900 t铁路预制箱梁混凝土裂缝控制技术

何志军，郭万中

（中交二航局第二工程有限公司，重庆 400042）

0 引言

京沪高铁是我国《中长期铁路规划网》中“四纵四横”客运专线的南北向主骨架之一，正线运营长度1308.598 km，设计最高行驶速度380 km/h，主体结构设计使用寿命100 a，是中国第一条真正意义上的高速铁路。它的建设对形成具有中国自主知识产权的高速铁路技术体系，促进我国铁路装备工业的振兴，优化调整产业结构起到龙头作用，具有重要的现实意义和深远的历史意义。

某梁场共制造747孔双线简支箱梁，其中32m标准箱梁694孔，24m标准箱梁53孔。单孔箱梁断面设计为单箱单室等高截面，梁端顶板、底板及腹板局部向内侧加厚型式，32m梁全长32.6m，顶宽12.0m，底宽5.5m，腹板、底板、顶板最大厚度为1.05m、0.7m、0.61m，梁体截面中心高3.05m，梁重达836.8 t。梁体混凝土强度等级设计为C50高性能混凝土，耐久性指标要求高[1]。为了充分发挥箱梁混凝土抗拉强度，增强混凝土的抗裂性并满足抗渗性、抗冻性要求，必须消除箱梁混凝土表面的裂缝，尤其是箱梁梁端头、顶面和预留孔周围混凝土表面裂缝[2]。

1 裂缝成因

预制箱梁混凝土表面出现裂缝情况从设计缺陷、混凝土原材料、混凝土配合比、浇筑工艺、施工温度、湿度、张拉工艺、台座沉降等方面进行剖析，绘制出因果分析图见图1。

根据因果分析图，通过调查分析，现场验证，现场检测，现场试验，认为预制箱梁端头、顶面和预留孔周围混凝土表面裂缝主要原因如下。

1.1 设计缺陷

箱梁端头钢筋布置不合理，保护层过大，预留孔处没有加强钢筋，应力过分集中。

1.2 混凝土原材料

1.2.1 水泥

水泥安定性不良，水泥中f-CaO超标。超量的f-CaO与水泥浆体中的Ca（OH）2发生急剧反应，生成钙矾石等矿物，体积成倍增长，向外扩张，产生裂缝；这就是常说的水泥安定性不良引起的破坏作用[3]。水泥熟料中的C3A收缩为C3S和C2S收缩的3倍，为C4AF收缩的4.5倍，C3A含量越大水泥的收缩越大；比表面积越大（细度越细），同等条件下，混凝土自收缩越大，单位体积混凝土产生的水化热较大，混凝土结构内外温差较大；水泥中K2O和Na2O等碱含量过高，会发生碱-骨料反应，使混凝土急剧膨胀而开裂。

1.2.2 骨料

砂、石料中含泥量或含粉量过大，大大降低水泥浆与骨料间的黏结力，易产生收缩裂缝；骨料级配过差，影响混凝土内胶结力[3]。骨料若为活性骨料，极易产生碱-骨料反应导致混凝土出现裂缝。骨料弹性模量过大，导致混凝土弹性模量较大，同等条件下温度变化时，产生的温度应力就较大。

1.2.3 掺和料

粉煤灰掺量和矿粉细度，矿粉越细，活性越高，水化收缩量和自收缩量越大，混凝土越易出现裂缝[3]。试验数据表明：低水胶比混凝土的自收缩随着粉煤灰掺量的增加而减小。

1.3 混凝土配合比设计

混凝土配合比水胶比越小，在同等条件下混凝土越密实，其内部水分迁移较困难，在外界无水分补充时，内部相对湿度降低较快，则自收缩较显著，易出现裂缝。同等条件下，单位体积混凝土中胶凝材料用量大，则硬化后的收缩和徐变就越大。单位体积混凝土中碱含量不能过大，否则易发生碱-骨料反应产生裂缝。

1.4 混凝土施工工艺

1）浇筑顶板时，人、机械和施工工具承压顶板钢筋，使上层钢筋变形下沉，致受负弯矩的钢筋保护层加厚，构件有效高度减小，产生与受力钢筋垂直方向的裂缝。

2）混凝土振捣不密实，不均匀，出现的麻面、蜂窝等缺陷极易形成荷载裂缝的起源点。

3）混凝土流动性较低，浇筑过快，在水泥浆硬化前振捣不足，硬化后沉实过大，在浇筑后产生塑性裂缝。

4）混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，在新旧混凝土或施工缝间产生裂缝。

5）施工模板刚度太小，在浇筑混凝土时，因侧压力作用使模板变形，产生与模板变形一致的裂缝。

1.5 施工温度和湿度

1）浇筑混凝土时，环境温度过高导致模板、钢筋温度升高，混凝土入模聚集在结构内部的水化热不易散发，造成混凝土内部温度急剧升高，而混凝土表面散热较快，温度相对较低，这样就形成较大的内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉引力，此时混凝土抗拉强度较低，温差产生的拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，就会在混凝土表面产生温度裂缝。

C50混凝土热膨胀系数为10×10-6/℃，若混凝土内外温差超过15℃，则温差引起的收缩量为150×10-6，实测C50混凝土弹性模量为45 GPa，则温差产生的拉应力为6.75MPa，超过C50混凝土自身的极限拉应力6.25MPa，混凝土表面产生裂缝[4]。

2）混凝土养护温度、湿度不足，表面失水速度超过内部水向表面迁移的速度，造成毛细管中产生负压，使浆体发生塑性收缩而引起表面裂缝。

3）混凝土养护停止后，在不饱和的空气中混凝土失去内部毛细孔的吸附水而发生不可逆收缩，随着相对湿度的降低，水泥浆体的干缩增大，经计算完全干燥的水泥浆体收缩量为4000×10-6，实测C50混凝土弹性模量为45 GPa，则温差产生的拉应力为180MPa，远远超过C50混凝土自身的极限拉应力6.25MPa，混凝土表面产生裂缝[4]。

1.6 张拉工艺

预应力箱梁张拉时间过晚，由于箱梁自重较大，自重分配不均，易产生表面裂缝。

1.7 台座沉降

制梁台座或存梁台座产生不均沉降，使箱梁局部混凝土受拉过大产生表面裂缝。

2 预防措施

2.1 对“设计缺陷”采取的预防措施

1）将设计图纸中的N1钢筋保护层由原来5mm缩小为3.5mm，即将端部5根横向钢筋间距由设计100mm调整为80mm，钢筋间距变小，增大端头混凝土的抗裂性，具体调整距离见图2。

图2 调整前后的端头钢筋分布图（单位：mm）

2）在通风孔等预留孔处增设2层斜置的由φ12制作成型的井字型加强钢筋，安装时距上下层骨架面为150 mm，并与预留孔处的竖向钢筋牢固绑扎在一起，起到分散预留孔处的应力集中，具体分布见图3。

图3 斜置井字型钢筋网片布置图（单位：mm）

3）顶板钢筋下面架立筋数量由4个/m2调整为5个/m2，减小上层钢筋变形，使承受负弯矩的钢筋保护层变小，维持设计构件有效高度不变。

2.2 对“混凝土原材料质量”采取如下预防措施

2.2.1 水泥

水泥比表面积必须在300～350m2/kg之间，安定性必须合格，f-CaO含量必须小于1.0%，熟料中的C3A含量小于8.0%，碱含量小于0.6%。其技术指标见表1。

2.2.2 骨料

黄砂细度模数2.6～3.0之间，级配区为Ⅱ区，含泥量小于2%，泥块含量小于0.1%，碱含量低不足以发生碱-碳酸盐反应。

碎石采用二级级配，5～10mm和10～20mm两种规格，含泥量小于0.5%，泥块含量小于0.1%，碱含量低不足以发生碱-碳酸盐反应，碎石弹性模量不能超过80GPa。见表1。

2.2.3 掺和料

粉煤灰掺量小于30%，矿粉比表面积400～500 m2/kg。见表1。

表1 混凝土原材料技术指标

2.3 对“混凝土配合比设计”采取的预防措施

1）C50高性能混凝土水胶比最小不低于0.2。

2）混凝土中胶凝材料用量小于500 kg/m3，大于320 kg/m3。

3）单位体积混凝土中碱含量小于3.0 kg/m3。

4）C50高性能混凝土试验配合比见表2。

表2 预制箱梁混凝土配合比

2.4 对“混凝土施工工艺”采取的预防措施

1）底腹板混凝土浇筑速度控制在60m3/h，派1人专门负责箱梁端部、预留孔周围混凝土的振捣，每一振点振捣延续时间为25 s左右，直到混凝土不再沉落和表面呈现浮浆为止。

2）混凝土分层或分段灌注时，其搭接长度必须大于2 m。后浇混凝土必须在先浇混凝土初凝前进行覆盖或重叠，振捣棒应插入下层混凝土中80mm左右进行作业。

3）在考虑2台收面机行走工况下，经验算侧模刚度，发现侧模刚度不足，每5m使用 [10以托架形式进行加强。

4）施压同条件养护试块，当其强度值大于30MPa以上时拆除内模和端模。

2.5 对“施工温度和湿度”采取的预防措施

1）灌筑混凝土前必须在钢筋内埋设测温传感器，以随时观察记录箱梁混凝土内外各部位的温度值。以防局部温差过高造成温度裂缝。测温点布置如图4。

图4 预制箱梁混凝土测温点分布图

2）混凝土浇筑采取降温（夏季）或升温（冬期）措施，保证混凝土入模时模板温度在5～35℃之间，混凝土拌合物入模温度在5～30℃之间。

3）混凝土自然养护期间，当环境温度高于5℃，使用喷雾器对箱梁内外腹板喷水贴膜养护，箱内蓄水保湿养护，箱梁顶面洒水后使用土工布和薄膜覆盖，箱梁外底面喷洒养护剂，洒水频率以保证混凝土养护期间一直处于潮湿状态为准。当环境温度低于5℃时，箱梁表面喷涂养护剂，使用保温帆布包裹梁体，禁止对混凝土洒水。

4）冬期施工必须采用蒸汽养护。混凝土浇筑完4h后蒸汽开始升温，升温速度控制在10℃/h以内，恒温阶段蒸汽温度不能大于45℃，并且混凝土芯部温度（两端头1.5m处的混凝土温度）不能超过60℃，恒温阶段蒸养棚内须保持90%～100%的相对湿度，降温阶段降温速度控制10℃/h以内。经试压试块，混凝土强度达到30MPa时停止通蒸汽，等混凝土自然冷却后拆除蒸养棚，进入自然养护阶段。

5）在养护期间（自然养护或蒸汽养护）或撤除保温设施，保证混凝土芯部和表层、表层与环境、箱内与箱外温差小于15℃。当环境温度5℃≤T＜10℃时，相对湿度小于60%，自然养护时间大于21 d。当环境温度10℃≤T＜20℃，相对湿度大于60%，自然养护时间大于14 d。当环境温度20℃≤T时，养护时间大于7 d。在任意养护时间，若淋注于混凝土表面的养护水温度低于混凝土表面温度，两者温差不得大于15℃。

6）混凝土在冬期或炎热季节拆模后，若气温产生骤然变化时，采取适当的保温（寒季）或隔热（夏季）措施，防止混凝土产生过大的温差应力。

2.6 对“张拉工艺”采取的预防措施

1）箱梁预应力张拉必须分3次进行，即预张拉（混凝土强度达设计强度的60%）、初张拉（混凝土强度达设计强度的80%）、终张拉（混凝土强度达设计强度的100%，弹性模量达到设计值的100%，且混凝土龄期大于 10 d）。

2）预张拉施工时必须带模张拉（拆除端模，松开内模螺栓，防止对梁体压缩造成阻碍），并且在制梁台座上尽早进行。

2.7 对“台座不均匀沉降”采取的预防措施

1）在每个制梁台座上设置10个永久性沉降观测点，具体位置如图5、图6所示。

图5 32m箱梁台座沉降观测点分布平面图

图6 32m箱梁台座沉降观测点断面图

2）指派测量组专人负责每个台座沉降观测工作。按混凝土浇筑前、后，终张拉前、后及移梁后5个阶段进行观测记录，若发现任一阶段台座不均匀沉降且超过2mm，将采取措施进行基础加固。

3 结语

采取上述预防措施后，有效控制了预制箱梁端头、预留孔周围及箱梁顶面混凝土表面裂缝，补充优化了箱梁预制方案和工艺，节约了裂缝处理成本，受到业主、监理及其它梁场高度评价，创造了良好的社会效益。

[1] 通桥（2008）2322A，时速350公里客运专线铁路无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁（双线）[S].

[2] [2004]120号，客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件[S].

[3] ［2005］160号，铁路混凝土工程施工质量验收补充标准[S].

[4] 吴中伟.高性能混凝土技术[M].北京：中国科技出版社，2007.