铁路桥梁大体积混凝土结构防裂分析

2022-03-24梁大刚

四川建材 2022年3期

梁大刚

(北京铁城建设监理有限责任公司，北京 100855)

0 前言

根据我国《大体积混凝土施工标准》(GB 50496—2018)[1]里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸≥1 m的大体量混凝土或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。在铁路桥梁工程建设中，大体积混凝土普遍存在且多为钢筋混凝土，一旦开裂达到一定程度，势必导致露筋等质量隐患出现，对混凝土结构的受力将造成严重的影响，因此，防裂工作非常重要。

1 开裂类型及处理

常见的铁路桥梁工程大体积混凝土主要有承台、实体墩台身、连续梁、移动模架现浇梁、箱梁等结构形式。比较容易出现裂缝的部位有承台四周及顶面、墩台身四周表面、梁体的底表面。

铁路桥梁工程大体积混凝土结构常见的开裂类型，按照开裂宽度大小，一般可以分为裂纹(宽度小于0.2 mm)和裂缝(宽度大于0.2 mm)两种类型；按照开裂长度长短不同，一般可分为龟裂(多条宽度很小的开裂，通常呈网状)、局部裂(宽度大于0.2 mm，仅在结构局部较小区域)、贯通裂缝(结构表面被裂缝贯通)等类型；按照结构开裂的位置，一般可分为结构开裂(通常在施工缝位置)和表面开裂(非施工缝位置)。

铁路桥梁工程大体积混凝土结构出现开裂，应由施工单位技术管理部门组织分析，必要时应要求相关方面的专家参与。若经分析后认为开裂对大体积混凝土结构的安全及使用功能没有影响，则一般采用返修处理。对裂缝宽度不大于0.2 mm的，可采用表面密封法处理，即采用封缝胶等材料，将缝隙填满补平即可。对缝宽超过0.3 mm的开裂，多采用嵌缝密封法进行处理。但对缝深较大时，则多用灌浆修补的方法。经分析研究认为影响结构的安全和使用功能时，则应按具体情况制定专项方案，必要时还需要组织专家论证甚至由设计单位进行受力简算和结构分析，确保结构质量合格。裂缝处理必须严格按方案进行处理，情况严重的应进行返工处理。

2 开裂原因分析

2.1 按影响因素分类

铁路桥梁工程大体积混凝土结构开裂的原因，按照影响因素分，主要分为人、材、机三个方面，但施工工艺工法和施工环境对开裂的影响也不可忽视。

1)人，在大体积混凝土结构施工中起决定性的作用，铁路桥梁工程大体积混凝土结构防裂应重点以控制人的影响因素为出发点。人的因素分为两个方面，一是施工过程中施工现场实际操作工人的专业业务能力和熟练程度，专业业务能力越强，熟练程度越高的工人，越能清楚哪些环节比较容易造成结构开裂，越能有效控制开裂问题的发生。二是施工单位项目部的质量管理体系运行状况及技术管理能力，质量管理体系运行越良好、技术管理能力越强，对开裂现象的控制效果会越好。

2)材，主要指混凝土的组成材料，包括工程材料和施工用料，又包括原材料、半成品、成品、构配件和周转材料等。各类材料是混凝土施工的物质基础，若材料质量不符合要求，混凝土结构的质量就难以保证，预防开裂也是空谈。

3)机，在大体积混凝土结构施工中可能涉及到的机械和工器具。包括混凝土拌和站的拌和机、混凝土罐车、混凝土输送泵车、振动器等相关机械及工器具。机械设备的影响虽然不及人的因素影响大，但机械及工器具却是保证大体积混凝土顺利施工的物质条件。物质条件越好，越有助于避免开裂。

4)施工工艺工法，主要指的是采取的工艺措施和施工方法，施工工艺越先进，施工工法越适用，越有助于预防开裂。如在实际施工中采用人工洒水养护的结构比自动喷淋设备进行养护的混凝土结构更容易开裂。

5)施工环境的影响，主要包括自然气候环境因素、管理环境因素以及作业环境因素。自然环境主要是混凝土结构施工及养护过程中的气候条件，如在雨天、低温环境下浇筑的混凝土结构，更容易开裂。管理环境主要是指混凝土结构施工过程中的管理协调，浇筑过程中有中断的结构比连续浇筑的结构更容易开裂。作业环境主要是指结构混凝土结构形成过程中的平面及空间环境条件等，如通风、夜间施工时照明条件等方面良好，越能保证混凝土结构成型过程的顺利进行，减少开裂的可能。

2.2 按形成原因分类

铁路桥梁工程大体积混凝土结构开裂的原因，按照形成原因，可分为自身原因和外部原因两个方面。

第一，我国受国内外经济、政治的变化影响，中国在参与国际财经合作的形式和手段更加多元化、合作内容也更为丰富，中国对于世界经济长期稳定可持续发展起到了越来愈重要的作用，中国政府一直在积极调整宏观经济政策，加强宏观调控，实现全球经济长期、稳定、快速增长。

1)自身原因。主要有两个方面：一是结构外形设计不合理，如在梁部，由于为了局部美观等方面原因，设计过多的凹凸棱角，因为局部应力集中而导致结构开裂；二是原材料选择不当，如水泥品种、外加剂、骨料等选择不当，造成结构内的水化热释放不到位，因热量堆积超限而导致结构开裂。

2)外部原因。主要有三个方面：一是施工环境条件不达标，如在高温季节施工时入模温度控制不到位，或在低温季节施工时未采取必要的防寒保暖措施，因结构内外温差过大导致开裂；二是施工工艺不达标，如施工过程振捣不到位，或工后养护措施跟进不及时、养护不到位、拆模过早等，因蜂窝麻面或表面收缩导致结构开裂；三是张拉结构张拉施工管理不到位，如因为控制参数选择不当造成欠张拉或者过张拉，造成结构实际与设计要求不符，不满足设计及验标要求导致开裂。

3 应对措施

3.1 强化源头管理，从设计上减少不必要的棱角

设计单位应在确保安全和质量的前提下统筹兼顾，对建筑物的适用性、装饰性进行适当修改，减少不必要的棱角。

3.2 结合实际需要，严谨选材，物尽其用

1)水泥混凝土原材料的品种选择，对预防开裂至关重要。应尽量选择矿渣水泥或复合硅酸盐水泥等适用于大体积混凝土施工的低水化热品种的水泥，杜绝采用快硬硅酸盐水泥等不利于大体积混凝土释放水化热的品种。

2)水泥混凝土地材的质量越好，越有助于预防开裂。选用级配越好的粗、细骨料，混凝土开裂的几率越低。如在厚大无筋或少筋的大体积混凝土，适量掺入优质的大石块，能不同程度地减少水化热，有效预防开裂。不过对于掺入的石块总量应严格控制，原则上不应超过混凝土的20%。另外，细骨料方面，选用中粗砂，更有利于预防开裂。

3)水泥混凝土辅助材料，随着不断的科学实践，越来越多的被运用到实际施工中。常用的辅助材料有掺合料和外加剂，掺合料对混凝土裂缝有显著作用，如粉煤灰、矿粉等掺合料，可以提高混凝土的和易性、改善混凝土的工作性能[2]。掺合料的选用，应着重考虑掺合料自身的理化性能，否则将适得其反。如粉煤灰这类对混凝土的早期干缩影响较大的掺合料，要顾及到细度较粗或含碳量高时会大幅度增加混凝土的需水量。另外，在大体积混凝土配备时适量添加外加剂，能明显改善混凝土工作性能。如在大体积结构的混凝土中掺入适量的减水剂，不仅减少拌和用水，而且节约水泥和降低了水化热。此外，对于泵送混凝土，尤其在炎热的夏天施工时，为了方便施工，往往采用加缓凝剂，以有效延缓凝结时间，合理释放水化热。

3.3 严控施工工艺，减少不规范行为

1)结合实际，选取合适的施工工艺，有效强化混凝土成形过程的质量控制。如选取合适的振捣方式，以及加强浇筑过程中的振捣效果，均能提高混凝土的密实度，有效避免开裂。同时，要控制振捣时间，防止过振或漏振。振捣的效果，要以混凝土表面泛浆、振捣力波及范围重叠1/2为宜。对于过厚的混凝土，宜分层浇筑，分层流水振捣，在确保在下层初凝前必须完成上层混凝土的浇筑，以减少施工中出现水平施工缝，确保混凝土结构的整体性。施工完成后应对混凝土结构顶面进行压实、收平，以增强混凝土顶面的密实度和抗裂能力，降低裂缝产生的可能。

2)采取积极措施，减少季节性特点对混凝土质量的影响。冬期施工时，应采取合理可行的保温措施预防开裂，要严格控制混凝土内外的温差，避免发生混凝土表面被冻裂。夏季施工时，则尽量避开高温和太阳辐射较高的时段进行，浇筑混凝土安排在夜间为宜，拌和混凝土前采取措施冷却粗骨料，以降低混凝土的浇筑温度[3]。

3.4 采取技术措施，有效释放水化热

图1 某项目施工现场图

3.5 加强工后养护，严格质保措施

1)严格落实混凝土的养护措施及温度检测。要严格按照施工方案要求，在混凝土浇筑完毕后，及时采取洒水覆盖等养护措施，切实降低混凝土结构的内外温差，进而有效降低结构的自约束应力。同时应有效降低混凝土结构的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土块体的抗裂能力。在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件，使混凝土在良好的环境下养护，确保混凝土浇筑块体的里外温差及降温速度满足温控指标的要求。保温养护的持续时间应根据温度应力加以控制和确定。保温覆盖层的拆除分层逐步进行，在保温养护过程中保持混凝土表面的湿润[4]。

2)合理控制拆模时间，禁止早拆模。有的单位在混凝土浇筑完成后，为了提高模板的周转率，经常早早拆模，这种行为是不可取的。如果混凝土体内的温度高于当地气温，拆模过早会引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑的混凝土，如果过早拆模，则会由于在混凝土浇筑初期水化热散发，在混凝土表面引起相当大的拉应力，若混凝土温度高于气温，此时拆除模，表面温度骤降，易产生温度梯度，从而在混凝土表面附加一拉应力，与水化热产生的应力形成叠加效应，加之混凝土干缩，表面的拉应力较大，势必导致混凝土表面开裂。

3.6 强化预应力施工管理，严格落实设计要求

对预应力混凝土结构，张拉施工应严格按设计及验收标准要求进行，提前开展摩阻试验，选定合理的摩阻系数。张拉所用的设备应定期校核检验，严格千斤顶与油表的对应关系，确保一一对应，张拉工序应合理，张拉前混凝土必须达到设计要求的强度指标。

4 质量控制措施

铁路桥梁工程在铁路项目建设中占比较大，是非常重要的专业工程之一，在建设阶段应严格按照国铁集团风险管理有关要求，遵循安全第一、预防为主、动态管理、分阶段实施的原则，全面推行风险管理，落实质量责任。在项目建设过程中应做好以下工作，确保工程建成后满足各项功能要求。

1)标准化作业，规范化管理。严格按照国铁集团关于铁路建设标准管理有关要求，落实桥梁工程混凝土结构的施工要求，积极推行标准化建设和管理，让标准成为习惯，让习惯符合标准。建立健全完整的质量管控体系，严格落实技术交底制度和工序验收制度，确保质量管理责任到人[5]。

2)强化质量管理人员素质建设，严格控制工序质量。同样的建设标准，不同的管理人员对质量控制的成果千差万别，因此，施工单位必须高度重视现场技术人员、质量管理人员的素质建设，加强技术培训和交底，采取积极措施切实提升业务能力和管理水平，确保工序质量得到严格控制、混凝土工程质量符合设计及验收标准。

3)严格工后排查，切实消除隐患。铁路桥梁工程建设周期长，部分混凝土结构的开裂蛰伏的时间也不等，有的很快出现，有的可能要较长时间，因此，在工后组织必要的排查十分有必要，对排查出的裂纹、裂缝等隐患应列表建档，逐个整改消除隐患[6]。对一般的裂缝处理，采取灌浆封闭等措施处理。对裂缝长度、宽度、深度超标的，要切实制定隐患整治方案，必要时应组织专家评审，确保隐患得到整治。