高速铁路桥梁墩身混凝土裂缝控制技术探讨

甘 小 江

(中铁隧道集团四处有限公司，广西 南宁 530007)



高速铁路桥梁墩身混凝土裂缝控制技术探讨

甘 小 江

(中铁隧道集团四处有限公司，广西 南宁 530007)

以某高速铁路桥梁墩身施工为例，主要从外力荷载、地质条件、原材料、施工工艺等方面，对裂缝的成因进行了分析，并采取了相应的预防和控制措施，以避免高速铁路桥梁墩身混凝土裂缝的产生。

高速铁路，墩身，混凝土，裂缝成因

0 引言

随着高速铁路的迅速发展，以及山区铁路修建复杂桥梁工程不断出现，大承台、高墩柱等大体积混凝土的应用越来越广泛。但是，墩身大体积混凝土裂缝是一直困扰着桥梁工程技术人员的技术难题，许多桥梁墩身混凝土在施工过程中出现了不同程度、不同形式的裂缝[1]，其成因复杂、繁多，有时多种因素相互影响。尽管在施工中也采取了各种措施但裂缝仍然时有出现，有些还造成了无法估量的损失。为了减少和控制裂缝的出现，降低经济损失，本文依托某高速铁路桥梁工程墩身大体积混凝土施工，对裂缝的成因、采取的措施等进行探讨。

1 工程概况

新建某高速铁路正线数目为双线，设计速度350 km/h，线间距5 m，轨道结构形式为CRTSⅠ型双块式无砟轨道，主体结构设计使用年限100年。桥梁工程采用钻孔桩+承台基础，墩柱高30 m以内采用圆端形实体墩，上部结构以预制简支梁为主，上跨铁路、公路时采用悬臂灌注连续梁。圆端形实体墩柱厚度2 m～3.9 m，高度5.5 m～20 m，混凝土强度等级为C35或C40，其位于纵向两侧墩身中心线处各设一宽20 cm、深20 cm的凹槽，凹槽全墩高设置。施工中墩身浇筑脱模时或脱模后1 d内在凹槽处出现竖向裂缝，连续或间断沿墩柱方向延伸，宽度为0 mm～0.4 mm不等。

2 裂缝成因分析

2.1 地质条件引起

墩身基础地质变形产生不均匀沉降或水平位移，可以造成墩身混凝土产生附加应力而出现裂缝。根据现场对承台、墩身的沉降观测结果分析，基础无不均匀沉降和水平位移情况，故排除因地质不均匀变形引起裂缝。

2.2 外加荷载产生

墩身施工后由于存在外加荷载如外力撞击、地震、爆破等外力冲击作用引起的混凝土开裂，从现场墩身施工过程中，在裂缝出现时并无任何的外力作用，因此非因外加荷载而产生的裂缝。

2.3 混凝土冻胀原因

当混凝土在已吸水饱和，气温低于0 ℃情况下会发生冰冻，混凝土中游离的水会冻结成冰，其体积会增大9%[2]，导致混凝土内部产生膨胀应力引起开裂。本项目桥梁墩身从2016年5月份开始陆续灌注，施工的墩身均处于夏季期作业，不存在混凝土冰冻膨胀条件，可排除此项因素。

2.4 墩身钢筋锈蚀引起

钢筋锈蚀后其体积将大大超过原体积，使钢筋位置处的混凝土受到内压力而产生裂缝，并随之剥落。本项目所处地理环境未属于腐蚀环境，且墩身钢筋在加工厂房统一堆放、加工，运至作业面及时安装，并无钢筋长期露天堆放和腐蚀造成锈蚀现象，因此可排除因钢筋锈蚀导致裂缝产生这一因素。

2.5 结构本身设计引起

在桥梁墩身结构设计时，对于墩身结构受力的假设和受力检算与实际情况差距过大，安全系数不够，墩身配筋过少或布置不合理，墩身本身刚度不足等，都有可能引起裂缝。本项目所施工墩身采用的参考图为通用图，其墩身结构设计已经多条铁路线证实，并无因结构设计、配筋不合理引起裂缝的案例，说明凹槽处的裂缝并非自身设计缺陷引起。墩身的结构设计不是裂缝产生的原因。

2.6 混凝土原材料质量引起

采用不合格的材料配置混凝土，如水泥安定性差、水泥出厂强度不足、砂石粒径过小及级配不合理等均有可能导致墩身出现裂缝。本项目墩身混凝土强度等级为C35或C40，配合比采用P.O42.5水泥，C35混凝土水泥用量280 kg/m3，水胶比0.41；C40混凝土水泥用量304 kg/m3，水胶比0.38，水泥用量、水灰比配置在合理范围内。前期所用砂石料虽存在部分河砂粒径偏小、含泥量超标等质量不稳定现象，但通过对同期浇筑、使用同批材料而增设了冷却管的承台大体积混凝土观测，承台未出现裂缝，因此本项目前期墩身混凝土材料质量不稳定因素不是裂缝形成的关键。

2.7 混凝土内外温差引起

由于混凝土的导热性能较差，其内部温度显著升高后，体积膨胀，而外部环境却随气温降低而冷却收缩，混凝土内部膨胀与外部收缩这两种作用互相抵制，使外部混凝土产生很大的拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现裂缝。而混凝土的水泥在水化过程中放出的热量是混凝土芯部温度快速上升的主要因素。通过对墩身几个循环墩身混凝土内部温度监测，发现其第1天，第2天温度迅速上升至峰值65 ℃～70 ℃，最高达71 ℃，芯部与混凝土表面、与环境温度差最大达24 ℃，超过规范规定温差不超过20 ℃范围，墩身脱模时即发现凹槽处竖向裂缝,可以判定水化热过高对产生裂缝起关键作用。且对裂缝的宽度及墩身结构尺寸进行统计分析，发现墩身结构尺寸越大相应的裂缝也越宽，表明墩身体积越大混凝土产生的水化热越高，对裂缝的影响越大，说明混凝土水化热引起的内外温差过大是本项目墩身中心凹槽处产生裂缝的主要因素。

3 预防和控制裂缝措施

针对墩身裂缝成因分析确定水化热是混凝土内外温差过大产生裂缝的主要原因，采取以下技术措施，以预防和控制裂缝。

3.1 原材料质量控制和选用

1)水泥：在满足混凝土强度条件下配置低升温、低发热的混凝土，减小水泥用量，选用低水化热水泥，优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

2)骨料：混凝土受拉破坏的主要形式为水泥石与粗骨料粘结界面处的破坏，而混凝土的抗拉强度很大程度取决于水泥与骨料的粘连程度。骨料的料径、洁净程度、含泥量高低均是影响混凝土抗拉强度的重要因素，因此选料时采用级配、质量良好的砂石，细骨料采用细度模数Mf≥2.5的中粗砂，砂、石含泥量控制在1%以内，配以较低水灰比、适量的粉煤灰和外加剂，以减少水泥水化热，达到减小混凝土内部拉应力的效果。

3)外加剂：混凝土在拌制过程中可适当加入一定量的减水剂、缓凝剂等，以提高混凝土的和易性，水灰比控制在0.55以下，可延长混凝土初凝时间至5 h左右。

4)混凝土配合比：降低配合比的水灰比，不仅有效降低水化热，而且减少收缩，减少外观弊病。但也不要盲目增加水泥用量，在施工现场，为了提高混凝土的强度，施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，结果收缩明显加大，水化热增加，加大了混凝土开裂的可能性。

3.2 增设冷却管降温和保温措施

大体积混凝土的显著特点是灌注后芯部温度迅速上升，造成内外温差过大，通过采取“内降外保”措施可有效控制混凝土内外温差。“内降”即是在混凝土内部增设冷却管，混凝土浇筑初凝后不间断循环通水降温，并埋设测温管以做好测温记录，通水时间以混凝土内部温度降至与表面、环境温度温差在20 ℃以内后，并继续通水直至芯部温度接近环境温度为止。冷却管采用薄壁钢管，钢管层间距、横向间距以1.0 m为宜，弯头接管安装牢固不脱落，混凝土浇筑前通水检查是否存在堵塞、漏水现象，冷却完成后及时压浆封闭。如混凝土体积较大冷却管一次接管距离较长，可采取多进多出的多个独立循环单元以缩短冷却水在管内循环时间，保证降温效果。测温管可采用PVC管或钢管，测点布置在混凝土浇筑体平面对称轴线上，并沿浇筑体厚度方向布置表面、外表、底面、中心温度温点，测温时测温计在孔内至少留置3 min。“外保”即是在外部采用薄膜、土工布等包裹材料对混凝土进行保温，起到保湿养生目的，同时避免混凝土表面随环境温度起伏大而加大温差。

3.3 其他施工工艺措施

夏季施工混凝土的入模温度较高也可加大内外温差，加强施工工艺和过程管控，降低混凝土入模温度，让其不宜高于28 ℃[3]，对降低其内部温度也起到重要作用，如砂石料仓、拌和用水加棚加盖避免暴晒或其他措施以冷却骨料和水的温度，将混凝土浇筑时间调整至晚间避开高温时段，泵送管加铺草包并喷水及减少循环浇筑混凝土方量以减少水化热，均利于降低入模温度，加强混凝土的捣固，控制混凝土保护层厚度等。混凝土脱模时间除考虑强度外还应考虑如过早拆模会引起混凝土温度过高而表面接触空气时降温过快而干裂，更不能在此时喷洒凉水养护。

4 裂缝处理方法

通过不间断监测裂缝确认其稳定无发展趋势后，及时封闭处理，处理方法有以下几种：

1)表面处理法：包括表面涂抹和表面贴补法，主要用于细微、浅层裂纹。2)填充法：用修补材料直接填充于裂缝处，此方法简单、经济，适用于较宽裂缝，而对于宽度较小且深度较浅的裂缝，可采用V形槽填充。3)灌浆法：采用环氧树脂，加入增塑剂、稀释剂和固化剂等材料对裂缝进行高压灌浆封闭，适用于较宽、深度较深的裂缝，此方法效果好，应用范围广。

5 结语

裂缝是桥梁工程墩身混凝土的常见通病之一，也是工程技术人员需要重点关注的质量环节，但桥墩裂缝的形成原因相当复杂，还须所有工程技术人员对其进一步的探讨。在工程施工过程中加强预防和控制，落实标准化施工工艺，分析其原因，采取有针对性的防裂措施，才能有效地减少或避免混凝土的开裂。此项目通过采取增设冷却管、保温、调整混凝土浇筑时间等“内降外保”措施后，裂缝得到了有效控制，同时也进一步印证了水化热是墩身裂缝产生主要原因的判断，对类似桥梁墩身大体积混凝土施工起到一定的借鉴作用。

[1] 金卫华.混凝土桥墩裂缝分析与控制[J].西部探矿工程，2003(10):145-148.

[2] 李卫军.混凝土桥墩裂缝的成因分析及处理方法[J].交通标准化，2012(13):150-152.

[3] 铁建设[2010]241号,铁路混凝土工程施工技术指南[Z].

On crack control techniques for pier concrete on expressways and bridges

Gan Xiaojiang

(FourthDivisionCo.,Ltd,ChinaRailwayTunnelGroup,Nanning530007,China)

Taking the bridge pier construction of some expressway as the example, the paper analyzes the reasons for the cracks from the loading of external forces, geological conditions, raw materials and construction craft, and adopts the respective prevention and controlling measures, so as to avoid the cracks on the bridge pier construction of expressways.

express railway, pier, concrete, crack reason

2016-11-26

甘小江(1977- )，男，工程师

1009-6825(2017)04-0186-03

U445.71

A