鐵路橋梁墩臺身大體積混凝土裂縫控制措施

王廣厚

【摘 要】大體積混凝土產生出現裂縫是一個普遍的現象。隨著高墩大跨鐵路橋梁越來越普遍，相應的大體積混凝土在鐵路橋梁結構中越來越多，但對于鐵路橋梁中大體積混凝土的裂縫的原因分析與控制措施方面的研究相對較少。針對鐵路橋梁工程大體積高強度混凝土的特點，分析了鐵路橋梁結構中大體積混凝土產生裂縫的原因，進行針對性的分析和探討，并從設計及施工兩方面提出了防止裂縫的主要的技術措施。

【關鍵詞】鐵路橋梁；混凝土；裂縫控制

0 前言

隨著高墩大跨鐵路橋梁越來越普遍，相應的大體積混凝土在鐵路橋梁結構中應用的越來越多，尤其是在復雜山區跨越峽谷的單線、雙線或多線鐵路橋梁的高墩及基礎等。本文結合鐵路橋梁工程實踐將對此類問題進行分析，探討裂縫出現的原因及控制措施。混凝土是應用最廣泛最重要的工程結構材料之一。對于大型橋梁的基礎、橋墩等大體積混凝土必需要考慮水化熱引起的溫度應力。溫度應力引起的裂縫具有裂縫寬、上下貫通等特點，因此對結構的承載力、防水性能、耐久性等都會產生很大影響。

1 墩臺混凝土裂縫產生的主要原因分析

1.1 溫度應力

根據溫度應力的形成過程可分為三個階段。早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，這個階段的兩個特征，一是，水泥放出大量的水化熱；二是，混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內形成殘余應力。中期：自水泥放熱作用基本結束至混凝土冷卻到穩定溫度時止，這個時期，溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。晚期：混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。大體積混凝土的界定，各國不盡相同，還沒有一個統一的定義。但凡屬于大體積混凝土都具有一些共同特征：結構厚實，混凝土現澆量大，施工技術上有特殊要求，水泥水化熱使結構產生溫度變形，應采取措施，盡可能地減少變形引起的裂縫開展。

1.2 施工工藝的影響

鐵路橋梁剛性實體墩臺普遍采用C20混凝土，由于在施工中為加快施工進度，縮短工期，采用了混凝土泵送技術。為了滿足混凝土泵送的要求，對混凝土配合比進行了調整，如加大了水泥用量等，將影響裂縫的發生發展。為保證泵送混凝土的流動性、粘聚性和保水性，便于泵送和澆筑，常采用的砂率為45%，比普通混凝土增大6%以上。砂率的加大，混凝土中粗骨料用量相對減少，而粗骨料在混凝土中是抵抗收縮的主要材料。因此，在配合比相同的情況下，隨著砂率的加大，混凝土的收縮率也隨之增大。大體積混凝土結構通常具有以下特點：混凝土是脆性材料，橋梁工程中常用混凝土（C15～C40）抗拉強度只有抗壓強度的8%～13%。大體積混凝土的斷面尺寸較大，由于水泥的水化熱會使混凝土內部溫度急劇上升；以及在以后的降溫過程中，在一定的約束條件下會產生相當大的拉應力。現橋梁墩身及基礎等大體積混凝土結構中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應力要由混凝土本身來承擔。大體積混凝土施工常見的質量問題是溫度裂縫。混凝土隨著溫度變化而發生膨脹收縮，稱為溫度變形。對于大體積混凝土施工階段來講，裂縫是由于混凝土溫度變形而引起的。由于混凝土溫度變化產生變形受到混凝土內部和外部的約束影響，產生較大應力，尤其是拉應力，是導致混凝土產生裂縫的主要原因。

1.3 環境方面的影響

施工時的氣象條件也是影響混凝土裂縫（主要是表面裂縫）的主要因素。在氣候干燥和大風季節，混凝土澆灌后不覆蓋立即開裂。據介紹，風速為16mPs時，混凝土中水分蒸發速度為零風速時的4倍，相對濕度10%時，蒸發速度為相對濕度90%時的9倍以上，如果將風速作用和濕度影響疊加，則可推算出此時混凝土干燥速度是通常條件下的10倍之多。但這種裂紋一般都是表面裂紋，對混凝土結構沒有影響。

2 鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的控制

2.1 優化鐵路橋梁工程大體積混凝土的設計

鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的控制首先從設計方面來考慮，主要從以下幾個方面來優化設計：即使鐵路橋梁工程大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，為避免結構突變產生應力集中，在易產生應力集中的薄弱環節采取加強措施。如在孔洞的周圍以及轉角處等布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔拉應力，提高混凝土的極限拉伸能力，這樣可以有效的控制裂縫的發展。在設計中優先考慮利用中低強度水泥，充分利用混凝土的后期強度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應當盡量取較小值，因為保護層的厚度愈大愈容易發生裂縫。

2.2 合理選擇水泥品種及用量

理論研究表明大體積混凝土產生裂縫的主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。于是，我們對于橋梁中的大體積混凝土應該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內礦物成分的不同。水泥礦物中發熱速率最快和發熱量最大的是鋁酸三鈣，其他成分依次為硅酸三鈣、硅酸二鈣和鐵鋁酸四鈣。另外，水泥越細發熱速率越快，但是不影響最終發熱量。因此我們在大體積混凝土施工中應盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。精心設計混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比） 二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設計準則，生產出高強、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值的抗裂混凝土。

2.3 充分利用混凝土的后期強度

根據工程特點，充分利用混凝土后期強度，可以減少用水量，減少水化熱和收縮。因為大體積混凝土施工期限長，不可能28d向混凝土施加設計荷載，因此將試驗混凝土標準強度的齡期向后推遲至56d或者90d是合理的。基于這一點，國內外很多專家均提出類似的建議。這樣充分利用后期強度則可以每立方米混凝土減少水泥40Kg～70Kg 左右，混凝土內部的溫度相應降低4℃～7℃。實踐證明，混凝土常見的裂縫，大多數是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成，寒冷地區的溫度驟降也容易形成裂縫。因此說混凝土的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。從溫度應力觀點出發，保溫應達到下述要求：防止混凝土內外溫度差及混凝土表面溫度梯度，防止表面裂縫。防止混凝土超冷，應該盡量設法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩定溫度。防止老混凝土過冷，以減少新、老混凝土間的約束。

3 結語

防止鐵路橋梁大體積混凝土出現裂縫是一項復雜的系統工程，產生裂縫的原因很多，且工程又千差萬別。長期的工程實踐證明，溫度裂縫并不是不可控制的，通過采取一些技術措施是完全可以減少甚至避免的，且其有害程度是可以控制的。只要我們在設計、施工工藝、材料選擇以及后期的養護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是可以避免危害結構的裂縫的產生。

【參考文獻】

[1]盧二俠.大體積混凝土承臺水化熱溫度分析與控制[D].湖南大學，2007.

[2]李海濤.鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的原因分析與控制措施[J].鐵道勘測與設計，2008.

[責任編輯：丁艷]