薄壁混凝土防水挡墙裂缝分析与控制

曹林均

（四川红叶建设有限公司，四川成都 610000）

0 前言

衡量混凝土耐久性的主要指标包括抗渗性、抗冻性、抗碳化（中性化）、抗化学侵蚀等，混凝土的抗渗性主要与密实度及内部空隙的大小和构造有关。混凝土的抗渗性，特别是抗氯离子渗透性较能综合的反应其各种耐久性能。混凝土结构在形成过程中，由于材料、工艺的原因，导致各种初始缺陷，包括裂纹、裂缝等，会对建筑物的使用性能产生不利影响因此，抗裂比抗渗更为重要。

1 混凝土裂缝分类

混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂纹的扩展而引起的，引起混凝土结构的裂缝的原因很多，查找相关文献[1-2]，混凝土开裂的原因主要可以分为：荷载引起的裂缝、温度变化引起的裂缝、收缩引起的裂缝、地基础变形引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝、施工材料质量引起的裂缝。

2 薄壁防水挡墙开裂因素分析

2.1 防水挡墙概况

例如金九大桥为下铁路以及跨越一河流而设的桥梁，采用四联3×20.4+3×20.4+4×21.2+4×21.2（单位：m）预应力混凝土现浇箱梁，桥长294.08m。桥面标高215.255，比100年一遇的洪水位218.633低3.378m，设计时为了保证运营期间即使发生特大洪水也能保证该桥的正常运营，特为该桥设计了防洪挡墙及独特的防、排水系统。

防水挡墙高4m，厚0.5m，采用C30混凝土，挡墙薄且高，混凝土的防渗等级要求较高，施工中如何保证挡墙防水性能以满足设计要求是本工程施工的一大重点。

图1 防水墙横桥向布置

2.2 挡墙开裂因素分析

挡墙设在箱梁顶板边缘，在墩顶和跨中均设置5mm变形缝断开，不参与主梁结构受力，且无其他荷载作用，所以挡墙不会出现因荷载引起裂缝；挡墙厚50cm，高4m，面积较大，混凝土浇筑硬化过程中，水化热散发较快，因此出现内外温差过大的可能性不大，可以忽略挡墙自身温度裂缝的可能；挡墙混凝土在浇筑到硬化的过程中，仅顶面暴露在空气中，暴露面积较小，因而出现因便面失水过多的塑性收缩裂缝的可能也不大；桥梁采用桩基础，基础沉降稳定性好，所以出现沉降裂缝的可能性也不大。所以最可能引起挡墙出现裂缝的因素是箱梁对挡墙收缩的约束。

2.2.1 挡墙的温度收缩

如果挡墙混凝土浇筑后的凝结温度和当时箱梁顶板的温度相同，并在以后的降温过程中也是一致的，则挡墙和箱梁顶板的降温差相同，收缩量也相同，两者收缩同步进行，则不存在箱梁顶板对挡墙的约束问题。而实际在施工过程中，在箱梁浇筑完成，并张拉完成后一段时间才开始进行挡墙的施工。箱梁总体体积较大，暴露面积相对较少，温度变化相对较小，而挡墙体积较小，切完全暴露在空气中，而且浇筑后由于水化作用，温差变化相对较大，所以挡墙的温度收缩量大于箱梁顶板的温度收缩量，而受到顶板的约束，因此在挡墙内部产生拉应力，如果此应力过大，则可能产生裂纹。

2.2.2 挡墙的干缩

混凝土中水分的蒸发等原因发生不可逆的干缩。一方面，挡墙混凝土内外水分蒸发程度不同而导致不能的变形程度：拆模过后，挡墙的外露面积大，受外部条件的影响，表面水分损失较快，收缩较大，内部湿度变化较小而变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部的约束，产生较大的拉应力而出现裂缝；另一方面，混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，产生收缩变形，这种收缩与外界湿度无关，而是随着时间的推移，变形量越来越低，而箱梁顶板已经浇筑了一段时间，已经趋于相对稳定，而新浇筑的挡墙收缩变形较大，两者间的变形差异必然导致箱梁顶板对挡墙搜索变形产生约束作用，从而在挡墙的内部产生拉应力[3]。顶板浇筑的时间越长，挡墙的收缩越大，产生的拉应力越大，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，就会在应力最大的地方出现裂缝，这种裂缝将会在靠近顶板的底部较大，上部较小。

2.2.3 材料及配合比的影响

重庆地处长江、嘉陵江交汇处，地区无合格的天然中砂资源，沿江及其支流及有着丰富的天然特细砂资源，而细砂又容易导致混凝土开裂，将机制砂和特细砂按照一定的比例混合，配制成混合砂，可以有效的克服单独使用机制砂流动性较差的特点。且砂石等材料供应较为分散，如含泥量、较难长时间保持稳定，对混凝土抗裂造成不利影响。

3 裂缝控制采取措施

通过对薄壁挡水墙可能开裂因素的分析，薄壁挡墙结构和块体基础结构相比，有显著特点，挡墙由于受到箱梁顶板的极大约束力，这种约束远大于地基对基础的约束，且难以改善。从对挡墙裂缝的原因分析中可以看出：挡墙出现裂缝可能的最主要因素是由于挡墙混凝土的温湿度的降低造成的收缩受到其基础即箱梁顶板的约束产生的。对于薄壁挡墙结构，除需采取措施减少挡墙的冷缩与干缩之外，更重要的一点是要减少箱梁顶板对挡墙的约束里，尽可能采取措施缩小箱梁顶板温、湿度与挡墙温、湿度变化之间的差异，在施工中主要采取的措施如下：

3.1 合理设置变形缝

设置伸缩缝，缩短了挡墙和箱梁顶板的接触长度，对降低挡墙收缩时因受箱梁顶板约束产生的应力有一定的效果。箱梁顶板对挡墙的约束，主要是因为顶板与挡墙的温、湿度不同，而收缩变形不同造成的，设置收缩缝并不能改变底板与挡墙温差及湿差的大小，只是改变了单段挡墙的绝对变形值，从而降低约束力。

挡水墙在墩顶和跨中正负弯矩较大的部位均设置20mm变形缝断开，不参与主梁结构受力。对于温度应力和收缩应力根据，《桥梁工程》[4]、《工程结构裂缝控制》[1]和《路桥施工计算手册》[5]相关理论及公式建立力学模型并进行计算，根据历史温度情况、材料情况和现场情况等计算温度应力，在实际计算中，将混凝土收缩当量折算成当量温差来计算温度和收缩应力：①计算绝热升温值；②计算实际最高温升值；③计算平均热水化温度；④计算各龄期混凝土收缩值及收缩当量温差；⑤计算各龄期综合温差及总温差；⑥计算各龄期弹性模量；⑦各龄期混凝土松弛系数；⑧计算最大拉应力，凝土最大拉应力等于其抗拉强度标准值，即可以反推计算得到变形缝的合理间距。其计算过程略，取变形缝间距为10m，满足抗裂要求。

3.2 对原材料质量进行严格控制并优化混凝土配合比

在施工过程中严格的控制原材料的质量，重点控制水泥的安定性、强度、集料的含泥量等易引起混凝土开裂的因素，尽量保持材料的稳定。

3.3 结构及施工工艺方面降低收缩

合理的配制纵向构造筋，可以大幅度提高混凝土的极限抗拉应变力，改善其抗裂性能。过薄的保护层厚度影响耐久性，而过厚的保护层厚度又增加开裂的可能性，施工时采用保护层垫块，控制钢筋和模板精度，严格控制保护层厚度。

采取措施减少箱梁顶板对挡墙的约束力，尽可能的缩小箱梁顶板与挡墙之间的温、湿度差异。在浇筑前，对箱梁顶板进行洒水润湿，提高湿度，降低箱梁顶板和挡墙的初始湿差；重庆长期处于炎热天气，采取了预冷骨料，避开高温时段，采用淋水冷却模板等方法，尽量的降低混凝土的入模温度；延长拆模时间，并在炎热天气时采用水喷淋模板对模板进行降温，拆模后，用水喷淋挡墙，既对挡墙进行养护，又加快挡墙自身的散热，降低挡墙混凝土的最高温度，即降低了挡墙与箱梁顶板之间的温度差异，直到挡墙温度降到和箱梁顶板温度接近时，采用薄膜覆盖的方法继续养护14d以上。

3.4 无机防水涂料

虽然防水挡墙采用了防水混凝土结构，但是混凝土的微裂缝是无法完全避免的，水仍然可以慢慢渗透到混凝土中，因此在采取混凝土裂缝控制技术的基础上，采用防水涂料CM-DPS水性渗透性无机防水剂。在混凝土表面喷涂防水涂料，可以填补表面的毛细孔和微裂纹，减缓混凝土碳化（中性化），控制裂纹的增长。

4 结论

分析得出箱梁顶板对防水挡墙的收缩的约束是其产生裂缝可能性的主要因素。通过合理设置变形缝，采取措施减少挡墙温缩和干缩降低箱梁顶板对挡墙的约束力，优化配合比，采用无机涂料等方法，在施工工序工艺、材料方面亦都采取措施减少收缩，提高混凝土极限抗拉力，降低约束程度达到综合控制裂缝目的。通过采取多种抗裂预防措施，桥防水挡墙只出现极少肉眼可见裂缝，且都小于0.02mm，抗裂效果较好。