大體積混凝土橋墩施工中裂縫產生原因分析及防裂措施

徐樂平

（重慶公用事業置業有限公司，重慶 400020）

大體積混凝土由于截面尺寸較大，裂縫一般在混凝土澆注短期內形成，此時設計荷載尚未作用于結構上，所以由荷載引起結構裂縫可能性很小，但水泥水化過程中釋放的水化熱產生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，將會產生較大的溫度應力和收縮應力，這是大體積混凝土出現裂縫的主要原因。為了保證混凝土結構物能夠滿足設計條件和使用要求，混凝土必須具備足夠的耐久性和強度，而混凝土結構工程開裂，將直接影響結構的使用壽命，嚴重者將會引起結構破壞，使結構喪失承載能力及使用功能。

1 工程概況及施工情況

在某橋梁工程中，開始施工不久，在對已完成的4個橋墩進行檢查時，發現橋墩混凝土表面出現裂紋，呈豎向分布，位置在距承臺頂面橋墩身大面中部豎向1.5～6m范圍內，裂縫數量1道，兩側面對稱分布。經測量裂縫寬均在0.2mm以下，雖屬規范允許范圍，但如不及時加以控制，將影響橋墩外觀質量和耐久性。經調查達成擴能改造工程全線其它標段橋梁墩臺施工中均存此問題。

2 墩臺混凝土開裂原因分析

經綜合分析，墩身混凝土表面開裂主要是混凝土內部水化熱引起及混凝土干縮變形綜合影響產生的裂縫。

2.1 水泥水化熱影響。水泥水化過程中產生大量的熱量，由于大體積混凝土截面厚度大，且混凝土的導熱性能較差，致使水化熱聚集在結構內部不易散發，引起混凝土內部急驟溫升；混凝土內外較大溫差導致混凝土內部產生溫度應力，且溫差越大，產生的溫度應力就越大；當混凝土的抗拉強度不足以抵抗此溫度應力時，就會產生裂縫。實踐證明：大體積混凝土內外溫差超過25℃時，混凝土將產生裂縫。水泥越細，早期強度越高；單位體積混凝土中水泥用量越大，混凝土內部早期水化熱引起的溫升就越高。本例橋墩混凝土原采用重慶富皇水泥廠生產的普硅水泥 P.032.5R，水泥用量 344kg/m3。該水泥為早強水泥，細度較細，混凝土水化速度過快，水化熱集中釋放，造成混凝土結構內外溫差大于25℃，引起墩臺身混凝土表面開裂。

2.2 施工工藝及混凝土干縮影響。施工工藝不當，造成混凝土離析，則混凝土澆筑完成后結構內部易形成不同材質粒組聚集區，由于混凝土與混凝土中不同材質收縮率差異，如混凝土凝結硬化過程中水泥漿收縮率較混凝土收縮率要大的多，因此水泥漿聚集區就極易產生裂縫。具體導致原因為：①混凝土攪拌時間影響。由于混凝土中摻入了高弦減水劑，施工過程中，混凝土攪拌時間過短(少于3min)，高效減水劑未充分發揮作用，而在混凝土運輸或澆筑后減水劑發揮了部分減水作用，增大了混凝土坍落度，造成了混凝土離析。②混凝土澆筑工藝影響。施工時，混凝土泵送至橋墩托盤頂帽上部，在距托盤左右側模板邊緣1/4寬度位置設置了2個串筒，混凝土由串筒下落到澆筑面。隨著混凝土澆筑，串筒下的混凝土逐步形成了混凝土堆，因施工設計}昆凝土配合比坍落度為16 cm，流動性能好，加上施工過程中振搗棒振動使混凝土向周邊流動，由于混合料比重的差異 (混凝土混合料比重分別為：水泥 344kg/m3，砂 696kg/m3，碎石 1216kg/m3，水 168kg/cm3，氣泡 2g/cm3，粉煤灰 92kg/m3)，在流動過程中混凝土產生液化離析現象，從混凝土堆中心由近至遠依次是砂+石--水+水泥--水+粉煤灰--氣泡。這樣在兩混凝土堆交界處(墩身中部)就形成了粉煤灰漿+水泥漿+氣泡聚集區。一般混凝土的收縮率為0.4%～O.6%，砂漿收縮率為0.8%～1.2%，水泥漿收縮率為1%～2%，即混凝土及混凝土中不同材質收縮率存在差異。加之，墩身混凝土內部存在粉煤灰漿+水泥漿+氣泡聚集區，混凝土內部就存在了抗裂薄弱區。

2.3 外界氣溫變化的影響。大體積混凝土結構在施工期間，混凝土澆筑溫度與外界溫度有直接關系，外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度就越高。剛澆筑的混凝土，外界氣溫下降會增加混凝土的溫度梯度，特別是外界氣溫驟然下降，會大大增加外層混凝土與內部混凝土的溫差，因而會造成過大的溫度應力，易使大體積混凝土出現裂縫。

2.4 混凝土養生不良。規范規定：為防止混凝土開裂，混凝土內外溫差不得超過25℃，一般控制混凝土溫差不大于20℃。施工中，混凝土養生不到位，混凝土受風或溫差過大都易造成混凝土開裂。

3 橋墩混凝土防裂措施

針對橋墩混凝土裂縫產生的原因，主要從控制混凝土的溫升、延緩混凝土的降溫速率、減少混凝土的收縮變形、提高混凝土的早期抗拉強度、加強施工中的保溫及溫度監測等方面采取措施。具體措施有：采用中、低熱水泥品種；在滿足強度和其他性能要求的前提下，盡量降低水泥用量；摻加適宜的外加劑；選擇適宜的骨料；控制混凝土出機溫度和澆筑溫度；采取表面保護、保溫隔熱措施，降低混凝土內外溫差。

3.1 混凝土原材料控制及配合比調整（1）選擇水泥品種。控制水泥水化熱引起的溫升，減少混凝土內外溫差，對降低溫度應力、防止產生溫度裂縫起著重要作用。混凝土溫升的熱源主要是水泥在水化反應中產生的水化熱，因此選用低熱或中熱的水泥品種，是控制混凝土溫升最根本的方法。因此，在后續施工的墩臺身采用低水化熱 P.O42.5 普通硅酸鹽水泥代替 P.032.5R普硅水泥，水泥表面積比≤350m3/kg，水泥熟料中的C3A含量≤8%。（2）調整混合砂比例。混凝土用砂細度模數M應在2.6～3之間，機制砂應顆粒均勻，粉含量(0.06mm以下)應小于20%。本例機制砂M細度為3.6；河砂M細度為1.2，按機砂：河砂為2.3：1比例調整混合砂比例。（3）增加粉煤灰摻量，替代水泥用量。本例摻合料采用Ⅱ級粉煤灰，一般大體積混凝土粉煤灰摻量最大控制在40%以內，本例原摻量27%，現采用35%，即每1m3混凝土中摻加粉煤灰136kg。（4）調整混凝土配合比，墩身混凝土(C30)配合比調整如表1。由混凝土強度增長圖對比可知，混凝土澆筑完成后齡期前6d普硅32.5R水泥拌制的混凝土，其強度增長率明顯大于普通硅酸鹽水泥拌制的混凝土，齡期6d后采用P.042.5普通硅酸鹽水泥混凝土強度增長大于普硅32.5R水泥拌制的混凝土。由此可推斷出采用普硅32.5R水泥拌制的混凝土前期強度增長快，故混凝土溫升也大，較容易產生裂縫，而后者反之。

表1 橋墩（C30）混凝土配合比表kg/m2

3.2 混凝土溫度控制措施。控制混凝土溫度就是控制混凝土中心及表面之間、新老混凝土之間、混凝土表面和外界氣溫之間的溫差在25℃以內。混凝土施工前應計算混凝土內部最高溫度峰值，估算混凝土結構內外最大溫差，采取相應控制措施。

(1)熱功計算：澆筑后混凝土內部溫度-混凝土出機溫度-運輸過程中溫度損失+水泥水化熱溫度。混凝土出機溫度：根據美國ACl305R-91標準，混凝土出機溫度

式中：T為混凝土拌合物的溫度(出機溫度)；C溫為水泥溫度，本例中為25℃；S溫為砂溫度，本例中機制砂和河砂溫度均為10℃；G溫為卵石溫度，本例中為10℃；W溫為拌合水溫度，本例中為11℃；C為每m砼中水泥用量 (kg)；S為每m砼中砂用量(kg)；G為每m2砼中卵石用量(kg)；W為拌合水質量(kg)。則混凝土出機溫度：T=12℃。混凝土運輸過程中的溫度變化，本例混凝土運輸距離為2km，運輸過程中濕度損失實測為1℃。水泥水化引起的混凝土溫度上升，經試驗，每m3混凝土中每100kg水泥水化熱引起的混凝土溫度上升值為10～12℃。本例中水泥水化引起的混凝土溫度上升值：30℃。澆筑后混凝土內部的溫度峰值：12℃-1℃+30℃=41℃。

(2)施工期間外界氣溫為4～12℃，混凝土與外界氣溫溫差超過20℃，需采取保溫措施。本例根據施工實際情況，采取保溫罩保溫措施。

3.3 施工工藝控制措施：（1）混凝土攪拌。施工前，復核拌合水計量，并在施工過程中，反復檢查水泵周圍是否有淤泥、雜草等雜物影響水流量，確保每盤用水量準確。高效減水劑稱量后裝入塑料袋，每盤一袋，嚴控高效減水劑用量。混凝土攪拌時間每盤不小于3min，確保高效減水劑攪拌過程中充分發揮作用。控制混凝土坍落度為16±1cm。不合格者不得使用。（2）混凝土澆筑。頂帽、托盤及墩身一次立模，先澆注墩身及托盤，然后將綁扎好的頂帽及墊石鋼筋吊裝就位，最后澆注頂帽混凝土。混凝土泵送至墩頂，泵管出口接泵送軟管至澆筑混凝土面，混凝土分層澆注、逐層振搗。澆筑順序從橋墩一側向另一側移動澆筑，保證混凝土布料均勻，澆筑一層后再返回來，仍從先澆側向另一側澆筑。每澆筑層混凝土厚度不超過30cm，混凝土振搗以泛漿為度。每棒振搗時間一般不大于20s，距離模板邊緣20cm，振搗棒移動間距20cm。（3）混凝土養生。橋墩混凝土澆筑完成后，墩頂混凝土外露面采用塑料薄膜覆蓋養護，采用保溫罩將模板包裹保溫養生，保溫罩分兩層，外層為不透水防雨布，內層采用棉被，保溫罩接口處應密封，不得漏風。混凝土澆筑完成7d后拆模，拆模后立即覆蓋塑料薄膜保濕養護，塑料薄膜外采用保溫罩密封保溫，直至溫差不大于20℃時，方可拆除保溫罩。

4 混凝土溫度監測

大體積混凝土的凝結硬化過程中，及時摸清混凝土溫度場升降變化規律，隨時監測混凝土內部的溫度情況，對于有的放矢的采取相應技術措施、確保混凝土不產生過大的溫度應力、避免溫度裂縫的產生，具有極其重要的作用。混凝土測溫采用圓盤式溫度計2個，分別測定混凝土內外溫度。將溫度計感應棒貼在模板外側，混凝土保溫罩內測定混凝土表面溫度。混凝土澆筑前在模板上預留測溫孔，將圓盤式溫度計測線放人混凝土測溫孔內測量混凝土內部溫度。混凝土澆筑完成后，每2h測定一次混凝土內外溫度，并計入測溫記錄表，計算混凝土內外溫差。

結束語

混凝土配合比采用雙摻法 (摻減水劑和粉煤灰)工藝，水泥選用表面積比小于350m3/kg的P.042.5普通硅酸鹽水泥，有效的減少了水泥水化導致的混凝土內部溫升，降低了混凝土內外溫差。嚴格施工工藝控制，采取內控外保措施，加強混凝土養護和溫度監測，采用保溫罩保溫，控制混凝土內外溫差不超過20℃，能有效解決橋墩混凝土結構開裂問題。

[1]鐵道科學研究院.鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]李繼業，劉福勝.新型混凝土實用技術手冊EM].北京：化學工業出版社，2005：375-398.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB10203-2002鐵路橋涵施工規范[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

[4]鐵道科學研究院.TZ210-2005鐵路混凝土工程施工技術指南[s].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5]中華人民共和國水利部.GBJ146-90粉煤灰混凝土應用技術規范[s].北京：中國計劃出版社，1991.