铁路桥梁刚性实体墩台混凝土裂缝控制

铁３２　道建筑　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００６　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３—１９９５（２００６）１２—００３２—０３　铁路桥梁刚性实体墩台混凝土裂缝控制　刘　萍　（中铁七局武汉公司，武汉４３００７１）　摘要：铁路桥墩台混凝土产生裂缝，近期越来越多。铁路桥梁刚性实体墩台混凝土从其结构分析为大体　积混凝土，通过分析大体积混凝土裂缝产生的原因，提出控制墩台身混凝土裂缝的措施。　关键词：铁路桥梁　刚性实体墩台混凝土　大体积混凝土　裂缝　中图分类号：Ｕ４４３．２文献标识码：Ｂ　晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应　１墩台混凝土裂缝产生的主要原因分析　作者在２０多年的实际施工中所修建的铁路桥梁　刚性实体墩台的最小尺寸大多在１．５　ｍ左右，根据《铁　力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的　残余应力相迭加。　根据温度应力引起的原因可分为两类：　１）自约束应力：边界上没有任何约束或完全静定　的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身　路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》（ＴＢ１０４２４－－　２００３）９．１．１条及其条文说明可知，铁路桥梁实体墩台　混凝土是大体积混凝土。而在日常施工中由于桥梁墩　互相约束而出现的温度应力。桥梁墩台身，结构尺寸　相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在　表面出现拉应力，在中部出现压应力。　台是一个个独立的个体，往往很容易疏忽这一点，被当　作普通混凝土进行施工。　混凝土结构在建设和使用过程中出现不同程度、　不同形式的裂缝，这是一个相当普遍的现象。根据国　内外的调查资料，工程实践中结构物产生裂缝的原因，　属于由变形变化（温度、湿度、地基变形）引起的约占　８０％，属于荷载引起的约占２０％。　２）外约束应力：结构的全部或部分边界受到外界　的约束，不能自由变形而引起的应力。基础对墩台和　老墩台对新墩台的约束。铁路墩台混凝土基础对墩台　和老墩台对新墩台的约束，都通过他们之间的剪应力　和变位的关系反映出来。这两种温度应力往往和混凝　土的干缩所引起的应力共同作用。　１．２施工工艺的影响　在大体积混凝土工程施工中，混凝土硬化期间水　泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉　应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土　铁路桥梁刚性实体墩台普遍采用Ｃ２０混凝土，由　于在施工中为加快施工进度，缩短工期，采用了混凝土　泵送技术。为了满足混凝土泵送的要求，对混凝土配　合比进行了调整，如加大了水泥用量等，将影响裂缝的　发生发展。　的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低　也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力　超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。　１．１温度应力　１）水泥用量增大：Ｃ２０泵送混凝土的水泥用量通　根据温度应力的形成过程可分为三个阶段。　常采用３５０　ｋｇ／ｍ　，为便于管道泵送，相同强度等级的　泵送混凝土的水泥单方用量比普通混凝土多ｌ０％～　早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，这　个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是　ｌ５％，水泥用量的增多，使混凝土的收缩量也相应增　大。　混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，　这一时期在混凝土内形成残余应力。　２）水灰比加大：泵送混凝土的水灰比常采用０．５　～中期：自水泥放热作用基本结束至混凝土冷却到　稳定温度时止，这个时期，温度应力主要是由于混凝土　的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成　的残余应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化　不大。　０．６，水是影响混凝土收缩的最主要原因。混凝土中　用水量越大，坍落度越大，则干缩越大。水灰比为０．６　的混凝土收缩值比０．４的收缩值增加约４０％，因此严　格控制水灰比是十分重要的。　３）粗骨料粒径减小：为满足管道顺畅地输送混凝　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第１２期　铁路桥梁刚性实体墩台混凝土裂缝控制　３３　土，粗骨料的粒径不宜超过管道内径的１／４，粗骨料粒　径减小，在配合比不变的情况下，其用水量或水泥用量　相应增加，从而使混凝土的收缩相应增大。例如，粒径　５～２５　ｒｎｒｎ碎石或卵石的混凝土比２５～４０　ｍｍ粒径的　粗骨料，水泥用量增加１５　ｋｇ／ｍ３，用水量将增加６～８　ｋｇ／ｍ３。　４）砂率增大：为保证泵送混凝土的流动性、粘聚性　和保水性，便于泵送和浇筑，常采用的砂率为４５％，比　普通混凝土增大６％以上。砂率的加大，混凝土中粗　骨料用量相对减少，而粗骨料在混凝土中是抵抗收缩　的主要材料。因此，在配合比相同的情况下，随着砂率　的加大，混凝土的收缩率也随之增大。　１．３环境方面的影响　施工时的气象条件也是影响混凝土裂缝（主要是　表面裂缝）的主要因素。在气候干燥和大风季节．混凝　土浇灌后不覆盖立即开裂。据介绍，风速为１６　ｍ／ｓ　时，混凝土中水分蒸发速度为零风速时的４倍，相对湿　度１０％时，蒸发速度为相对湿度９０％时的９倍以上，　如果将风速作用和湿度影响叠加，则可推算出此时混　凝土干燥速度是通常条件下的１０倍之多。但这种裂　纹一般都是表面裂纹，对混凝土结构没有影响。　２大体积混凝土裂缝计算　２．１　自约束裂缝控制计算　＝２／３×Ｅ（　）ａ△　ｌ（１一ｖ）　＝１／３×Ｅ（ｆ］ａ△Ｔｌ（１一ｖ）　式中　、　——分别为混凝土的拉应力和压应力　（ＭＰａ）；　Ｅ（ｆ】——混凝土弹性模量（ＭＰａ）；　ａ——混凝土的热膨胀系数（１０　／ｃＩ＝）；　△　．——混凝土截面中心与表面之间的温差　（ｃｃ）；　ｖ——混凝土的泊松比，取０．１５～０、２０。　根据上式计算的　，如果小于该龄期混凝土的抗　拉强度，则不会出现表面裂缝，否则就有可能出现裂　缝。由上式可知，采取措施控制温差△　．就可有效控　制表面裂缝的出现。《铁路混凝土与砌体工程施工质　量验收标准》ＴＢ１０４２４－－２００４规定：大体积混凝土浇筑　完毕后，应在养护期间测定混凝土表面和内部温度，其　拆模温差应符合设计要求。当设计未提出要求时，温　差不宜＞２５℃。　２．２外约束裂缝控制计算　详细的计算方法及公式可查阅《建筑施工计算手　册》或《工程结构裂缝控制》。　１）混凝土浇筑前裂缝控制计算　在大体积混凝土浇筑前，根据施工采取的施工方　法、裂缝控制技术措施和已知施工条件，先计算混凝土　的最大水泥水化热温升值、收缩变形值、收缩当量温差　和弹性模量，估量混凝土浇筑后可能产生的最大温度　收缩应力，以确定采取的裂缝控制技术措施是否可行，　是否有效。计算步骤如下：①计算混凝土绝热温升值；　②计算各龄期混凝土收缩变形值；③计算混凝土的收　缩当量温差；④计算各龄期混凝土的弹性模量；⑤计算　混凝土的温度收缩应力。　２）混凝土浇筑后裂缝控制计算　大体积混凝土浇筑后，根据实测温度值和绘制的　温度升降曲线，分别计算各降温阶段产生的混凝土收　缩拉应力，其累计总拉应力值如果不超过同龄期的混　凝土抗拉强度，则表示所采取的防裂措施能有效地控　制预防裂缝的出现。如果超过同龄期的混凝土抗拉强　度，则应采取加强养护和保温措施，使其缓慢降温和收　缩，提高该龄期的混凝土抗拉强度、弹性模量、发挥徐　变特性等，以控制裂缝的出现。计算步骤如下：①计算　混凝土的水化热绝热温升值；②求混凝土实际最高温　升值；③计算混凝土水化热平均温度；④计算混凝土结　构截面上任意深度的温差；⑤计算各龄期混凝土收缩　变形值、收缩当量温差和弹性模量；⑥计算各龄期混凝　土的综合温差和总温差；⑦计算各龄期混凝土松弛系　数；⑧计算最大温度应力值。　３墩台大体积混凝土施工裂缝控制　３．１温度控制的措施　１）在混凝土配合比设计阶段，合理选用水泥品种一　如果设计没有特殊规定，优先选用矿渣硅酸盐水泥　采用改善骨料级配，在大多数地方粗骨料都是单粒级　时，选用两种粒级的粗骨料，用小粒径的骨料填充大粒　径骨料的空隙，减少水泥用量。选用合理的坍落度，泵　送混凝土一般选用１０～１２　ｃｍ，不要＞１５　ｃｍ。掺加混　合料、外加剂等措施以减少混凝土中的水泥用量，降低　水化热。　２）在施工阶段，拌合混凝土时加冰或用水将碎石　冷却以降低混凝土的浇筑温度。在混凝土中埋设水　管，通入冷水降低混凝土内部温度，钢模板外采取保温　措施，降低混凝土内外温差。　３）规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保　温，以免混凝土表面发生急剧的温度变化。　４）施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面，在寒冷　维普资讯 http://www.cqvip.com

铁道建筑　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００６　季节应采取保温措施。　３．２改善外约束条件的措施　防止水泥迅速水化放热基础上，避免因水泥长期不凝　而带来的塑性收缩增加。　在基础完成后尽快组织墩台身施工，间隔时间控　制在７　ｄ左右，改善基础对墩台的约束。墩台身和墩　帽尽量在一次施工完成，减少施工缝。　３．３其他措施　９）掺外加剂的混凝土和易性好，表面易抹平，形成　微膜，减少水分蒸发，减少干燥收缩。　许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功　能，在工程实践中应多进行这方面的试验对比和研究，　在混凝土的施工中，为了提高模板的周转率，往往　要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气　温时应适当考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早　比单纯的靠改善外部条件，可能会更加简捷、经济。　３．４混凝土的早期养护　实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度　期裂缝。如一定要尽早拆模，宜在拆除模板后及时在　表面覆盖轻型保温材料，如泡沫海棉等，对于防止混凝　土表面产生过大的拉应力具有显著的效果。　在混凝土中加入钢筋网片。网片布置在离外表面　５～１０　ｃｍ的范围内，钢筋直径宜细，间距较密。加筋　后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深　度较小了。　为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的　耐久性，正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。　例如使用减水防裂剂，笔者在实践中总结出其主要作　用为：　１）混凝土中存在大量毛细孔道，水蒸发后毛细管　中产生毛细管张力，使混凝土干缩变形。增大毛细孔　径可降低毛细管表面张力，但会使混凝土强度降低。　这个表面张力理论早在２０世纪６０年代就已被国际上　所确认。　２）水灰比是影响混凝土收缩的重要因素，使用减　水防裂剂可使混凝土用水量减少２５％。　３）水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素，掺加　减水防裂剂的混凝土在保证混凝土强度的条件下可减　少１５％的水泥用量，其体积用增加骨料用量来补充。　４）减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度，减少混凝　土泌水，减少沉缩变形。　５）提高水泥浆与骨料的粘结力，提高混凝土抗裂　性能。　６）混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应　力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂　可有效地提高混凝土的抗拉强度，大幅提高混凝土的　抗裂性能。　７）掺加外加剂可使混凝土的密实性好，可有效地　提高混凝土的抗碳化性，减少碳化收缩。　８）掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当，在有效　的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成，寒冷地区的　温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防　止表面早期裂缝尤其重要。从温度应力观点出发，保　温应达到下述要求：　１）防止混凝土内外温度差及混凝土表面温度梯　度，防止表面裂缝。　２）防止混凝土超冷，应该尽量设法使混凝土的施　工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。　３）防止老混凝土过冷，以减少新、老混凝土间的约　束。　４应用实例　根据大体积混凝土裂缝产生的原因分析，在鄂州　特大桥试验墩施工时采用的方案为：定型钢模，泵送混　凝土。Ｃ２０混凝土配合比：Ｐ．Ｏ　４２．５水泥３００　ｋｇ，中砂　７１７　ｋｇ，１～３　ｃｍ碎石１　１４３　ｋｇ，水１８７　ｋｇ，粉煤灰５２　ｋｇ，　外加剂ＦＤＮ—Ｈ　２．４　ｋｇ。现场实测坍落度１４～１６　ｅｍ。　混凝土开盘时环境温度为１４℃，各种材料均露天存　放，无保温措施，实际测得混凝土入模温度为１６℃。　采取的措施为：在墩身内增加钢筋网片，内部用冷水管　降温，外部用电热板升温，２　ｈ观测一次内外温差，保证　温差控制在２５℃以内。由于在混凝土灌注后气温急　剧下降Ｎｏ℃以下，又加上了温棚，确保混凝土内外温　差≤２５℃，拆模温度控制在混凝土内部温度与环境温　度之差＜２５℃，并在拆模后迅速恢复温棚，保温保湿　养护２８　ｄ。采取工程措施后施工的墩台混凝土未发现　裂缝。　收稿日期：２００６—０８—１５　（责任审编　王天威）