寒区混凝土墩台开裂与对策

2013-04-09王军玺丁东彦杨晓琴

水利建设与管理 2013年4期

王军玺丁东彦杨晓琴

(兰州交通大学土木工程学院 730070)

1 引言

青藏铁路西格二线位于青海省境内，青藏高原东北部，全线海拔3000m 以上。当地大气环境干燥，少雨，风力强劲，太阳辐射强，日温差大，风蚀、风化现象严重，属青藏高原大陆性气候;部分河流存在氯离子、硫酸根离子等有害离子，对混凝土具有强烈的腐蚀作用。

为了适应当地恶劣的自然条件，确保混凝土墩台的耐久性，减少混凝土水化热升温对多年冻土的热扰动，并加快施工进度，混凝土必须具有良好的早强、低温负温强度增长性能，因此采用低温早强耐久性混凝土。

施工期间，混凝土墩台受到温度变化、徐变、干湿变化、自生体积变形等作用。正是由于这一类荷载的作用，墩台会产生过大的拉应力而出现非结构性裂缝。而要通过工程措施，把这一类荷载所产生的拉应力控制在允许范围内有一定的难度，施工期墩台混凝土开裂一直是困扰工程技术人员的难题。因此，分析这一类荷载对桥梁混凝土墩台的影响，并采取相应的对策有着重要的意义。

2 墩台裂缝形式及产生机理

2.1 桥梁墩台裂缝形式

寒区混凝土桥梁病害调查结果表明，寒区耐久性混凝土墩台在施工期出现不同程度、不同形式的裂缝，是一个相当普遍的现象。具体形式为:桥墩中心线附近的竖向裂缝;墩台在日照时间较长侧的裂缝;墩台模板对拉筋孔处的裂缝;墩台模板分块接缝处的裂缝;桥墩顶部环向裂缝;墩台混凝土表面细小、不规则、长短不一的裂缝。

2.2 墩台裂缝及其成因分析

混凝土墩台开裂往往是多种因素共同作用的结果，造成寒区墩台开裂的主要因素有:寒冷、日温差大、干燥、多风等恶劣自然条件，以及低温早强耐久混凝土胶凝材料用量大、收缩量大、水化热大且释放集中。

高原寒区特殊的自然条件是混凝土墩台开裂的一个主要原因。我国高原寒区，尤其是青海，位于青藏高原东北部，海拔3000m 以上，属青藏高原大陆性气候。高寒干燥，年平均气温－1.4～6℃，极端最高气温33.5℃，极端最低气温－37.2℃，最大月平均温差22.5℃，一年内冻结期长达6～8个月(每年10月～次年4～5月)，年蒸发量大，达1638.9mm，而年平均降水量只有248.5mm。大风(7～8 级)频繁，多集中于10月～次年4月间。日照时数较长，太阳辐射强，日气温变化剧烈，具有“一日四季”的气候特征。桥址所在地区，部分河流存在氯离子、硫酸根离子等有害离子，对混凝土具有强烈的腐蚀作用。

外部环境因素影响现浇混凝土墩台而产生的裂缝主要体现在:气温骤降、干燥收缩、冻胀、材料引起的裂缝等方面。

为了适应高原寒区恶劣的自然环境，确保墩台的长期耐久性，以及加快施工进度，混凝土除了应具备一般高性能混凝土具有的物理力学性能外，还必须具有良好的早强、低温、负温强度增长的性能，配合比设计根据环境、地质条件采用低温早强耐久性混凝土，且混凝土配制强度要比设计强度高一个等级。混凝土是一种不良的导温材料，对于混凝土桥梁墩台而言，水泥在水化固结过程中产生大量的水化热不易散发，会形成较高的水化热温升。而混凝土水化放热与其强度同步发展，受环境温度的影响，在混凝土温度变化过程中产生的温度应力往往超过其抗拉强度而导致结构产生温度裂缝。所以耐久性混凝土的早强与水化热之间的矛盾是影响墩台产生施工裂缝的另一个主要原因。

混凝土内部因素影响墩台而产生的施工裂缝主要体现在塑性干缩与炭化收缩等方面。

3 耐久性混凝土墩台裂缝控制综合技术措施

制约混凝土墩台开裂的三个基本因素分别是:变形量的大小、抗拉性能及约束条件。影响混凝土变形量大小的内因是混凝土的材质，外因是混凝土所处的环境条件。在约束条件、自然环境不可改变的情况下，墩台采用低温早强耐久性混凝土，其施工过程要解决三个主要问题:ⓐ耐久性混凝土的原材料和配合比是基础;ⓑ施工措施是关键;ⓒ养护是保证。且应以温度控制为主线，遵从三个基本原则:ⓐ砂、石等骨料中不能包含冻块，且混凝土拌和物应该具有一定的温度，以保证在运输和浇筑过程中不致冻结;ⓑ达到设计强度的50%前，新浇混凝土不能受冻，以免内部结构受到破坏，终凝强度损失;ⓒ混凝土的内外温差、基础温差、上下温差等均不能超过规定的数值以免产生裂缝，破坏墩台的整体性，降低其承载能力。

3.1 混凝土原材料选择

设立工地实验室，按照相关标准，对进场水泥、砂子、石子、拌和水及外加剂等进行各项性能指标检验，从源头上保证混凝土的质量。

a.选用中低热水泥品种:水泥品种的选择应根据墩台大体积混凝土特点及结构特点，以水化热控制或收缩控制为主。必须通过对水泥品种的优选，选用抗拉强度较高、水化热较低的中低热的水泥品种，以降低水化热温升，减少水泥用量，减小收缩量;采用低碱水泥，同时严格控制骨料的碱活性，防止碱骨料反应而产生膨胀破坏。所需水泥宜采用品质稳定的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，强度等级宜为32.5 以上。

b.掺加外加剂:为提高混凝土的抗裂性能，在其中掺入外加剂，主要包括:减水剂(萘系)，无机盐(防冻、早强组分，为化学纯)，引气剂，以及DZ 系列高性能耐久性混凝土外加剂。

c.优选粗、细集料:ⓐ粗集料:根据墩台最小断面尺寸和泵送管径，选用较大粒径的碎石或卵石。选用较大尺寸的粗集料，在给定的水胶比和稠度下，水和水泥用量都有所下降。粗骨料要求粒径4.75～37.5mm，含泥量不大于1.0%，质地均匀坚固，级配连续，粒形良好、吸水率低、有害物含量少;ⓑ细集料:以级配良好的中砂为宜。在选择细骨料时，其细度模数宜在2.6～2.9 范围内，含泥量不大于3.0%，其余要求和粗集料相同。不宜使用石屑、山砂，如泵送应尽量降低砂率。控制砂石骨料的碱活性、含泥量、针片状含量等。

d.拌和水:拌和水采用优质河水，水中有害物质含量应符合钢筋混凝土用水标准。

e.掺加粉煤灰:为满足墩台施工需要，混凝土应具有良好的黏聚性和可泵性，较低的水化热温升和较迟的最高温度出现时间，以利于协调温度应力和初始结构强度这一矛盾，而应用粉煤灰和外加剂的“双掺技术”可达到上述目标已成共识。“双掺技术”能同时降低水灰比、减少水泥浆量、减小收缩量。

3.2 混凝土配合比设计

墩台混凝土配合比设计除应满足强度外，还应尽量降低水化热温升值、减小收缩变形。

a.胶凝材料用量:从混凝土的工作性能、强度、耐久性指标、总含碱量及经济效益等方面考虑确定胶凝材料用量。在满足混凝土强度和工作性能的同时，尽可能减少对长期耐久性、收缩性能的影响，碱总含量不超过3.0 kg/m3。

b.砂率:砂率选取要兼顾强度及和易性、收缩量等。ⓐ在满足泵送的条件下尽量减少砂率，可节省水泥用量;ⓑ砂率增大，砂浆体积增大，和易性好，易于泵送，强度有所下降;砂率减少则反之;ⓒ砂率过大则成为富浆混凝土，造成收缩量加大、抗裂性能下降，致使墩台表面产生早期裂缝(纹);ⓓ砂率过小则影响混凝土工作性能、耐风蚀性能;ⓔ据已建工程成功经验选定砂率在30%～40%之间。

c.外加剂掺量:外加剂掺量直接影响用水量。为降低水胶比、提高强度，应提高外加剂掺量，但掺量过大会使混凝土离析、泌水，不利于施工。

d.水胶比:若水胶比过大，混凝土内部形成空隙过多，密实度降低，力学性能降低，影响抗冻、抗渗等性能;若水胶比过小，则和易性差，影响施工操作，难以振捣密实，使得力学性能和耐久性指标降低。经反复试验证明，水胶比不宜大于0.39。

混凝土配合比应参照相关规定，结合施工条件，通过试验确定。尽量减少水泥用量，适当减小砂率，以降低混凝土的收缩、徐变和碱含量。配合比设计经抗裂、抗冻、抗渗、耐风蚀、抗腐蚀、护筋性、碱骨料反应、抗氯离子渗透等八项耐久性指标检验合格后使用。参考组分配合比为:水灰比0.4～0.5;砂率30%～40%;水泥用量350～480kg/m3;防冻剂掺量不大于4%;早强剂掺量不大于2%;耐侵蚀剂掺量不大于10%;粉煤灰为水泥重量15%～20%。

3.3 混凝土拌和

a.低温下混凝土的拌制，宜采用强制式搅拌机。

b.各种原材料的加热温度按以下要求控制:ⓐ水泥、外加剂均不宜直接加热，但应储存在保温篷内，保证在正温条件下使用;ⓑ当气温不低于－1℃时，只需将水采用锅炉直接加热，加热温度控制在30～60℃，要求水温准确、供应及时、先后用水温度一致;ⓒ当气温低于－1℃时，采用地炉或加热料仓预先对砂、石料进行加热。砂的加热温度控制在8～20℃，石子加热温度控制在2～10℃。

c.拌制混凝土的合理投料顺序应与材料加热条件相适应，一般先投入骨料和加热的水，待搅拌一定时间，水温降低到40℃左右时，再投入水泥和外加剂;当混凝土的水泥用量大于350 kg/m3时，为避免搅拌机粘罐，可按以下顺序投料:先加石子和大约一半拌和水搅拌30s，然后加入砂、再投入水泥、外加剂和另一半拌和水。

d.在拌和过程中，主要控制拌和时间与含气量的关系，根据拌和机的运行速度确定，搅拌时间以比普通混凝土增加30s 为宜。

e.混凝土搅拌均匀，颜色一致，首盘检查一次坍落度，以后不定时抽检。

f.对搅拌好的混凝土，应检查出机温度(出机温度根据气候条件、保温方法，由浇筑温度加上运输及浇筑过程中的热量损失得到。为保证入模温度在7～10℃范围内，出机温度应保证在12～15℃)及和易性，若差异较大时，应检查材料加热温度、投料顺序或骨料含水率，以便及时调整。

3.4 混凝土运输

a.根据施工方量、施工进度、运距(一般不宜超过6 km)、浇筑时间、道路情况等因素，合理配备运输罐车数量，做到少装快运，少停留，少倒运，减少含气量及坍落度损失，确保连续浇筑。

b.在运输过程中，罐体以2～4r/min的转速旋转，防止混凝土离析和水份过多散失，出料前应以常速搅拌20～30s 后用中速旋转卸料。

c.运输过程中混凝土温度不能降低过快，一般每小时温度降低不宜超过5～6℃，且保证入模温度在7～10℃。

d.运输罐车除保温防风外，还必须严密不漏浆、不吸水并应在使用中经常清除容器中粘附的硬化混凝土残渣并及时清除冰雪、冰块。

e.混凝土在倒装、分配或倾注时，应采用漏斗、串桶或滑槽等器具，同时采取保温措施。

3.5 基础预热

混凝土浇筑前，对基础及与新混凝土接触的冷壁(预制混凝土模扳、老混凝土等)，应用蒸气清除所有的冰雪、霜冻，并使接触面升温。如果基础及冷壁内部温度较低，还需要提前预热。预热温度、深度和持续时间，可由温度计算确定，原则上应使接触面附近的新混凝土在达到设计强度的50%之前不被冻结，且基础及冷壁10cm 深度范围内温度达到5℃以上。

3.6 混凝土浇筑

a.浇筑前，应清除模板和钢筋上的冰雪和污垢，并采取防风、防冻等保护措施。

b.浇筑时要保证混凝土的均匀性和密实性，要保证结构尺寸准确，钢筋、预埋件位置准确，拆模后表面光洁、平整。

c.混凝土入模温度与自然气温、保温材料及条件、表面放热系数和混凝土强度要求等因素有关，入模温度宜控制在7～10℃。

d.混凝土浇筑采用水平分层(水平分层厚度不大于30cm)、左右对称的方法，连续进行。当因故间歇时，间歇时间应根据环境温度、水泥性能、水灰比、外加剂类型等条件通过试验确定;低温施工，不宜留置施工缝;当超过允许间歇时间时，按浇筑中断处理，同时留有施工缝。

e.采用振捣器振捣。在振捣新混凝土时，应将振捣棒插入下层混凝土5cm 左右，同时振捣上下层，以消除两层之间的接缝，且应在下层初凝之前进行。每一振固点振捣时间为20～30s，达到三个条件方可结束振捣:ⓐ表层开始泛浆;ⓑ不再冒泡;ⓒ表面不再下沉。以保证混凝土有足够的密实度和含气量。振捣时要做到快插慢拔，快插是防止先将混凝土表面振实，而与下层混凝土发生分层、离析;慢拔是为了让混凝土能填满振捣棒抽出时所造成的空洞。

为了减小内外温差、基础温差，浇筑温度越低越有利，最好不超过10℃，一般以在5～8℃为宜。如果浇筑温度超过允许值，应加强浇筑后的保温措施。当运输保温效果得到保证时，为确保浇筑温度，尽可能减少浇筑中的热损失，比较可行的办法是加快浇筑速度，缩短浇筑时间，并加强保温。当气温低于－5℃时，停止浇筑或采用暖棚。

3.7 早期养护

混凝土墩台的抗裂性、耐久性很大程度上取决于早期养护，其中包括保湿、保温两个方面。

3.7.1 养护的目的

混凝土早期养护的目的在于保持适宜的温湿条件，以达到以下效果:ⓐ使混凝上免受不利的温湿变形侵袭，防止有害的冷缩和干缩;ⓑ使水泥顺利水化，以达到设计强度和抗裂能力。

3.7.2 养护的要求

养护应达到下述要求:ⓐ减小混凝土内外温度差，防止表面裂缝;ⓑ防止新混凝土超冷，使施工期的最低温度不低于运行期的稳定温度，防止贯穿裂缝;ⓒ防止老混凝土过冷，以减小下层老混凝土的约束;ⓓ减小混凝土的干缩，使水泥水化作用顺利进行。

根据上述要求，应在墩台下述有关部位注意采取保温措施:ⓐ刚浇筑的尚在凝结硬化过程中的新浇筑块;ⓑ长期停浇的老浇筑块，尤其是岩基上长期停歇的薄层浇筑块。

3.7.3 墩台的养护

保温材料应选择价格低廉、导热系数小、易于操作的材料，常用的有木模、木屑、草袋、干砂、棉被、泡沫、棉毡等。混凝土浇筑后的养护工作至关重要，按耐久性混凝土的养护要求，分为拆模前和拆模后两阶段。

3.7.3.1 墩台混凝土带模养护

混凝土浇筑完毕后，暖季必须在模板外包裹遮阳布，防止强紫外线照射模板，造成水分蒸发，水化停止，混凝土强度发展停止，表面龟裂;寒季应立即用保温材料包裹，顶面可用一层塑料布覆盖、以防水分散失，然后盖上保温材料，进行保温、保湿养护。

严格控制混凝土的养护温度:不得低于混凝土外加剂的最低适用温度;当环境温度低于－5℃时，可搭建暖棚，采取火炉和碘钨灯增温的方式，直至混凝土达到临界抗冻强度，不得对混凝土洒水，且养护温度不得大于混凝土内部温度;当混凝土具有一定强度(一般应超过12h)后，可从顶面充分洒水保湿;在正温条件下，墩台应带模养护5～7 天，强度达到10MPa 以上，可满足拆模强度要求。

3.7.3.2 墩台混凝土拆模后养护

负温情况下，混凝土拆模后，表面应先铺一层塑料薄膜，然后覆盖干燥状态的保温材料;采用外部热源(如火炉、电热毯等)。

正、负温度交替期，应采用保温保湿养生，即在新浇混凝土表层喷涂一层混凝土保湿养护液(养护液为抗低温、抗紫外线、无机类，以封闭内部水分不被蒸发，保证混凝土后期水化的持续进行，如M1500 型无机水性混凝土表面养护剂)后，再包一层塑料薄膜，外覆盖保温材料，最外层用彩条布包裹封闭(必须保证密封)保温;负温时，采用外部热源(如火炉、电热毯等)。

暖季，由于青藏高原强烈的紫外线照射和高蒸发量，对混凝土后期强度增长和耐久性不利，为防止混凝土过早干燥，采用补水养生，即首先在墩台表面包裹一层蓄水物质(如麻袋片、棉被等)，外用彩条布包裹封闭(必须保证密封)，彩条布顶部留张合孔洞，对蓄水物质定时注水保证持续湿润状态，确保混凝土早期水化质量。

基础脱模后，承台侧面涂1cm 厚的沥青油渣防冻胀涂层，待涂层干硬后立即进行基坑回填。

拆模后养护注意事项:ⓐ墩台在大气中的暴露时间不大于1h，特别是晚上;ⓑ养护过程中，应保持混凝土表面湿润，但不得直接浇冷水，可在白天温度较高时从墩顶浇温度45～55℃的热水，水温与混凝土表面温度差值不得超过15℃;ⓒ当混凝土内外温差小于10℃，并稳定后方可结束包裹养护(一般不少于1个月)。

3.8 混凝土拆模

确定合理的拆模时间，要考虑混凝土强度、施工进度、混凝土内外温差等因素。拆模时应注意:ⓐ混凝土强度须达到设计规定值，切不得小于混凝土温度峰值出现的时间;ⓑ混凝土内外温差以及混凝土表面与环境温差都不宜大于15℃;ⓒ气温急剧变化时不宜拆模;ⓓ应选择在一天中温度较高的时段拆模;ⓔ采用暖棚法养护时，要等到混凝土温度降到5℃以下再拆模;ⓕ拆模宜按立模顺序逆向进行，不得损伤混凝土、模板;ⓖ寒季拆模时边拆边包裹混凝土;暖季拆模边拆边浇水。