跨长城大桥大体积混凝土施工中裂缝的预防、控制措施

2021-06-20焦建伟

运输经理世界 2021年28期

焦建伟

（甘肃信达建设咨询有限公司，甘肃兰州730000）

1 工程概况

该桥位于甘肃省武威盆地南缘山前冲、洪积平原区，地形较为平坦、开阔，为跨越明长城遗址而设。该桥位于纵坡4.9‰的单面坡上，设计中按正做斜置，即吊杆垂直于梁体。其平面位于直径500m 的圆曲线上，按直线梁设计，采用平分中矢布置。该桥为曲梁直做，采用单T 形桥台，桥台与梁对齐，梁缝为15cm。该桥位于寒冷地区，主体结构设计使用年限为100年。

该桥上部结构采用1 孔123m 下承式梁拱组合结构，拱轴线采用二次抛物线，矢跨比f/L=1/5，理论计算跨度L=123m。横桥向设置两道拱肋，拱肋中心间距为12.4m。主梁为预应力钢筋混凝土简支箱梁，采用单箱双室截面，采用满堂支架分段现浇施工，钢管拱肋在主梁及支架上拼装合龙，即梁部采用先梁后拱的施工方法。主梁全长127.5m，设计强度等级为C55混凝土2726.0m3。主梁除梁端部加高至3.5m 外，其余梁高均为3.0m。跨中主梁顶宽13.5m，底宽11.5m，拱脚处一定范围内梁底加宽至14.5m，顶宽加宽至14.5m。主梁端部13.75m 采用C55 纤维混凝土，并与拱脚混凝土一同浇筑，纤维掺量1.2kg/m3。主梁跨中边腹板厚55cm，中腹板厚40cm，拱脚处分别加厚至205cm 和130cm。主梁跨中顶、底板厚分别为40cm和35cm，端部分别加厚100cm 和130cm。

2 大体积混凝土施工裂缝产生的原因

2.1 混凝土塑性收缩变形产生裂缝

混凝土需要一段时间才会硬化，在此期间如果出现大风或干燥天气，会使混凝土表面失去水分，引起毛细管压力，使表面收缩，进而出现裂缝。这种状态下的裂缝，互不连贯且长短不一，会呈现出中间宽、两端细的特征[1]。深入分析可知，出现裂缝的根本原因是施工前期混凝土强度较低，遇到大风或高温环境，造成混凝土水分蒸发的速度变快，且无法得到有效补充，这种状态下的混凝土处于塑性，一旦受到外力就会出现裂缝，裂缝会促使水分进一步蒸发，水分蒸发会使裂缝更大，形成恶性循环[2]。

影响混凝土开裂的原因有内部原因和外部原因，其中，内部原因有混凝土细骨料泥砂含量、凝结时间、水灰比，外部原因有环境温度、湿度、风速等。

2.2 温度升高导致裂缝

混凝土在凝固、硬化期间，由于内部的胶凝材料会发生化学反应，产生大量的水化热，所以会导致混凝土内、外升温速度加快，使外部和内部温度差变大，致使内部膨胀比外部更大，超过表面受力后就会产生裂缝，且混凝土初期的强度较低，一旦出现裂缝将会持续扩大[3]。

2.3 混凝土发生碱—骨料反应产生裂缝

如果混凝土中的粗、细骨料中含有活性矿物质，当搅拌混凝土后，混凝土中的碱性离子会与活性骨料产生化学反应，吸收大量的游离水分，体积也会逐渐增大，导致混凝土酥松、膨胀开裂[4]。

3 大体积混凝土浇筑后产生裂缝的预防、控制措施

3.1 加强原材料的选用和控制

第一，应选用强度等级为52.5 级的普通硅酸盐水泥，高质量的水泥会在混凝土凝结期间产生较好的稳定性和较低的水化热现象，形成大体积混凝土结构内、外较小的温差，从源头上降低裂缝的产生概率。水泥的细度越小，水化反应的放热速率就越低，造成大体积混凝土裂缝的概率也就越小。水泥中过量的C3A 物质会导致其水化速度加快，并释放大量的热量，加大混凝土的收缩，破坏混凝土的抗裂性能，最终产生裂缝，严重时甚至会破坏混凝土的耐久性。需对水泥的细度和C3A 应加以控制[5]。《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424—2018）中规定，普通硅酸盐水泥的细度（比表面积）为300～350m2/kg，水泥中C3A 含量≤8.0%。水泥中的碱还会与混凝土中的骨料进行反应，增加其开裂的趋势，所以必须要将水泥中的碱含量控制在0.6%以下，比如可以采用低碱普通硅酸盐水泥。

第二，细骨料的选择。细骨料选用了级配合理、质地坚固、吸水率低、含泥量低、泥块含量小、空隙率小、细度模数在2.5～33.0 之间的洁净天然河砂。并且按照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》对细骨料的矿物组成和碱活性矿物类型进行鉴别和快速砂浆棒法试验，膨胀率在0.20%以下为合格。

第三，粗骨料的选择。粗骨料选经锤式破碎机生产的粒行良好、级配合理、质地坚固、吸水率低、线胀系数小的洁净花岗岩碎石，岩石抗压强度大于等于桥梁设计强度等级的两倍，即大于等于110MPa。其中，粒径是5～310mm、10～316mm、16～325mm 的三级配碎石，使骨料具有尽可能小的空隙，从而降低混凝土的胶凝材料用量，降低混凝土表面产生裂缝的可能。混凝土用粗骨料的含泥量、泥块含量进行分级检验，不合格的分级骨料不可用于混凝土施工。按照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》对粗骨料的矿物组成和碱活性矿物类型进行鉴别和快速砂浆棒法试验，膨胀率在0.20%以下为合格。

第四，掺和料选择。在混凝土中加入粉煤灰、粒化高炉矿渣粉等活性矿物掺和料，可以减少胶凝材料中水泥的用量，改善混凝土的工作性，提高抗压强度和耐久性能，预防混凝土裂缝的产生。

掺入F 类Ⅰ级颜色均匀、不含有油污等杂质的粉煤灰，这类粉煤灰中含有较多的Al203，在拌和过程中能够与水泥中的Ca(OH)2 发生反应，产生性能更稳定的水化铝酸钙及水化硅酸钙物质，有利于混凝土硬化。不仅如此，粉煤灰中存在的硅铝氧化物还能起到一定的催化效果，加剧水泥与水的二次反应，不断降低大体积混凝土的热胀反应。烧失量也是影响混凝土性能的因素之一，粉煤灰烧失量大，掺和到混凝土中，会增加混凝土坍落度，且不容易被捣实，使封孔固化和致密效应降低，且未燃烧颗粒还会吸附混凝土中的外加剂。一定要控制粉煤灰的烧失量，不得超过5.0%。同时还要控制CaO 的含量，以避免其与硫酸根离子、C3A 结合生产钙矾石，导致混凝土开裂加剧。在该项目施工中，不得使用氧化钙含量超过10%的粉煤灰。

在水泥中添加矿渣粉后，水泥流动性会变好，且能降低水化热，提高后期的混凝土强度。矿渣粉能够改善混凝土的内部结构，提高其抗腐蚀和抗渗透性能。另外，混凝土的水化速度降低，也延长了混凝土的凝结时间，便于混凝土的运输，特别是有利于大体积混凝土的浇筑操作。为了保证最佳的改善效果，要将矿粉的细度（比表面积）控制在400～500m2/kg 之间。

从微观层面上分析发现，矿粉和粉煤灰中存在大量的球形、玻璃状态的细小颗粒，添加到混凝土中可以提高和易性，且这些掺和了粉料的细小颗粒还能改变水泥颗粒的空隙，使水泥堆积更加紧密，提高混凝土的初期强度。将火山灰和粉煤灰结合使用，还能够提高混凝土的综合性能，避免出现裂缝。

第五，外加剂的选择。选择掺加高性能聚羧酸系（缓凝型）减水剂，其作用是减少混凝土拌和时的用水量，从而提高混凝土的耐久性，减少混凝土浇筑后的开裂现象，改善混凝土拌和物施工时的和易性、提高混凝土的强度及其他物理力学性能，减少水泥用量。

该桥处于寒冷地区，施工时间为8月至9月，气温较高。按照减水剂的1%，在混凝土中掺入少量稀释后气泡间距系数≤300um 的引气剂，使混凝土中产生大量的微小气泡，改变混凝土的微观结构，以此大幅提高混凝土的抗冻性能。另外，加入适量的引气剂，还能降低混凝土的用水量，抑制泌水率，同时还能在一定程度上改善混凝土的匀质性及工作性。这主要是因为引气剂能确保水在混凝土拌和物中以更稳定的悬浮状态存在，可以有效缓解骨料底部浆体泌水或沉降问题，从而达到减少开裂的目的[6]。

第六，混凝土原材料储存和运输时，应采取有效措施，防止水泥、矿物掺和料受潮，应选择出厂时温度较低的散装水泥。粉煤灰、矿粉掺和料储存在防潮、防水的罐里，粗、细骨料储存在具有防晒、防水、防污染的料仓里，严格按照生产和储存要求管理混凝土原材料，要在固定的存放地点做好标示工作，注明原材料的种类、名称、厂家等，同时还要写明材料的进场时间，保留材料的检验合格证明。为了防止粗骨料在运输和装卸过程中其级配发生变化，可通过对粗骨料实行分级采购、分级运输、分级堆放，确保骨料具有良好的级配。

3.2 科学、合理地选择最优配合比

第一，配合比的选择。配合比是保障混凝土性能最重要的参数指标，在保证工作性能优良、力学性能和耐久性能满足设计要求的前提下，胶凝材料可选用粉煤灰和粒化高炉矿渣粉代替部分水泥，减少水泥水化放热反应而产生的混凝土开裂现象，同时也降低混凝土的成本；外加剂使用了引气剂和聚羧酸系高性能减水剂（缓凝型）双掺的方法，能够减少30%以上的混凝土拌和用水量，控制较小的水胶比，能够延长混凝土的凝结时间，降低新拌混凝土在凝结硬化过程中的开裂现象。其原料用量如表1所示。

表1 选用的配合比每方混凝土各项原材料用量如下（kg/m3）

第二，施工配合比调整。开展混凝土施工前，应检测粗、细骨料的实际含水率，并根据粗、细骨料的实际含水率调整拌和物设计的配合比的用水量。

3.3 施工控制

第一，混凝土结构施工前，必须要做好各项工作的检验，尤其是对混凝土配合比、施工机械、工艺方案等方面的检验。另外，混凝土拌和物出厂前，应进行坍落度、含气量和温度的测定。测定其温升和内外温差，如发现问题，应及时调整。混凝土应在拌和站集中搅拌，计量系统在使用前，应对其进行检定和校准，水泥、矿物掺和料、外加剂和拌和用水称量偏差，应控制在≤1%范围内，粗、细骨料称量偏差，应控制在≤2%的范围内。

第二，跨长城大桥分三段六次进行浇筑。第一段为跨长城大桥底板、腹板、中隔梁浇筑，中间为54m 顶板、翼板及护栏基础浇筑；第二段为圆台端底板、腹板浇筑，圆台端顶板、翼板浇筑；第三段为集台端底板、腹板浇筑，集台端顶板、翼板浇筑。为避免混凝土水化热引起开裂，腹板沿桥纵向每隔3.0m 设置10cm 的通风孔一处，架设内径40mm、壁厚3mm 的散热管，配制HZS150G 混凝土搅拌站一套，容量为12m3的运输罐车6 辆，大型混凝土输送泵车2 台，位于大桥两侧，并同时、对称浇筑，如图1所示。

图1 2 台泵车同时泵送混凝土浇筑施工

第三，混凝土浇筑选择早晨气温较低时，进行连续浇筑，混凝土的入模温度控制在30oC 以下，与混凝土接触的介质温度不超过40oC，做好温度测量工作，如图2所示。新浇筑的混凝土与领接硬化的混凝土介质间的温差不大于15oC。混凝土的浇筑过程中，应充分控制分层流水浇筑及振捣，振捣时间和振捣半径以混凝土密实为原则，避免过振和漏振，有利于加速水泥水化热反应能量扩散的同时，也有利于混凝土抗裂性能的提升。对于大体积混凝土拥有较大面积的情况，施工人员应将表面振捣、压实、抹平，防止表面出现裂缝。浇筑时，应安排专人配合预埋热电偶测温。浇筑后，应在混凝土外表面盖上塑料薄膜，进行保湿、保温处理。

图2 混凝土浇筑入模前进行温度测量

第四，拆除钢筋混凝土模板时，要注意混凝土与周边环境的问题，要保证混凝土结构的芯部、外表面、室外环境三者之间的温差小于20oC。当温差不满足时，即内部结构芯部初始降温或急剧降温时，不得拆模。拆模后大体积混凝土表面温度降幅应≤9oC，中心温度不高于25oC 时，才可对大体积混凝土进行拆模，如果控制不好拆模时间，会因内外温差过大而形成温度梯度，对大体积混凝土产生叠加应力，从而产生混凝土裂缝。

3.4 混凝土的养护及温度控制

浇筑完毕1h 内，对新浇混凝土进行覆盖。混凝土浇筑完成4h 后开始洒水，使混凝土表面湿润，这样既能防止干缩裂缝，又能防止外界高温倒灌，浇筑10h后进行洒水养护。养护期间，不同部位应每隔4h 测温一次并记录，保证混凝土芯部温度小于60oC。测温时若发现混凝土温度异常，应立即采取措施，直至温度符合要求。养护时间为28d。跨长城大桥浇筑养护28d 并达到设计强度后，专业检测人员应用刻度放大镜对混凝土结构表面检查有无裂缝，如图3所示。