泵送混凝土施工裂縫的成因和防治分析

劉新成

（中鐵十七局集團第一工程有限公司，山東青島266000）

1 工程概況

孟中友誼八橋采用3×（3×33）m 預應力混凝土現澆箱梁橋+（72+7×122+72）m 剛構連續橋+2×（3×33）m 預應力混凝土現澆箱梁橋，主橋4—6 號墩采用墩梁固接，下部橋墩采用薄壁墩，橋臺采用肋板臺，墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎，均按摩擦樁設計。上部結構采用直腹板預應力混凝土箱梁，箱梁為單箱單室斷面。箱梁采用掛籃懸臂平衡澆筑施工，梁段混凝土采用C55 且水泥用量不得大于500kg 泵送混凝土。

2 裂縫的概念

2.1 混凝土內部結構決定裂縫實際情況

混凝土是由粗集料、細集料、水泥、水和氣體構成的堆聚結構。水泥水化產生大量水化熱，使混凝土內部溫度迅速升高，當混凝土內外溫差較大時，會在混凝土表面形成裂縫。混凝土在硬化過程中，水泥漿產生的化學收縮與物理收縮由于受到骨料的約束作用，會在水泥石內部及漿-骨界面上產生分布極不均勻的拉應力。在應力作用下，引起材料發生體積收縮形成裂縫。

2.2 裂縫的種類

混凝土結構裂縫是由直接應力和外加負荷所造成的結構斷裂，包括混凝土結構的收縮、膨脹、溫濕度改變造成的不平衡沉降及結構的破裂，這種裂紋是混凝土結構需要進行變形，當變形受約束時形成了內應力，而內應力達到規定值時就會開裂。此裂縫長度大，內應力小，因此對混凝土的承載力影響較小，但對耐久性的破壞卻較大。根據我國研究資料發現，大約80%的混凝土構件由于變形或變化而形成了裂紋，其中由于荷載產生的裂紋大約占20%[1]。

2.3 裂縫的寬度

混凝土結構裂縫寬度參差不齊，有的寬有的窄。平均裂紋寬度代表裂紋長度為10%～15%的寬斷面范圍，平均裂紋寬度和裂紋長度為15%左右的較窄范圍，平均裂紋寬度的平均值為最大平均值和最小平均值[2]。無腐蝕介質及抗滲要求，內部構造正常，最大裂紋長度不應超過0.3mm；在有輕度沖刷但無防水滲漏要求時，最大裂紋長度不應超過0.2mm；如果有嚴格的沖刷和防水滲漏要求，則不應大于0.1mm；若混凝土本身有防水要求，則不能大于0.1mm[3]。以上標準主要從耐久性方面來進行綜合考慮，是工程設計和裂紋檢測工作的主要控制范圍。

3 溫度裂縫

3.1 產生的原因和特征

混凝土在硬化過程中，水泥水化會產生大量的熱量，1g 水泥可以釋放出大約500J 的熱量。泵送混凝土水泥使用量較高，水化熱可使混凝土內部的溫度增加至最高90℃，隨著混凝土內部水化熱量的傳播與積聚，混凝土在澆筑后約2～3d，內部溫度達到最大值，當混凝土結構內外溫差較大時，會造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面就會產生裂縫。這類裂縫的一個最明顯的特點是，在澆筑混凝土后3～4d 會出現裂縫，初期裂縫非常細小，但隨著時間的推移不斷擴大，超過允許值達到貫穿的情況，最后超出規定的范圍。

3.2 影響因素和防治措施

混凝土的溫度應力主要與結構內外溫度相關，因此限制溫度應力的最根本措施就是限制混凝土內部溫度。泵送混凝土開裂的主要原因是大量的水泥水化熱積聚，使混凝土溫度前期上升，后期下降，造成內外溫差。減小溫差的方法是選擇低水化熱水泥，或降低水泥用量。每方混凝土的水泥用量降低10kg，而水化熱使水泥的溫度也相應減少1o。通過實驗證明，在混凝土中添加優質粉煤灰對減少水化熱和溫度應力十分有效。由于粉煤灰粒子成球狀，產生滾珠效應，有一定潤滑效果，增加混凝土的流動性、凝聚力和保水性的同時，對泵送性有一定改善。使用聚羧酸高效緩凝減水劑，可提高混凝土的流動性、黏聚性和保水性，延長混凝土的凝結時間，從而推遲了熱峰的產生，也降低了在混凝土澆筑中產生施工冷縫的可能性。孟中友誼八橋項目C55 泵送混凝土摻粉煤灰混凝土與普通水泥混凝土對比見表1。

表1 孟中友誼八橋項目C55 泵送混凝土摻粉煤灰混凝土與普通水泥混凝土對比

4 收縮裂縫

4.1 產生的原因和特征

混凝土初凝前，內部水分不斷向表面遷移，混凝土在終凝前，水化反應逐漸形成水泥膠體材料，使混凝土結構在塑性階段體積收縮。混凝土硬化過程中，由于混凝土吸附水層比較濕潤，在應力作用之下，水泥膠凝材料的剪切和滑動作用使得水泥石產生黏稠變形，而水泥石通過不斷吸附水分或者層間水的轉移，逐漸引起材料體積收縮。此時，由于混凝土骨架的彈性變形受到水泥膠凝體的約束，混凝土結構會發生一種相對滯后的彈性變形。最后，如果應力過大，混凝土內部會發生些許局部微裂，甚至部分結晶遭到破壞，由此產生永久性裂縫。泵送混凝土現澆構件中，公路梁體泵送混凝土水泥用量多，坍落度大，由于水泥漿體的物理化學反應，會形成部分收縮裂縫。

4.2 影響因素和防治措施

混凝土塑性收縮主要是由于水泥水化過程中自身體積收縮，因此泵送混凝土應使用低收縮水泥，減少混凝土中水泥的用量，降低水灰比?；炷翝仓軐崳駬v時間一般為10～15s/次最佳。施工后1h，或在水泥完全硬化前再進行二次振搗，能有效防止泵送混凝土梁體構件產生收縮沉陷裂縫。掛籃懸臂平衡澆筑施工合龍段泵送混凝土應添加微膨脹劑，減少混凝土內部體積收縮，防止混凝土梁體產生收縮裂縫。塑性階段微膨脹劑混凝土與普通混凝土收縮變化如圖1所示。

圖1 塑性階段微膨脹劑混凝土與普通混凝土收縮變化

5 干縮裂縫

5.1 產生的原因和特征

混凝土的干縮裂縫主要是由于混凝土硬化后長時間的水分揮發引起的。水泥水化形成大量微細空隙，在干燥環境中，水泥膠體中自由水揮發會形成毛細管引力，膠體內部空隙受到壓縮，膠體體積隨水分揮發而不斷收縮，從而使混凝土體積收縮產生細小裂縫。干縮裂縫時間大都是在一個月以上，甚至也有可能在一年半以上，表面部位發生裂紋，裂縫細小。干縮裂縫不僅會引起鋼筋銹蝕，而且嚴重破壞薄壁構件的抗滲和耐久性。泵送混凝土坍落度大，混凝土硬化后，由于內部水分揮發，混凝土表面更容易形成裂縫，從而影響梁體結構的耐久性。

5.2 影響因素和防治措施

混凝土中膠體數量隨混凝土水泥用量及單位用水量增加而增多，因此隨水泥用量及水灰比增大，混凝土干縮相應增大。泵送混凝土應盡量選擇低收縮膠凝材料，添加粉煤灰等降低水泥用量，摻入一定高性能減水劑降低水灰比，摻入少量微膨脹劑，減少混凝土干縮開裂。采取二次供料的純漿工藝，能有效避免水泥砂漿和石料界面的水分堆積，使界面與過渡層結合更緊密，在硬化后增加了內聚力，提高混凝土強度及抗裂能力。對澆筑混凝土進行二次振動，能夠減少混凝土的泌水現象，減少孔隙水分，增加內聚能和最大抗拉強度，降低內部裂紋和多孔性，增加抗裂能力?；炷翝仓瓿珊?，需及時覆蓋土工布，延長混凝土的養護時間。覆蓋養護混凝土散熱均勻，發揮了混凝土的抗拉強度和松弛功能，使混凝土溫差變化所形成的拉應力遠低于混凝土的抗拉強度，從而避免了貫穿裂紋的形成。不同水灰比混凝土干縮變形率如圖2所示。

圖2 不同水灰比混凝土干縮變形率

6 結語

綜上所述，由于橋梁泵送混凝土水泥用量較多、單位用水量大、砂率較高等特點，使混凝土在高強度、高流動性條件下干燥收縮，導致開裂的概率較大。因此泵送混凝土施工中，應加入粉煤灰等礦物摻和料，使用高效緩凝外加劑及微膨脹劑等，減少混凝土用水量，降低混凝土水化熱，減少混凝土硬化后收縮。施工時嚴格控制混凝土出機溫度，加強混凝土振搗及硬化后的養護工作，從而減少泵送混凝土橋梁施工裂縫的產生，提高混凝土橋梁耐久性，實現最佳的工程質量。