趙志航

(黑龍江省公路勘察設(shè)計院)

薄壁臺裂縫成因分析

趙志航

(黑龍江省公路勘察設(shè)計院)

摘 要:探討了鋼筋混凝土薄壁式橋臺產(chǎn)生豎向裂縫的原因及防治措施，并對裂縫的處理提出了建議。

關(guān)鍵詞:薄壁式橋臺;裂縫;成因;分析

在鋼筋混凝土薄壁式橋臺施工過程中或完工初期，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)量不等、長度和寬度不同的豎向裂縫。為解決類似問題，設(shè)計上采取了加密鋼筋、加大鋼筋直徑以及提高混凝土強度等級等措施加以解決，但實踐證明情況并沒有得到改善。這些裂縫的存在雖然目前乃至以后一段時間內(nèi)不會影響其結(jié)構(gòu)功能及承載能力，但是這些裂縫如不能停止發(fā)展或得到妥善處理，必將對構(gòu)造物的耐久性造成不利影響，特別是當構(gòu)造物受到有害氣、液體侵蝕或處于潮濕、冰凍環(huán)境及沿海地區(qū)這一矛盾顯得更為突出。

1 裂縫狀況

鋼筋混凝土薄壁式橋臺臺身厚度多數(shù)為50～70 cm，高度大于2 m，長度均大于10 m(可視為直立大面積混凝土厚板)，且中間不設(shè)置伸縮縫。施工方式采用現(xiàn)澆混凝土施工，置于淺基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)之上。

裂縫由基礎(chǔ)或承臺頂部開始，由下而上延伸。裂縫寬度不等，一般在0.1～0.5 mm之間，下寬上窄，長度約為構(gòu)造物高度的1/3～2/3;也有少數(shù)通縫現(xiàn)象，但均發(fā)生在高度較矮的構(gòu)造物上，這時構(gòu)造物高度一般小于3 m。構(gòu)造物越長，裂縫的數(shù)量越多，裂縫間距在3 m左右，通常兩橋臺的裂縫位置相互對應(yīng)。

2 裂縫產(chǎn)生的原因

鋼筋混凝土裂縫不外乎以下幾種:即沉縮裂縫、溫度裂縫、干縮裂縫、化學作用裂縫和結(jié)構(gòu)性裂縫結(jié)構(gòu)性;裂縫又分為應(yīng)力裂縫和施工因素裂縫。鋼筋凝土薄壁式橋臺的豎直裂縫形成歸為溫度影響、混凝土收縮及特定的施工因素等共作用的結(jié)果。

黑龍江省地處我國北方，近幾年干旱、高溫和干燥的氣候時間較多。受工期及氣候限制，構(gòu)造物的現(xiàn)澆混凝土施工往往在溫和干燥時候施工。對這一情況設(shè)計和施工方面沒充分估計到，因此對策措施就不十分全面。

2.1 設(shè)計上考慮混凝土熱期施工、水化和干縮的影響不充分

在高溫條件下澆筑混凝土，由于忽視降溫措施，使?jié)仓炷翜囟绕?。另外，這些構(gòu)造物大體積混土特性比較明顯，由于其內(nèi)部水泥水化熱導致的混凝土升溫是不能忽視的，它給熱期施工的混凝土起到溫上加溫的效果?；炷恋木€脹系數(shù)為1.0×10-6℃，較高溫度的現(xiàn)澆混凝土在硬化時將產(chǎn)生較大的溫差，這將導致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大的收縮，嚴重時中午澆筑的混凝土晚上即可因收縮而開裂，一般混凝土收縮值在0.03%～0.04%時就會引起開裂。

硬化后的混凝土在干燥時的收縮率為0.05% ～0.06%，水灰比大的混凝土收縮更大。當混凝土的收縮率為0.05%時，6 m長的構(gòu)件會收縮3 mm，處于受約束的構(gòu)件則會開裂;彈性模量約2.1×105MPa的混凝土在應(yīng)變0.05%時將產(chǎn)生相當于混凝土極限拉應(yīng)力3倍的應(yīng)力，為此，素混凝土4.5～6.1 m應(yīng)設(shè)置一條收縮縫以防止開裂。

由于上述的溫差和干縮共同導致的混凝土開裂單靠所配置的鋼筋去解決是十分困難的。更主要的因素是這些混凝土是澆筑在已成品的基礎(chǔ)和承臺上，當混凝土降溫及收縮時受到基礎(chǔ)和承臺的約束，其內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，因而導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。由于在這個過程中受約束的是結(jié)構(gòu)物下部，其上部仍處于自由狀態(tài)，因此其產(chǎn)生的裂縫是由下而上、并且下寬上窄。

2.2 混凝土澆筑施工環(huán)境溫度高而對策措施不全面

關(guān)于熱期混凝土施工溫度限制以前強調(diào)的不多。在這方面日本規(guī)定是宜低于30℃，并不得高于35℃;美國規(guī)定是不得高于32℃;我國《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定》:混凝土的澆筑溫度應(yīng)控制在32℃以下，宜選用在一天溫度較低的時間內(nèi)進行。上述原則被有些施工部門忽視或突破。鋼筋混凝土薄壁式橋臺(墩)這種結(jié)構(gòu)大體積混凝土的特性較為明顯，雖然可不必采取在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)冷水管用以降低大體積混凝土內(nèi)由于水泥水化熱而升高溫度的措施，即使沒有突破上述規(guī)定而在溫度較高時澆筑混凝土時也應(yīng)采取相應(yīng)的降低施工環(huán)境溫度的措施，這一點并沒使所有施工部門引起注意，給結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生留下隱患。

熱期澆筑混凝土尤其是氣候干燥地區(qū)的成型后混凝土養(yǎng)護是極其重要的，養(yǎng)護工作質(zhì)量不高不但降低強度、快速蒸發(fā)還會產(chǎn)生塑性收縮裂縫。由于這些構(gòu)造物的施工均在干旱之年的炎熱干旱之季，成形后的混凝土養(yǎng)護普遍受到了不良影響，混凝土初凝后要連續(xù)保持7 d潮濕狀態(tài)的規(guī)范要求很難保證，并且間斷灑水養(yǎng)護又形成干濕循環(huán)，極易形成收縮裂縫。

2.3 水泥用量過多

由于薄壁式臺厚度相對小，高度較大，鋼筋設(shè)置又較密，給混凝土澆筑搗實增加了難度，易使薄壁臺出現(xiàn)蜂窩、麻面、露筋甚至爛根的事件，以至有些構(gòu)造物不得不推倒重來。施工部門為克服上述現(xiàn)象，通常都增大新拌混凝土的流動性?；炷涟韬臀锏牧鲃有噪S著溫度的升高而減小，溫度升高10℃坍落度大約減小20～40 mm，熱期施工這一矛盾更為突出。為了解決上述問題，保證混凝土拌和物能有令人滿意的流動性，就必須增加水泥漿用量，進而導致水和水泥用量的加大。水泥用量的加大直接結(jié)果就是水化熱加強而導致混凝土升溫，這就為溫差裂縫的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。而水和水泥的用量增多，又增大了混凝土收縮的可能性。

總之，薄壁橋臺的豎向裂縫產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果。同樣形式的構(gòu)造物在施工時避開了高溫下施工混凝土，而其他相應(yīng)措施也比較完善的情況下并沒有發(fā)生豎向裂縫。

3 預防措施

3.1 設(shè)計

鋼筋混凝土薄壁式橋臺尺寸較大，是大體積混凝土特性較明顯的大面積混凝土板，混凝土溫度變形和收縮變形對其影響是極不利的，更主要的是在高溫干燥環(huán)境下施工，其變形又受基礎(chǔ)和承臺的約束，極易產(chǎn)生裂縫。為防止裂縫的產(chǎn)生，首先要在設(shè)計上采取相應(yīng)措施。

(1)設(shè)定施工要求

設(shè)計文件中應(yīng)強調(diào)這種結(jié)構(gòu)施工過程中一些必須滿足的要求，尤其要強調(diào)高溫、干燥、低溫等惡劣環(huán)境下的施工具體要求。面對目前中小橋涵施工隊伍較雜、技術(shù)水平參差不齊的現(xiàn)實，這種強調(diào)是必要的。

設(shè)計應(yīng)充分考慮北方地區(qū)熱期施工混凝土的客觀現(xiàn)實，在我國北方地區(qū)由于氣候季節(jié)及施工過程各種因素的約束，這種結(jié)構(gòu)的施工很容易被安排在高溫的夏季進行。

(2)設(shè)置抗裂鋼筋和伸縮縫

設(shè)置抗裂鋼筋和伸縮縫是防止鋼筋混凝土開裂的一般做法。配置分布均勻的細鋼筋比同樣含鋼量的大間距粗鋼筋更有好的效果。設(shè)置伸縮縫主要是放松基礎(chǔ)約束的一種措施。伸縮縫的設(shè)置可每隔3～6 m設(shè)置一道。伸縮縫的長度可由基礎(chǔ)和承臺頂表面開始至臺身頂部(不含臺帽)。這既可保證橋涵下部的整體受力特性，又可防止臺身裂縫的產(chǎn)生。

有研究資料表明:混凝土結(jié)構(gòu)自身收縮程度與其體積和表面積之比值成反比關(guān)系，這一特性在混凝土齡期14 d以前尤為明顯。也就是說，對于薄壁式鋼筋混凝土橋臺來說，其厚度較小者比較大者易因混凝土收縮而產(chǎn)生開裂，橋臺設(shè)計時應(yīng)充分考慮鋼筋配置、伸縮縫設(shè)置及施工難易等因素，厚度70 cm優(yōu)于50 cm。

3.2 施工

(1)避開高溫下施工

高溫下施工現(xiàn)澆混凝土既有很多潛在的不利因素又增加施工過程的內(nèi)容和施工成本，因此在做施工組織計劃時盡量使薄壁式構(gòu)件現(xiàn)澆施工避免在高溫干燥季節(jié)時進行。如果客觀條件不允許，具體施工時也應(yīng)避開一日之內(nèi)的高溫時間，而在一日內(nèi)溫度最低時進行，如可在夜間進行。

(2)采取降溫措施

在高溫下現(xiàn)澆混凝土應(yīng)有全面的組織計劃、準備工作充分、施工設(shè)備有足夠的備件并事前做好檢修及保養(yǎng)，保證連續(xù)進行;從拌和機到入倉的傳遞時間及澆筑時間要盡量縮短，并盡快開始養(yǎng)護。澆筑及拌和場地應(yīng)遮蔭以降低模板、鋼筋、拌和機械、骨料、水泥的溫度，不得使用剛出廠的水泥;在澆筑前可在模板、鋼筋和地基上噴水以降溫，但在澆筑時不能有附著水;用冷水或有條件亦可用冰水拌和混凝土;也可結(jié)合大體積混凝土施工的一些要求進行施工，并適當加快澆筑后混凝土的散熱。

(3)降低水泥水化熱升溫及改善混凝土品質(zhì)

降低水泥水化熱的常規(guī)措施是:選用礦渣或火山灰質(zhì)早期低熱水泥;利用混凝土后期增長強度，減少早期升溫;摻粉煤灰混合料減少水泥用量;摻減水劑等外加劑復合使用，防止高溫下坍落度的損失，避免增加水和水泥的用量;如泵送必須采用較大坍落度時，必須使用高效減水劑，這樣大流動拌和物坍落度會持續(xù)2 h以上，同時高效減水劑會降低拌和過程中骨料之間的撞擊，降低拌和時產(chǎn)生熱量;改善骨料級配，配制流動性好的混凝土;所用砂粒徑不能太細，并嚴格控制其含泥量;合理安排工序分層澆筑;留置后澆帶減小約束應(yīng)力。多種措施并用則會起到較好的效果。

(4)加強熱期混凝土施工的養(yǎng)護

混凝土的養(yǎng)護是混凝土施工中的重要環(huán)節(jié)，而在高溫干燥環(huán)境中施工混凝土時這一環(huán)節(jié)更應(yīng)注意并要有詳細周到的落實措施。通常情況下，環(huán)境及表面溫度在32℃、相對濕度10%、風速11～12 m/s時，其蒸發(fā)速度相當于環(huán)境溫度及表面溫度為21℃、相對濕度70%、無風時的50倍，由此可見在高溫干燥時澆筑混凝土其養(yǎng)生條件之惡劣。

養(yǎng)護的具體方法很多，但不管何種方法應(yīng)至少滿足7 d連續(xù)保持所養(yǎng)護構(gòu)造物處于潮濕狀態(tài)的規(guī)范要求，有條件時應(yīng)延長這一過程。不能使所養(yǎng)護構(gòu)造物處于時干時濕的干濕循環(huán)狀態(tài)，使構(gòu)造物表面溫度變化劇烈。如有可能濕養(yǎng)期間采取遮光和擋風措施，以控制溫度和干熱風的影響。

中圖分類號:U445

C

1008-3383(2011)06-0172-02

收稿日期:2011-03-17