高性能混凝土桥墩裂缝成因分析及预防

郭　靖

摘要：本文介绍了郑西客运专线高性能混凝土桥墩裂缝产生的原因及预防缓解措施，以引起后续工程施工的重视，为今后类似工程的施工积累经验。

关键词：高性能混凝土；桥墩；裂缝

1前言

郑西客运专线为我国即武广之后的第二条高速铁路，设计时速350km/h，运营使用寿命为100年。郑西客运专

线的建设在我国铁路建设史上具有划时代的历史意义，结构物施工中所用混凝土均为高性能混凝土。高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，通过改善混凝土的特性来提高混凝土结构物的使用寿命，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对特殊性能有重点的加以保证。高性能混凝土本身应具备六大指标：①抗裂性②护筋性③耐久性④抗冻性⑤耐磨性⑥抗碱—骨料反应。高性能混凝土六大指标决定其具有四大特点：①高耐久性②高工作性③高强度④高匀质性。

做为一种新型建筑材料，同以往所使用普通混凝土相比，高性能混凝土工作性能本身具有显著的优点，抗裂性能、抗氯离子渗透性能、抗碱骨料反应性能、护筋性能、抗冻性能、相对耐久性都有了显著的提高，但作为一种建筑材料，本身也必然的存有一定的缺陷，如对使用环境要求更为严格、材料质量、材料温度、混凝土拌合、混凝土运输、混凝土浇筑振捣的要求相对更为严格。 由于施工环境、气候、施工工艺、混凝土材料组成、混凝土配合比、高性能混凝土早期强度低的特性等因素可能会造成一些混凝土结构物施工缺陷，桥墩混凝土裂缝就是一种通病。本文就此混凝土产生裂缝的原因进行了调查分析，提出了缓解混凝土裂缝的措施，仅供参考。

2裂缝调查情况

由于在其他工程项目施工所用的混凝土均为普通混凝土，已有比较完善的施工工艺和管理体系，且具有较为丰富的施工经验。但高性能混凝土施工在郑西客运专线还是首次，可借鉴的知识和经验相对较少，有许多地方还需边学、边干、边研究，高性能混凝土桥墩施工就是一个例子。郑西客运专线的桥墩设计长为13.2m，宽度3.5m，高度4m～34m不等。桥墩分实心墩和空心墩，桥墩截面为圆型或圆端型。由于是首次施工，所以特别关注，施工前进行了实心墩和空心墩的试验墩浇筑。浇筑时间为2007年6月18日，环境环境温度26℃，混凝土入模温度28.3℃，模板温度27.5℃，各项指标满足客专技术条件要求。空心墩高度14.8m，混凝土方量149.8m3，实心墩高度6.5m，混凝土方量102.5m3。

混凝土浇筑完毕于7月22拆模，拆模强度23.8Mpa，大于设计强度的75%，外观颜色均匀统一，表面质量较好，达到了预期的浇筑试验目的。拆模后立即用土布进行包裹，土工布外用塑料薄膜进行包裹，后饱水养护，保持混凝土表面湿润。每日对混凝土表面进行观察，4天后实心墩表面出现一条环向裂纹，长度33cm，宽度0.1mm，经每日观察，裂纹有继续发展趋势。7天后墩身中间位置距承台高2.5m向上出现一条长度28cm，宽度0.1mm竖向裂纹, 经每日观察，裂纹也有继续发展趋势。14天后两条裂纹发展趋于稳定，环向裂纹，长度58cm，宽度0.2mm，竖向裂纹长度63cm，宽度0.2mm。空心墩一直未见有裂纹出现。

3裂缝成因及预防措施

由于墩身基础为钢筋混凝土半刚性基础，首先排除了基底不实和沉降变形的可能，附近无放炮和山体位移等外界影响，排除了外力造成裂缝的可能性。根据裂缝的特征和规律分析与混凝土原材料、高性能混凝土本身的特性、结构物的形式和外界环境等因素有关。

3.1混凝土原材料的影响

3.1.1水泥的影响

混凝土强度等级设计为C30，水泥用量较小，243kg/m3，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，其早期的水化热和水化速度相对较快，混凝土内部早期蓄热量较大，引起墩身内部温度较高。

3.1.2骨料的影响

骨料在混凝土中占绝对数量，它的形状、大小、级配以及热学性能对混凝土的膨胀收缩至关重大。粗骨料采用硅质石灰岩，饱水单轴抗压强度135.8Mpa，含泥量0.6%，无碱骨料反应有害物质存在，级配良好，最大公称粒径31.5mm；砂子为水洗河砂，细度模数2.6～2.8,含泥量0.8%，无碱骨料反应有害物质存在，级配良好。骨料对混凝土裂缝的影响较小。

3.1.3当地气候条件的影响

河南地区六月中旬为旱季,气候干燥，容易造成混凝土内部失水过快，形成混凝土养生补水小于混凝土内部失水，混凝土快速水化水量不足引起混凝土表面收缩增大，形成表面收缩裂缝。

3.2 高性能混凝土特性影响

高性能混凝土与普通混凝土最大的区别是在材料组成上引入了大量矿粉、粉煤灰替代水泥，由于矿物掺合料早期水化速度相对较慢，导致混凝土早期强度相对较低，早期抵抗外界影响能力较低，成为诱发混凝土出现裂缝的一重要因素。

3.3结构物型式影响

实心桥墩设计均为大体积混凝土，混凝土方量大，内部水化温度高，设计上又无特殊散热处理，桥墩为圆型结构，内部散热相对较慢，从而极易形成温度膨胀、收缩裂缝。

3.4温差梯度、湿度梯度影响

恶劣的气候环境使得混凝土内外温差梯度和湿度梯度加大，加剧了混凝土表面的干缩，也是导致混凝土裂缝的主要原因之一。

3.5混凝土施工方法和工艺的影响

3.5.1混凝土配合比的影响

混凝土配制时所选参数对混凝土结构物的质量有着直接的影响，如砂率过小，不易施工操作，砂率过大，单位体积混凝土内骨料比表面积增大，混凝土的收缩相对增大，容易在混凝土表面出现开裂；如胶凝材料用量过大，不但引起混凝土芯部温度升高，而且混凝土的收缩也相对增大，容易在混凝土表面出现开裂；对于C30强度等级以上混凝土，粗骨料的粒径宜为31.5mm以下，不宜过大，单位质量的粗骨料比表面积有所增大，颗粒数目增多，虽然比表面积增大但对混凝土的收缩影响不大，而粗骨料颗粒数量适量增多，对限制混凝土收缩有较大贡献。

3.5.2供料速度及连续性的影响

桥墩一次性灌筑的混凝土的方量较大，施工时间比较长，混凝土失水快、收浆快，混凝土采用罐车运输,如果供料不及时，浇筑不连续，就容易使混凝土产生冷接缝，形成薄弱层，由于上下混凝土的收缩不同，在薄弱层的表面极易形成收缩裂纹。

3.5.3拌合物不均匀影响

由于混凝土拌合所用骨料的含水率不同，变化性较大，虽然采用了混凝土集中拌合，电子计量上料，但仍然存在由于骨料含水率不均匀而产生的混凝土工作性能差异，导致混凝土的坍落度、凝结时间、拌合物浆体的差异，这些差异对混凝土表面出现裂缝有不同程度的影响。

3.5.4漏振与过振的影响

漏振使局部混凝土匀质性差，容易产生不规则裂缝；过振使混凝土中石子下沉，砂浆上浮，表面泌水量加大。砂浆的收缩大约是混凝土的3倍。因此，砂浆量过于集中的层面极易形成贯穿纵向（环向）裂缝。

3.5.5养护不及时的影响

在客观条件下，混凝土拆模前隐藏着有潜在裂缝，拆模后如果养护不到位，等于是“雪上加霜”，将使混凝土裂缝宽度加大，数量增多。但有时在养护环节上容量造成一种视觉假象，养护时虽然混凝土表面始终处于湿润状态，但由于混凝土本身内部毛细作用也再同时向外透水，形成补水、透水的一种循环，如内部透水大于外部补水，养护工作便失去了作用，但给人的视觉还是在进行养护。这样容易形成养护不到位的养护裂缝。

4混凝土裂缝的预防和缓解措施

针对高性能混凝土桥墩表面出现裂缝的成因，在施工过程中加强原材料进场检验，并完善施工工艺，具体措施预防如下。

4.1原材料进行过程质量控制

4.1.1水泥采用河南仰韶P.O 42.5水泥。该水泥早期消化热较低。

水泥性能复检试验结果见表1。

4.1.2骨料：细骨料采用级配良好的水洗河砂，细度模数2.6～2.8,含泥量0.6～1.2%；粗骨料采用粒径31.5mm以下级配良好的硅质石灰岩，针片状含量满足高性能混凝土用粗骨料要求，并使其空隙率减至最小。加强材料进场控制，引导采石场生产粒形良好、级配合理、针片状含量满足要求的碎石，对进场的碎石分级堆放，分级使用。

（1）细骨料采用河南洛河砂场二区中砂。砂试验结果见表2

（2）粗骨料 采用河南西阳碎石场二级配的碎石复配成5-25mm连续级配碎石,最大公称粒径25mm石灰岩碎石，粗骨料试验结果见下表。根据复配结果，以方案一复配结果为理想级配。

碎石的品质及有害物复检结果见表4

4.1.3合理选用外加剂：不同外加剂品种对混凝土收缩影响区别较大，应首选缓凝型聚羧酸系高效减水剂。因减水剂可以降低混凝土拌和用水，降低水胶比，提高混凝土抗渗性能和抗拉强度，对减小混凝土收缩十分有利。但过分掺入，混凝土泌水率加大从而增加沉降变形。引气剂也可掺用，混凝土中适量引进含气量可以减小混凝土泌水沉降，有利于防止混凝土收缩开裂，有利于提高混凝土耐久性。

减水剂采用山东菏泽联强聚羧酸减水剂。

外加剂性能复检结果见表5

4.1.4掺加矿物掺合料：以磨细矿渣粉、优质粉煤灰替代部分水泥可以降低混凝土早期水化热，降低和推迟混凝土水化热峰值点，有效降低混凝土出现收缩裂缝的机率。

（1）矿渣粉矿渣粉采用山西长治钢铁瑞昌有限公司S95级矿渣粉

矿渣粉性能复检结果见表6

（2） 粉煤灰采用河南洛阳发电厂I级粉煤灰。

粉煤灰性能复检结果见表7

4.2 混凝土配合比计量控制：

对混凝土配合比进行优化，在满足工作性能、强度等物理力学指标的前题下，尽可能采用较低砂率、低胶材用量、低用水量，低坍落度。试验人员加大骨料含水率的测试，及时根据骨料含水率的变化对施工配合比调整，保证混凝土均匀稳定。

4.3施工过程控制

4.3.1采用混凝土集中拌合，微机控制上料，保证混凝土计量准确，和易性稳定。

4.3.2合理安排施工机具、浇筑工序，保持混凝土浇筑的连续性。

4.3.3适当延长拌合时间，合理安排振捣，合理选定拆模时间，避开大风时段拆模。

4.4.4加强养护措施，避免混凝土过早失水。桥墩应采用喷施养护剂或蒙裹塑料薄膜的方法，不宜单纯采用洒水养护，保持混凝土表面始终湿润，保证养护补水量大于混凝土内部毛细作用透水量。

5控制效果

试验墩浇筑暴露出了混凝土施工中所存在的一些问题，根据这些问题，通过对混凝土原材料、混凝土配合比的优化调整，加强高性能强度混凝土桥墩施工各个环节的控制，消除了表面裂缝产生的成因，有效的保证了施工质量，具有良好的社会推广价值。