空心墩墩底实体段混凝土温度裂缝防治措施

2020-10-28赵静

河南科技 2020年25期

赵静

摘要：由于山区高速公路地势陡峻，因此，在桥梁设计中根据线位情况采用空心墩跨越，为满足桥墩的强度、刚度、稳定性等方面的要求，空心墩具有较大的截面尺寸。但是空心墩墩底为实体段，这种大体积混凝土在浇筑过程中产生的水化热与外界环境温度及约束的综合作用会导致混凝土出现温缩裂缝。这种裂缝虽然不会影响桥墩的受力能力，但为空气、水和侵蚀介质提供了通道，加速了混凝土劣化和钢筋锈蚀，严重降低结构的耐久性。因此，加强空心墩墩底实体段混凝土温度裂缝防治尤为重要。

关键词：空心墩;大体积混凝土;温度裂缝

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）25-0100-03

Abstract： Because the mountain highway is steep， hollow piers are adopted in bridge design according to the line position. In order to meet the requirements of the strength， stiffness and stability of the piers， it has a large section size. Since the bottom of the hollow pier is a solid section， the comprehensive action of hydration heat generated in the pouring process of this mass concrete with the external environment temperature and constraints is the main reason for the occurrence of temperature shrinkage cracks in concrete. Although such cracks do not affect the bearing capacity of the piers， they provide channels for air， water and erosion media， accelerate the deterioration of concrete and steel corrosion， and seriously reduce the durability of the structure. Therefore， it is particularly important to strengthen the prevention and control of concrete temperature cracks at the bottom of hollow pier.

Keywords： hollow pier;mass concrete;temperature crack

1 研究背景

温缩裂缝按深度的不同可分为表面裂缝、深层裂缝及贯穿裂缝三种。表面裂缝的危害性较小，但处于已硬化混凝土约束范围内的表面裂缝在内部混凝土降温过程中可能会发展为深层裂缝甚至贯穿裂缝。深层裂缝部分切断了结构断面，危害性不及贯穿裂缝严重。贯穿裂缝切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害是最为严重的。

水泥在水化过程中会产生大量的热量，对于大体积混凝土来说，这种热量聚集在结构内部，使内部温度迅速升高，内部体积膨胀，此时硬化后的混凝土外表面就会开裂，后浇筑的混凝土由于受先期硬化混凝土的约束产生压应力，但在硬化结束冷却收缩时产生拉应力，当受压与受拉应力积累不平衡，拉应力超过混凝土的极限拉应力时，就会导致其内部出现裂缝，甚至可能发展为结构贯通裂缝，对构件的安全影响较大。因此，应对大体积混凝土的施工进行温度控制，使结构内部最高温度与外表的温度差产生的应力值控制在材料的极限应力内，避免温缩裂缝的出现。墩底温缩裂缝如图1所示。

2 温缩裂缝影响因素

温缩裂缝形成的主要原因为温度差。为了避免出现过大的温差，就要从产生热量的因素着手，即混凝土的水化热。影响大体积混凝土水化热的因素有很多，从结构内部分析主要有混凝土配合比、水泥品种、水泥用量、外式中，[θ]为绝热温升;[t]为时间;[W]为水泥用量;[q]为单位质量水泥在单位时间内放出的水化热;[c]为质量热容;[ρ]为密度;[Q]为单位时间内单位体积中发出的热量。

2.1 原材料

混凝土的收缩和水化热与水泥的品种有直接关系。不同水泥的收缩变形影响修正系数不同，收缩的主要影响因素为混凝土用水量和水泥用量，两者含量越高，混凝土的收缩就越大。

2.2 配合比

水化热是水泥在硬化过程中的化学反应，水化热的多少也与水泥含量有关。在保证混凝土强度、和易性及坍落度要求的前提下，盡量地节省水泥，降低混凝土绝热温升。

2.3 内外环境

骨料温度、拌和水温度、水泥温度是混凝土入模温度的基础。混凝土在运输中的温度及入模温度对硬化过程水化热的多少起关键性作用。浇筑后外环境气温的变化对结构是否干缩，温度应力的变化至关重要。所以混凝土拌和、运输、浇筑成形每步都要严格控制，尽可能地降低温度，才能为水化热奠定基础。

3 防治措施

避免裂缝出现就要从降低混凝土水化热和提高混凝土抗裂性两方面着手。由于空心墩墩底为受力最大处，为了保证结构整体性不受影响，因此空心墩墩底不建议使用分层浇筑的方式。下面从设计、原料及配比、温控措施、龄期差和温缩裂缝修补方面给出温缩裂缝的预防及处治措施。

3.1 设计

3.1.1 设置防裂钢筋网。墩身的防裂钢筋网可以协同混凝土共同抵抗温度应力，改善应力分布。钢筋的线膨胀系数（1.2×10-5 ℃-1）与混凝土的线膨胀系数（1.0×10-5 ℃-1）相差较小，但两者的弹性模量相差约7倍[1]。配置防裂钢筋网虽不能完全避免裂缝的出现，但是可以限制温缩裂缝进一步扩展成深层裂缝，有效缩短缝长，减小裂缝深度和宽度。直径细、间距小的防裂钢筋网对提高混凝土抗裂性效果好。根据规范[2]要求，钢筋直径不小于6 mm，间距不大于100 mm，钢筋网片的混凝土保护层厚度不宜小于25 mm。

3.1.2 混凝土内掺入钢纤维。钢纤维与钢筋工作原理一致，与混凝土共同工作，在应力差作用下抗裂性能更高。

3.1.3 设置冷却水管。在空心墩实体段内预埋冷却水管，通过调节水温、流量、水循环时间等因素间接控制结构内部的温度，缩小结构内外部混凝土的温度差。冷却管采用分层方式布置，每层冷却管呈“S”形，冷却管间距控制在1.0～1.5 m。每层冷却管一个进水口一个出水口，进出水管的水温相差5～10 ℃。冷却管布置示意图如图2所示。

3.1.4 风冷系统[3]。在施工位置与水源高差大、供水压力大、水资源紧缺、生态环境要求高的条件下可采用风冷却技术。风冷却技术弥补了水冷却方法使用范围的局限性，对大体积混凝土施工技术水平的提高起到了促进作用。

3.2 原料及配比

对于大体积混凝土的原料和配合比设计，应在保证混凝土工作性、强度及耐久性的基础上，坚持降低水化热温升的原则。

水泥宜选择中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥。在保证混凝土各项指标满足要求的条件下，尽量减少水泥用量。采用降低混凝土早期水化热的外加剂和掺合料的“双掺”技术，如缓凝剂、减水剂、膨胀剂、粉煤灰、矿渣粉等，在施工前通过实验优化混凝土的配合比。

骨料选择表面粗糙、棱角分明、洁净的粗细骨料，并控制含泥量。粗骨料宜采用自然连续级配，可以减少水泥和水的用量，增强混凝土的和易性，有效控制混凝土的温升。在条件允许下，尽量选用粒径较大、级配良好的骨料，粒径越大、级配越好、孔隙率越小、总表面积越小，每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小，水化热就随之降低。细骨料宜采用级配良好的中砂或中粗砂。同时，要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重。

3.3 温控

大体积混凝土的温控原则为“内降外保”，内部采用冷却水管循环水冷却，外部采用覆盖蓄热或热水等保温措施，防止干缩，使混凝土内外温度差值不至过大，经内部循环后的水，其温度可基本满足外部混凝土保温的要求，两者温差更均衡。

在骨料堆场搭设遮阳棚，避免阳光直射;在混凝土搅拌前，对骨料喷洒冷水降温，但使用中要严格控制含水量。同时，避免在一天当中温度较高时浇筑，浇筑过程中要采取通风等措施加快入模内混凝土温度的散发。

浇筑后注意保温保湿，尽量延长养护时间，减缓降温速度和时间，延长脱模时间。

在墩底埋设一定量的测温点，监测结构内部温度变化，直至混凝土内部温度趋于稳定。监测过程中，控制内部温度不大于75 ℃，内外温差不大于25 ℃。

浇筑完成后加强混凝土早期养护，保持温湿条件，防治早期干缩及后期结构内外温差过大。

3.4 龄期差

在桥墩承台混凝土强度达到设计要求时就绑扎墩身钢筋，立模浇筑墩底混凝土，尽量缩短承台与墩底混凝土龄期差，使两者形成相对柔性的变形体系，两者后期可相对同步徐变，防止承台灌注时间早，已形成刚性约束体，对墩身结构产生约束出现裂缝。

3.5 温缩裂缝修补

对于空心墩墩底已经出现裂缝的，首先要检测裂缝宽度和深度，然后根据检测结果分析裂缝出现的根本原因。

一般情况下，温缩裂缝的宽度均小于0.4 mm。对于这种裂缝，适合采用灌浆的方式进行修补。具体来说，利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。

4 结语