鐵路橋梁大體積混凝土結構防裂分析

梁大剛

(北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855)

0 前 言

根據我國《大體積混凝土施工標準》(GB 50496—2018)[1]里規定：混凝土結構物實體最小幾何尺寸≥1 m的大體量混凝土或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土，稱之為大體積混凝土。在鐵路橋梁工程建設中，大體積混凝土普遍存在且多為鋼筋混凝土，一旦開裂達到一定程度，勢必導致露筋等質量隱患出現，對混凝土結構的受力將造成嚴重的影響，因此，防裂工作非常重要。

1 開裂類型及處理

常見的鐵路橋梁工程大體積混凝土主要有承臺、實體墩臺身、連續梁、移動模架現澆梁、箱梁等結構形式。比較容易出現裂縫的部位有承臺四周及頂面、墩臺身四周表面、梁體的底表面。

鐵路橋梁工程大體積混凝土結構常見的開裂類型，按照開裂寬度大小，一般可以分為裂紋(寬度小于0.2 mm)和裂縫(寬度大于0.2 mm)兩種類型；按照開裂長度長短不同，一般可分為龜裂(多條寬度很小的開裂，通常呈網狀)、局部裂(寬度大于0.2 mm，僅在結構局部較小區域)、貫通裂縫(結構表面被裂縫貫通)等類型；按照結構開裂的位置，一般可分為結構開裂(通常在施工縫位置)和表面開裂(非施工縫位置)。

鐵路橋梁工程大體積混凝土結構出現開裂，應由施工單位技術管理部門組織分析，必要時應要求相關方面的專家參與。若經分析后認為開裂對大體積混凝土結構的安全及使用功能沒有影響，則一般采用返修處理。對裂縫寬度不大于0.2 mm的，可采用表面密封法處理，即采用封縫膠等材料，將縫隙填滿補平即可。對縫寬超過0.3 mm的開裂，多采用嵌縫密封法進行處理。但對縫深較大時，則多用灌漿修補的方法。經分析研究認為影響結構的安全和使用功能時，則應按具體情況制定專項方案，必要時還需要組織專家論證甚至由設計單位進行受力簡算和結構分析，確保結構質量合格。裂縫處理必須嚴格按方案進行處理，情況嚴重的應進行返工處理。

2 開裂原因分析

2.1 按影響因素分類

鐵路橋梁工程大體積混凝土結構開裂的原因，按照影響因素分，主要分為人、材、機三個方面，但施工工藝工法和施工環境對開裂的影響也不可忽視。

1)人，在大體積混凝土結構施工中起決定性的作用，鐵路橋梁工程大體積混凝土結構防裂應重點以控制人的影響因素為出發點。人的因素分為兩個方面，一是施工過程中施工現場實際操作工人的專業業務能力和熟練程度，專業業務能力越強，熟練程度越高的工人，越能清楚哪些環節比較容易造成結構開裂，越能有效控制開裂問題的發生。二是施工單位項目部的質量管理體系運行狀況及技術管理能力，質量管理體系運行越良好、技術管理能力越強，對開裂現象的控制效果會越好。

2)材，主要指混凝土的組成材料，包括工程材料和施工用料，又包括原材料、半成品、成品、構配件和周轉材料等。各類材料是混凝土施工的物質基礎，若材料質量不符合要求，混凝土結構的質量就難以保證，預防開裂也是空談。

3)機，在大體積混凝土結構施工中可能涉及到的機械和工器具。包括混凝土拌和站的拌和機、混凝土罐車、混凝土輸送泵車、振動器等相關機械及工器具。機械設備的影響雖然不及人的因素影響大，但機械及工器具卻是保證大體積混凝土順利施工的物質條件。物質條件越好，越有助于避免開裂。

4)施工工藝工法，主要指的是采取的工藝措施和施工方法，施工工藝越先進，施工工法越適用，越有助于預防開裂。如在實際施工中采用人工灑水養護的結構比自動噴淋設備進行養護的混凝土結構更容易開裂。

5)施工環境的影響，主要包括自然氣候環境因素、管理環境因素以及作業環境因素。自然環境主要是混凝土結構施工及養護過程中的氣候條件，如在雨天、低溫環境下澆筑的混凝土結構，更容易開裂。管理環境主要是指混凝土結構施工過程中的管理協調，澆筑過程中有中斷的結構比連續澆筑的結構更容易開裂。作業環境主要是指結構混凝土結構形成過程中的平面及空間環境條件等，如通風、夜間施工時照明條件等方面良好，越能保證混凝土結構成型過程的順利進行，減少開裂的可能。

2.2 按形成原因分類

鐵路橋梁工程大體積混凝土結構開裂的原因，按照形成原因，可分為自身原因和外部原因兩個方面。

第一，我國受國內外經濟、政治的變化影響，中國在參與國際財經合作的形式和手段更加多元化、合作內容也更為豐富，中國對于世界經濟長期穩定可持續發展起到了越來愈重要的作用，中國政府一直在積極調整宏觀經濟政策，加強宏觀調控，實現全球經濟長期、穩定、快速增長。

1)自身原因。主要有兩個方面：一是結構外形設計不合理，如在梁部，由于為了局部美觀等方面原因，設計過多的凹凸棱角，因為局部應力集中而導致結構開裂；二是原材料選擇不當，如水泥品種、外加劑、骨料等選擇不當，造成結構內的水化熱釋放不到位，因熱量堆積超限而導致結構開裂。

2)外部原因。主要有三個方面：一是施工環境條件不達標，如在高溫季節施工時入模溫度控制不到位，或在低溫季節施工時未采取必要的防寒保暖措施，因結構內外溫差過大導致開裂；二是施工工藝不達標，如施工過程振搗不到位，或工后養護措施跟進不及時、養護不到位、拆模過早等，因蜂窩麻面或表面收縮導致結構開裂；三是張拉結構張拉施工管理不到位，如因為控制參數選擇不當造成欠張拉或者過張拉，造成結構實際與設計要求不符，不滿足設計及驗標要求導致開裂。

3 應對措施

3.1 強化源頭管理，從設計上減少不必要的棱角

設計單位應在確保安全和質量的前提下統籌兼顧，對建筑物的適用性、裝飾性進行適當修改，減少不必要的棱角。

3.2 結合實際需要，嚴謹選材，物盡其用

1)水泥混凝土原材料的品種選擇，對預防開裂至關重要。應盡量選擇礦渣水泥或復合硅酸鹽水泥等適用于大體積混凝土施工的低水化熱品種的水泥，杜絕采用快硬硅酸鹽水泥等不利于大體積混凝土釋放水化熱的品種。

2)水泥混凝土地材的質量越好，越有助于預防開裂。選用級配越好的粗、細骨料，混凝土開裂的幾率越低。如在厚大無筋或少筋的大體積混凝土，適量摻入優質的大石塊，能不同程度地減少水化熱，有效預防開裂。不過對于摻入的石塊總量應嚴格控制，原則上不應超過混凝土的20%。另外，細骨料方面，選用中粗砂，更有利于預防開裂。

3)水泥混凝土輔助材料，隨著不斷的科學實踐，越來越多的被運用到實際施工中。常用的輔助材料有摻合料和外加劑，摻合料對混凝土裂縫有顯著作用，如粉煤灰、礦粉等摻合料，可以提高混凝土的和易性、改善混凝土的工作性能[2]。摻合料的選用，應著重考慮摻合料自身的理化性能，否則將適得其反。如粉煤灰這類對混凝土的早期干縮影響較大的摻合料，要顧及到細度較粗或含碳量高時會大幅度增加混凝土的需水量。另外，在大體積混凝土配備時適量添加外加劑，能明顯改善混凝土工作性能。如在大體積結構的混凝土中摻入適量的減水劑，不僅減少拌和用水，而且節約水泥和降低了水化熱。此外，對于泵送混凝土，尤其在炎熱的夏天施工時，為了方便施工，往往采用加緩凝劑，以有效延緩凝結時間，合理釋放水化熱。

3.3 嚴控施工工藝，減少不規范行為

1)結合實際，選取合適的施工工藝，有效強化混凝土成形過程的質量控制。如選取合適的振搗方式，以及加強澆筑過程中的振搗效果，均能提高混凝土的密實度，有效避免開裂。同時，要控制振搗時間，防止過振或漏振。振搗的效果，要以混凝土表面泛漿、振搗力波及范圍重疊1/2為宜。對于過厚的混凝土，宜分層澆筑，分層流水振搗，在確保在下層初凝前必須完成上層混凝土的澆筑，以減少施工中出現水平施工縫，確保混凝土結構的整體性。施工完成后應對混凝土結構頂面進行壓實、收平，以增強混凝土頂面的密實度和抗裂能力，降低裂縫產生的可能。

2)采取積極措施，減少季節性特點對混凝土質量的影響。冬期施工時，應采取合理可行的保溫措施預防開裂，要嚴格控制混凝土內外的溫差，避免發生混凝土表面被凍裂。夏季施工時，則盡量避開高溫和太陽輻射較高的時段進行，澆筑混凝土安排在夜間為宜，拌和混凝土前采取措施冷卻粗骨料，以降低混凝土的澆筑溫度[3]。

3.4 采取技術措施，有效釋放水化熱

圖1 某項目施工現場圖

3.5 加強工后養護，嚴格質保措施

1)嚴格落實混凝土的養護措施及溫度檢測。要嚴格按照施工方案要求，在混凝土澆筑完畢后，及時采取灑水覆蓋等養護措施，切實降低混凝土結構的內外溫差，進而有效降低結構的自約束應力。同時應有效降低混凝土結構的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強度，以提高混凝土塊體的抗裂能力。在養護過程中保持良好的濕度和抗風條件，使混凝土在良好的環境下養護，確保混凝土澆筑塊體的里外溫差及降溫速度滿足溫控指標的要求。保溫養護的持續時間應根據溫度應力加以控制和確定。保溫覆蓋層的拆除分層逐步進行，在保溫養護過程中保持混凝土表面的濕潤[4]。

2)合理控制拆模時間，禁止早拆模。有的單位在混凝土澆筑完成后，為了提高模板的周轉率，經常早早拆模，這種行為是不可取的。如果混凝土體內的溫度高于當地氣溫，拆模過早會引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑的混凝土，如果過早拆模，則會由于在混凝土澆筑初期水化熱散發，在混凝土表面引起相當大的拉應力，若混凝土溫度高于氣溫，此時拆除模，表面溫度驟降，易產生溫度梯度，從而在混凝土表面附加一拉應力，與水化熱產生的應力形成疊加效應，加之混凝土干縮，表面的拉應力較大，勢必導致混凝土表面開裂。

3.6 強化預應力施工管理，嚴格落實設計要求

對預應力混凝土結構，張拉施工應嚴格按設計及驗收標準要求進行，提前開展摩阻試驗，選定合理的摩阻系數。張拉所用的設備應定期校核檢驗，嚴格千斤頂與油表的對應關系，確保一一對應，張拉工序應合理，張拉前混凝土必須達到設計要求的強度指標。

4 質量控制措施

鐵路橋梁工程在鐵路項目建設中占比較大，是非常重要的專業工程之一，在建設階段應嚴格按照國鐵集團風險管理有關要求，遵循安全第一、預防為主、動態管理、分階段實施的原則，全面推行風險管理，落實質量責任。在項目建設過程中應做好以下工作，確保工程建成后滿足各項功能要求。

1)標準化作業，規范化管理。嚴格按照國鐵集團關于鐵路建設標準管理有關要求，落實橋梁工程混凝土結構的施工要求，積極推行標準化建設和管理，讓標準成為習慣，讓習慣符合標準。建立健全完整的質量管控體系，嚴格落實技術交底制度和工序驗收制度，確保質量管理責任到人[5]。

2)強化質量管理人員素質建設，嚴格控制工序質量。同樣的建設標準，不同的管理人員對質量控制的成果千差萬別，因此，施工單位必須高度重視現場技術人員、質量管理人員的素質建設，加強技術培訓和交底，采取積極措施切實提升業務能力和管理水平，確保工序質量得到嚴格控制、混凝土工程質量符合設計及驗收標準。

3)嚴格工后排查，切實消除隱患。鐵路橋梁工程建設周期長，部分混凝土結構的開裂蟄伏的時間也不等，有的很快出現，有的可能要較長時間，因此，在工后組織必要的排查十分有必要，對排查出的裂紋、裂縫等隱患應列表建檔，逐個整改消除隱患[6]。對一般的裂縫處理，采取灌漿封閉等措施處理。對裂縫長度、寬度、深度超標的，要切實制定隱患整治方案，必要時應組織專家評審，確保隱患得到整治。

5 結束語

本文主要圍繞鐵路橋梁大體積混凝土結構的防裂措施展開探討，相關施工人員在施工過程中，必須做好各項工作，把控細節，從整體上保證和提升工程質量。

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