱之季，成形后的混凝土養護普遍受到了不良影響，混凝土初凝后要連續保持7 d潮濕狀態的規范要求很難保證，并且間斷灑水養護又形成干濕循環，極易形成收縮裂縫。

2.3 水泥用量過多

由于薄壁式臺厚度相對小，高度較大，鋼筋設置又較密，給混凝土澆筑搗實增加了難度，易使薄壁臺出現蜂窩、麻面、露筋甚至爛根的事件，以至有些構造物不得不推倒重來。施工部門為克服上述現象，通常都增大新拌混凝土的流動性。混凝土拌和物的流動性隨著溫度的升高而減小，溫度升高10℃坍落度大約減小20～40 mm，熱期施工這一矛盾更為突出。為了解決上述問題，保證混凝土拌和物能有令人滿意的流動性，就必須增加水泥漿用量，進而導致水和水泥用量的加大。水泥用量的加大直接結果就是水化熱加強而導致混凝土升溫，這就為溫差裂縫的產生創造了條件。而水和水泥的用量增多，又增大了混凝土收縮的可能性。

總之，薄壁橋臺的豎向裂縫產生是多種因素綜合作用的結果。同樣形式的構造物在施工時避開了高溫下施工混凝土，而其他相應措施也比較完善的情況下并沒有發生豎向裂縫。

3 預防措施

3.1 設計

鋼筋混凝土薄壁式橋臺尺寸較大，是大體積混凝土特性較明顯的大面積混凝土板，混凝土溫度變形和收縮變形對其影響是極不利的，更主要的是在高溫干燥環境下施工，其變形又受基礎和承臺的約束，極易產生裂縫。為防止裂縫的產生，首先要在設計上采取相應措施。

(1)設定施工要求

設計文件中應強調這種結構施工過程中一些必須滿足的要求，尤其要強調高溫、干燥、低溫等惡劣環境下的施工具體要求。面對目前中小橋涵施工隊伍較雜、技術水平參差不齊的現實，這種強調是必要的。

設計應充分考慮北方地區熱期施工混凝土的客觀現實，在我國北方地區由于氣候季節及施工過程各種因素的約束，這種結構的施工很容易被安排在高溫的夏季進行。

(2)設置抗裂鋼筋和伸縮縫

設置抗裂鋼筋和伸縮縫是防止鋼筋混凝土開裂的一般做法。配置分布均勻的細鋼筋比同樣含鋼量的大間距粗鋼筋更有好的效果。設置伸縮縫主要是放松基礎約束的一種措施。伸縮縫的設置可每隔3～6 m設置一道。伸縮縫的長度可由基礎和承臺頂表面開始至臺身頂部(不含臺帽)。這既可保證橋涵下部的整體受力特性，又可防止臺身裂縫的產生。

有研究資料表明:混凝土結構自身收縮程度與其體積和表面積之比值成反比關系，這一特性在混凝土齡期14 d以前尤為明顯。也就是說，對于薄壁式鋼筋混凝土橋臺來說，其厚度較小者比較大者易因混凝土收縮而產生開裂，橋臺設計時應充分考慮鋼筋配置、伸縮縫設置及施工難易等因素，厚度70 cm優于50 cm。

3.2 施工

(1)避開高溫下施工

高溫下施工現澆混凝土既有很多潛在的不利因素又增加施工過程的內容和施工成本，因此在做施工組織計劃時盡量使薄壁式構件現澆施工避免在高溫干燥季節時進行。如果客觀條件不允許，具體施工時也應避開一日之內的高溫時間，而在一日內溫度最低時進行，如可在夜間進行。

(2)采取降溫措施

在高溫下現澆混凝土應有全面的組織計劃、準備工作充分、施工設備有足夠的備件并事前做好檢修及保養，保證連續進行;從拌和機到入倉的傳遞時間及澆筑時間要盡量縮短，并盡快開始養護。澆筑及拌和場地應遮蔭以降低模板、鋼筋、拌和機械、骨料、水泥的溫度，不得使用剛出廠的水泥;在澆筑前可在模板、鋼筋和地基上噴水以降溫，但在澆筑時不能有附著水;用冷水或有條件亦可用冰水拌和混凝土;也可結合大體積混凝土施工的一些要求進行施工，并適當加快澆筑后混凝土的散熱。

(3)降低水泥水化熱升溫及改善混凝土品質

降低水泥水化熱的常規措施是:選用礦渣或火山灰質早期低熱水泥;利用混凝土后期增長強度，減少早期升溫;摻粉煤灰混合料減少水泥用量;摻減水劑等外加劑復合使用，防止高溫下坍落度的損失，避免增加水和水泥的用量;如泵送必須采用較大坍落度時，必須使用高效減水劑，這樣大流動拌和物坍落度會持續2 h以上，同時高效減水劑會降低拌和過程中骨料之間的撞擊，降低拌和時產生熱量;改善骨料級配，配制流動性好的混凝土;所用砂粒徑不能太細，并嚴格控制其含泥量;合理安排工序分層澆筑;留置后澆帶減小約束應力。多種措施并用則會起到較好的效果。

(4)加強熱期混凝土施工的養護

混凝土的養護是混凝土施工中的重要環節，而在高溫干燥環境中施工混凝土時這一環節更應注意并要有詳細周到的落實措施。通常情況下，環境及表面溫度在32℃、相對濕度10%、風速11～12 m/s時，其蒸發速度相當于環境溫度及表面溫度為21℃、相對濕度70%、無風時的50倍，由此可見在高溫干燥時澆筑混凝土其養生條件之惡劣。

養護的具體方法很多，但不管何種方法應至少滿足7 d連續保持所養護構造物處于潮濕狀態的規范要求，有條件時應延長這一過程。不能使所養護構造物處于時干時濕的干濕循環狀態，使構造物表面溫度變化劇烈。如有可能濕養期間采取遮光和擋風措施，以控制溫度和干熱風的影響。

中圖分類號:U445

C

1008-3383(2011)06-0172-02

收稿日期:2011-03-17