公路橋梁墩身混凝土開裂原因及預防措施分析

毛磊

寧夏路橋工程股份有限公司 寧夏 銀川 750001

1 公路橋梁墩身混凝土裂縫成因

作為一種多相體（固、液、氣），混凝土雖然擁有極高的抗壓強度和良好的耐久性，但抗拉強度較低（僅為抗壓強度的1/10～1/20），且在受拉情況下抗變形能力較小，構件易產生裂縫病害。混凝土結構裂縫形成原因可分為外荷載作用、結構次應力（如彎矩及剪力）與變形變化3種形式，其中變形變化主要表現為溫度（即熱脹冷縮）、收縮以及不均勻沉降3種情況。據統計資料顯示，在引起混凝土結構裂縫方面，變形變化因素約占80%，荷載因素約占20%。

對于變形變化引起的裂縫，又可分為溫度裂縫與收縮裂縫兩種形式，其中溫度裂縫主要是由混凝土凝固過程中水泥水化熱的釋放或外界溫度驟變所引起；收縮裂縫主要表現為混凝土干燥收縮與塑性收縮，此外還包括自收縮與碳化收縮。

1.1 溫度裂縫

對于溫度裂縫的形成，主要是由混凝土硬化初期水泥水化熱的釋放所引起，加之混凝土為熱的不良導體，在熱量集中情況下使結構內部升溫明顯，而外部熱量可及時散發至大氣中（尤其是當環境溫度較低時，外部混凝土會因冷卻而發生收縮），從而使混凝土結構因內外溫差的形成而產生溫度應力，當此應力超過該階段混凝土抗拉強度時（實際上基本還未形成抗拉強度），便會于結構表面產生裂縫。此外，在環境溫度驟降情況下（如冷空氣侵襲），混凝土表面溫度突然降低，而內部溫度相對穩定，會產生溫度梯度，同樣會使混凝土結構因各部位熱脹冷縮程度的不同而產生裂縫。

1.2 收縮裂縫

（1）塑性收縮。塑性收縮產生的量級可達1%，表現較大，主要發生于混凝土完成澆筑后4～5h左右，此時水泥水化反應劇烈，分子鏈基本形成，混凝土因水分急劇蒸發以及泌水而發生失水收縮現象，使膠合料與骨料之間發生不同程度的沉縮變形，由于此時混凝土處于塑性階段，故而稱為塑性收縮。混凝土塑性收縮裂縫主要形成于結構表面，尤其是在養護不及時或養護措施不到位時，容易產生不規則裂縫，其縫寬一般為1～2mm，間距為5～10cm，且在沉縮作用影響下，通常是沿鋼筋分布。

（2）干燥收縮。干燥收縮（又稱縮水收縮）主要表現在混凝土硬化以后，隨著混合料內外水分的喪失，混凝土體積因自身濕度降低而減小，從而發生收縮現象。在水分喪失過程中，由于混凝土內部損失較慢，表層損失較快，故而內部收縮較小，表層收縮較大，在這種不均勻的收縮情況下，內部混凝土對表層收縮變形產生一定的約束，致使表層混凝土產生拉應力，當該拉應力增大至混凝土自身（抗拉）強度不足以承受時，便會導致收縮裂縫的產生。

1.3 約束裂縫

所謂約束條件，是指結構物在變形變化過程中，阻礙其變形的因素。對于橋梁墩身而言，混凝土變形所受約束主要來源于墩身模板和橋墩承臺等邊界條件，在墩身與承臺混凝土澆筑時間相隔較長的情況下，承臺便會對墩身混凝土的收縮形成阻礙，從而產生一定的約束力（主要表現為拉應力），當該作用力超過混凝土抗拉強度時，便會使其發生開裂現象，并且靠近于墩身中心線處多呈現為豎向裂縫；在模板約束方面，墩身混凝土澆筑初期，若模板拆除較早，混凝土握裹力的釋放使其向外放張，故而在混凝土抗拉強度較低情況下容易造成開裂[1]。

2 公路橋梁墩身混凝土裂縫防治

2.1 施工材料控制

水泥。以粉煤灰水泥、礦渣硅酸鹽水泥等低水化熱水泥為首選。由于水泥細度模數越大、標高越高以及單位體積用量越多，混凝土收縮越大且越持久，因此可在混凝土坍落度與強度一定條件下，于混合料中摻入適量減水劑與粉煤灰，以此減少水泥用量。實踐證明，通過外加劑與骨料粒徑的共同控制，可有效減少混凝土水泥用量25%～30%，降低絕熱溫升0℃左右。

（2）集料。細集料宜選用級配良好且細度模數為2.3～3.7的中粗砂，其含量應小于3%；粗集料宜選用級配良好的大粒徑骨料（不宜過大，以5～40mm為控制），且其針片狀含量與含泥量應分別小于10%和1%。

（3）當橋墩混凝土所用集料具有潛在堿活性時，對于最大堿含量的控制：如若集料具有堿—硅酸鹽反應活性，在潮濕與干燥環境中最大含量分別為3.0kg/m3與3.5kg/m3，并且在含堿環境中必須用非堿活性集料；如若集料具有堿—碳酸鹽反應活性，則須以非堿活性集料為選擇。

2.2 施工工藝控制

（1）降低混凝土入模溫度，具體可在混凝土攪拌時加入冷卻水和避免高溫澆筑等，或是采用泵送混凝土時，可于泵送管加鋪草包及噴水。

（2）控制混凝土澆筑層厚不大于300mm，并且不宜澆筑過快，以此促使水泥水化熱及時散發，同時降低混凝土塑性收縮。此外，對于澆筑過程中混凝土泌水，應及時排除。

（3）加強混凝土振搗，提升混凝土密實度，抑制收縮裂縫產生。注意不能過振，以防墩身外表因混凝土離析而出現砂化俸祿（呈樹枝狀）現象；混凝土振搗完成后，對于墩頂應進行二次趕壓抹面，并且及時覆蓋養護。

（4）對于墩身下部易開裂部位，可以小間距、小直徑（一般為Φ8～12）的方式布置適量（全截面配筋率為0.3～0.5%）溫度鋼筋，以此提升混凝土抗裂能力。

（5）由于混凝土澆筑時模板因外張而受拉，且在拆除時可視為溫度驟降過程，因此應適當推遲拆模時間，以防因拆除過早而使混凝土所受握裹力的釋放而外張開裂。此外，拆模后可于墩身表面包裹一層塑料薄膜，以防混凝土因失水過快而出現收縮裂縫。

（6）為防止因環境溫度驟變而對混凝土造成脹縮影響，最簡單、易行、可靠的辦法是于墩身模板外側包裹棉被或草席，并在混凝土澆筑過程及澆筑初期及時灑水進行溫度控制。如此即可在寒冷冬季起到保溫作用，又可在酷熱夏季達到隔絕外界熱量的目的[2]。

3 結束語

實際上，公路橋梁墩身結構應按大體積混凝土對待，裂縫病害易于產生且危害較大，故而除施工過程動態化控制外，還需在設計階段與運營養護階段做好預防措施，以此實現橋梁結構整體性能的提升。