大跨徑橋面混凝土鋪裝層裂縫原因及處置研究

姚利郎，黃中峰

（山西交通建設監理咨詢集團有限公司，山西 太原 030012）

1 概況

近年來，在高速公路建設中，大跨徑連續剛構橋梁，因行車舒服、美觀大方、工程造價較低、結構剛度大、施工技術成熟、后期養護量小的特點，被廣泛采用。橋面混凝土鋪裝結構層受力特性與路基上混凝土面板不同，尤其大跨徑橋面混凝土面板，其在施工及運營中受力更為復雜，容易出現混凝土結構裂縫。大跨徑結構混凝土裂縫幾乎成為該類型橋梁技術難題，混凝土結構裂縫小則影響使用耐久性，大則危及結構安全。混凝土裂縫可以分為荷載形裂縫和變形裂縫兩類，研究表明荷載形裂縫占20%，變形裂縫占80%。在采用復合結構大型橋面結構中，通常是混凝土做持力基層，瀝青混凝土做功能結構層，混凝土持力層在施工過程經常出現變形裂縫，裂縫如果不能有效消除，運營在重復荷載作用下，裂縫將反射到瀝青面層，且伴有滲水風險，滲水銹蝕構造鋼筋，路面反射裂縫影響行車舒適，降低了橋梁的使用壽命。

2 工程特點

晉蒙黃河大橋工程位于神河高速K103+196.5處，上部結構布設8×50 m 先簡后連混凝土T 梁+（82.68+4×152+82.8）m+（82.8+3×152+82.72）m 預應力混凝土連續梁- 連續剛構組合體系+30 m 先簡后連混凝土T 梁，橋梁全長2 133 m，下部構造主墩采用空心薄壁墩，引橋連續T 梁承臺左右幅分別布置，主橋連續剛構承臺左右幅整體布置，樁基礎采用鉆孔灌注樁基礎。連續梁- 連續剛構組合體系橋是連續梁和連續剛構的組合體系，通常是中間跨且橋墩較高的數孔采用墩梁固結的剛構體系，邊上幾孔則采用連續體系。主橋橋面采用8 cm 鋼筋、鋼釬維雙鋼混凝土+6 cm AC-20 改性瀝青混凝土+4 cm SMA-13 瀝青瑪蹄組合結構。

3 技術參數控制

根據設計文件結合混凝土橋面板特征，8 cm 薄板結構，縱向約束橫向自由，下承層為非等截面箱梁結構，動載作用下豎向變形響應不同，經專題研討，橋面剛性鋪裝層采用高性能混凝土。

a）混凝土配合比控制，試驗確定C50 高性能混凝 土 配 合 比mc：mf：ms：mg：mw：ma：m纖維=389 ∶81 ∶835 ∶941 ∶174 ∶5.25 ∶40，W/B=0.37，W/C=0.45，ρf=17%，ρa=1.0%，水泥采用天皓P.O42.5 混凝土抗壓強度7 天R7=51.9 MPa，28 天R28=60.5 MPa。

b）鋼纖維質量控制，為提高面板的抗彎拉性能，配合比中摻加水容性黏排彎鉤形鋼纖維，方便混凝土中分散均勻，抗拉強度等級1 000 MPa，摻量40 kg/m3，經拌合樓大樣驗證，檢驗混凝土彎拉強度和拌合均勻情況，試件抗彎拉強度達到6.3～6.5 MPa，鋼纖維用量誤差4.6%，表征均勻性偏差系數為4.35%。

c）混凝土塌落度控制，嚴格控制混凝土出拌合機塌落度不大于200 mm，是控制離析減少浮漿有效措施，考慮用罐車運輸可實施性，塌落度不宜太小。對厚度小于10 cm 的混凝土結構，振搗密實宜采用振動梁與振搗棒組合方式，振搗棒重點加強鋼筋網片搭接部位振實。

d）鋼筋網片位置控制，采用鋼筋段支撐定位，定位鋼筋用φ12 的鋼筋，長度約6～12 cm，雙向間距約75 cm。定位鋼筋一端預埋在主梁頂板中，另一端與鋼筋網焊接，對鋼筋網實行多點支撐。

e）施工工藝控制，高性能混凝土在混凝土施工過程，容易出現早期凝結塑性裂縫，進而作為應力集中點，伴隨混凝土自收縮、干燥收縮產生表面裂縫。解決措施塑性階段采取二次收面工藝[1]，有效彌合表面裂縫，消除應力集中。二次收面時不得灑水提漿，保持混凝土表面微觀粗燥，減少表面水泥漿水化應力集中而產生開裂。

f）混凝土養生控制，經過混凝土強度形成機理分析，施工階段造成裂縫包括3 個方面：（a）混合料從加水拌合到混凝土終凝的塑性階段，塑性變形產生表面裂縫，建議應對措施終凝前二次抹面；（b）混凝土從終凝到結構骨架形成階段，強度增長到標準值70%，水泥水化反應致混凝土自身體積縮小，即混凝土自收縮，應對措施摻加礦物摻和料，保證養生濕度，必要時配合比摻加聚丙烯纖維；（c）從骨架形成到混凝土水化反應基本完成，強度達到標準值90%以上。該階段混凝土齡期一般從30～90 d，該階段導致結構變形主要為環境濕度偏低，混凝土表面干燥缺水，引起干燥收縮，同時因環境溫差導致溫度應力疊加，使混凝土應力與抗拉強度趨近產生表面裂縫。

4 質量問題分析及處置

a）河曲岸引橋8×50 m T 梁，于2017年9月中旬開始10 cm 鋼纖維混凝土橋面施工，采用罐車運輸，天泵布料，三輥軸機具鋪裝，鋪裝完成用透水土工布覆蓋保水養生，14 d 后方放行施工車輛通行。養生結束進入自然養生階段，混凝土橋面板沒有出現變形裂縫，預期效果良好。

b）主橋連續剛構混凝土橋面于2018年3月25日至5月28日施工，施工措施及工藝參數與引橋相同，從K102+534 到K103+929 先左幅再右幅，分幅施工。由于橋上風力偏大，給土工布保水覆蓋造成較大麻煩，時常出現土工布局部被掀開表面干燥現象。施工期檢查，第一聯（K102+534—K103+307）橋面混凝土面板出現13 道橫向變形裂縫，裂縫分布見圖1；第二聯（K103+307—K103+929）橋面混凝土面板出現11 道（包括1 道施工縫）橫向變形裂縫，裂縫分布見圖2。用北京海創HC-CK102 型裂縫寬度測試儀對縫寬檢測，縫寬在0.16～0.50 mm 之間，裂縫深度測試采用鉆芯量測，芯樣直徑50 mm，裂縫深度有小于30 mm 淺表裂縫，也有30～50 mm 較深裂縫，且深度較深裂縫一般伴有與主梁混凝土結合松散空鼓現象（見表1、表2）。

圖1 主橋第一聯裂縫分布示意圖

圖2 主橋第二聯裂縫分布示意圖

表1 主橋第一聯裂縫狀態檢測表 mm

表2 主橋第二聯裂縫狀態檢測表 mm

通過對面板裂縫位置分析總結以下特點：（a）在主跨的跨中區域30 m 范圍，容易出現變形裂縫，裂縫寬度較寬，在0.3～0.5 mm 范圍；（b）交界墩（8 號墩、14 號墩）附近出現裂縫與混凝土澆筑施工方向有關，從交界墩開始鋪裝層施工，容易出現變形裂縫[2]，縫寬在0.2 mm 左右；（c）有空鼓地方，取芯驗證，空鼓絕大部分分布在鋼筋網片搭接區段。針對裂縫問題，對混凝土配合比進行了調整，在原配合比中摻加體積率0.1%（0.9 kg/m3） 聚丙烯纖維，在YK103+600—YK103+929 主線段進行驗證，橫向裂縫減少為1 道，預期效果良好。

c）內蒙岸11×30 m 引橋，于2018年7月中旬開始橋面混凝土鋪裝，針對主橋出現裂縫的質量缺陷，結合對鋼筋網片在結構層中位置檢測，表明施工中由于混凝土自重和施工機具對鋼筋網片下壓影響，網片位置平均下移15～20 mm，見圖3、圖4。

圖3 保護層厚度測量示意圖

圖4 鋼筋位置實測圖

采取以下技術措施：（a） 結構層中φ10CRB 100×100 鋼筋網片，定位采用φ12 短鋼筋焊接網片，初始定位增加施工預沉量15 cm，按鋼筋頂到混凝土頂面15～20 mm 控制放樣；（b）選擇代表性跨，對配合比進行優化，將鋼纖維摻量提高到體積摻量1.0%（78 kg/m3），進行施工驗證，見圖5；（c）在原配合比中摻加體積率0.1%（0.9 kg/m3）聚丙烯纖維，適當降低混凝土彈性模量，增大混凝土極限韌性，提高抗裂性能[3]，有效控制變形裂縫，見圖6。

圖5 鋼纖維混凝土拌合鋪裝效果圖

圖6 PP 纖維混凝土鋪裝表面效果圖

通過以上措施實施，混凝土施工性能可以滿足工程需求，養生14 d 后，放行施工車輛通行，施工過程沒有出現變形裂縫。

d）裂縫處置。根據現場芯樣及空鼓聲擊測試結果可知，ZK102+860 裂縫寬度0.24 mm，深度50 mm，有空鼓；ZK103+455 裂縫寬度0.32 mm，深度44 mm，有空鼓；ZK103+336 裂縫寬度0.28 mm，深度50 mm；ZK103+605 裂縫寬度0.50 mm，深度40 mm，有空鼓；ZK103+635 裂縫寬度0.38 mm，深度40 mm；ZK103+770 裂縫寬度0.50 mm，深度50 mm；YK103+152 裂縫寬度0.26 mm，深度45 mm。其余裂縫寬度較小為0.15～0.20 mm，深度18～35 mm（見圖1、圖2）。根據混凝土結構設計規范，結合專家建議，確定處理方案為：（a）對ZK102+860、ZK103+455、ZK103+605 有空鼓裂縫，找出空鼓范圍，鑿除返工處理；（b）對于寬度大于0.2 mm 的裂縫，采用低黏度環氧樹脂灌縫膠進行密封[4]；（c）對寬度小于0.2 mm淺表裂縫，結合熱熔橡膠瀝青同步碎石防水層施工對裂縫同步封閉，不再單獨處理。

5 試驗結論

a）對跨徑不大于50 m 連續梁橋的橋面混凝土鋪裝結構，采用外摻40 kg/m3鋼釬維高性能混凝土，可以滿足施工過程裂縫控制要求。

b）對于跨徑較大的連續剛構橋橋面混凝土鋪裝結構，施工荷載有通過左右幅一體性承臺對施工段主梁的動態響應，導致塑性狀態混凝土擾動，致使混凝土結構受拉表面更容易出現變形裂縫，建議采用外摻0.9 kg/m3聚丙烯纖維的高性能混凝土，用于提高混凝土本身極限應變，達到改善混凝土韌性，避免施工過程裂縫的產生。

c）對左右幅承臺一體的大跨徑橋面混凝土施工，考慮施工荷載動態響應對塑性混凝土的影響，建議橋面混凝土鋪裝層施工從主墩向交界墩組織施工，減少施工荷載對混凝土內部受力影響。

d）建議增加伸縮縫設置，在橋面鋪裝完24 h內，在縱向跨中區域用混凝土切割機切出假縫，用高彈性瑪蹄脂灌縫處理，用于吸收混凝土溫度收縮應力，防止溫度收縮和干燥收縮裂縫的出現，預防對上層瀝青層反射裂縫。

6 應用展望

在剛構橋面混凝土鋪裝過程，因裂縫出現相對滯后，加之混凝土裂縫為質量通病難于避免的認識，混凝土保水養生過程，受施工荷載影響，裂縫不斷增加，才引起重視，進行了專項研究。對配合比進行了調整優化，在鋼釬維混凝土中加入聚丙烯纖維，在大跨徑主橋橋面及30 m 連續梁橋橋面進行了驗證，取得滿意效果。