凉水河特大桥墩身高性能混凝土裂纹预防及处理措施

王瑞清

【摘要】本文介绍高性能混凝土所用的原材料选择，配合比设计，对理论配合比进行裂纹计算分析，明确现场施工过程具体控制措施，施工现场墩身实际出现的裂纹统计分析，采取的具体处理措施。

【关键词】高性能混凝土；墩身裂纹；预防；处理

一、工程概况

凉水河特大桥施工范围为DK21+454.97～DK43+018.09，全长21563.12米，中心里程DK32+236.52，主要跨越凉水河和北京六环道路及多条主要干道，全桥共计2个台、665个墩共666跨。桥台采用双线一字形桥台，墩身为实心墩，采用直坡到底的等截面圆端形，托盘、顶帽形式采用矩形截面，四周抹圆角并与墩身截面顺接。墩身截面尺寸绝大部分为2×6m，高度在3m～12.5m之间，均采用高性能混凝土。本工程高性能混凝土设计寿命为100年，在耐久性及裂纹的控制方面与普通混凝土相比有很高的要求。

二、施工地域、季节

凉水河特大桥地处北京地区，施工时间从05年12月到07年4月，施工过程历经炎热的夏季和寒冷的冬季。根据以往资料显示，北京地区年最高和最低气温分别为39.5℃和-16.6℃，在这样恶劣的自然条件下进行如此高要求的混凝土施工，并且要确保混凝土满足各项质量要求，确保混凝土不开裂，困难极大。

大体积高性能混凝土的裂纹控制应从原材料、混凝土配合比、施工工艺三方面采取措施。

三、原材料的质量要求：

本工程中使用的普通硅酸盐水泥除满足国家标准外，对水泥的碱含量比表面积熟料中的C3A含量等指标进行了补充试验，共选择的7种水泥进行补充试验，有三种水泥的试验指标能满足要求，其中鼎新水泥比表面积344m2/kg≤350 m2/kg，碱含量：0.52%≤0.8%，熟料中的C3A含量7.3%≤8%。

矿物掺合料的使用首先是高性能混凝土耐久性的需要，掺入粉煤灰的混凝土強度发展较慢。早期弹性模量较小，抗应变的能力强，不易开裂。粉煤灰的细度，对混凝土的和易性有较大影响，同时烧失量和需水量也是反映粉煤灰质量的重要指标，粉煤灰的烧失量越大，表明含碳量越高，需水量越大，混凝土容易产生收缩裂纹，现在注重粉煤灰细度的同时，更应控制其烧失量和需水量。一般情况下矿碴越细，活性越高，在一定掺量范围内，高细度的磨细矿碴混凝土强度随掺量的增大而提高，全混凝土相应的温升、化学收缩和自收缩也增加，所以在控制混凝土的比表面积，通过原材料的试验，选择的粉煤灰细度1.7%<2.0%。烧失量4.6%<5%，需水量比95%<105%，矿碴混凝土比表面积350m2/kg<494 m2/kg<500m2/kg。

高效外加剂在高性能混凝土中合一掺加具有减水率高，坍落度损失小，适量引气，能提高混凝土的工作性和匀质性，减少用水量，降低混凝土水分蒸发，产生的收缩裂缝，我部经过原材料检验合格的高效外加剂，减水率24.2%≥20%，含气量5.7%≥4.5%。

本工程的高性能混凝土为了获得较好的工作性能，采用了细度模数为2.3～3.1的中粗砂，为了获得良好的级配，采用了5～10mm，10～20mm，20～31.5mm三种级配的碎石，按2：7：1地行混合形成连续的碎石级配，经过筛选砂碎石的含泥量和泥块含量均能满足要求。

在对粗细骨料进行原材料检测时，碎石的碱一硅酸反应砂浆棒膨胀率为0.25%>0.1%，由于拟定的配合比采取了抑制碱—骨料反应的技术措施，即掺加了矿物掺合料及复合外加剂。为了判别配合比是否满足要求，计算混凝土中包括水泥、矿物掺合料，外加剂、水的碱含量之和1.59kg/ m3≤3.0kg/ m3，取骨料做了矿物掺合料及外加剂抑制碱骨料反应有效性试验，试件长度膨胀率为0.03%<0.1%满足要求。

四、配合比优选

混凝土的技术性能在很大程度上是由原材料的性质及相对含量决定的，混凝土配合比应根据混凝土的原材料品质，混凝土实际强度等级、耐久性等的要求进行试拌选定。

高性能混凝土配合比的选定应遵循以下基本原则：

⑴ 为提高混凝土的耐久性，改善混凝土的抗裂性，混凝土中应适量掺加优质的粉煤灰、矿粉等矿物掺和料；

⑵ 不同的混凝土强度和环境条件等级，混凝土的最大水胶比和最大胶凝材料用量必须满足规范要求。

⑶ 混凝土中宜掺入能提高混凝土耐久性能的高效外加剂，优先选用多功能复合外加剂；

根据以上混凝土配合比选定的原则和确定的原材料，经试验室多次试拌，并对混凝土试块进行了56天强度和耐久性检测后确定的配合。

根据选定的高性能混凝土配合比，通过理论计算分析混凝土是否会产生裂纹，首先计算混凝土的水泥水化热绝热升温值、各龄期的收缩变形值，收缩当量温差和弹性模量，其次计算可能产生的最大温度收缩应力，如不超过混凝土的抗拉强度，则表示所采用的原材料及配合比有效控制裂纹的出现；如超过则需要采取调整混凝土的浇筑温度或降低水化热温升值，降低内外温差，改善施工操作工艺等技术措施并重新计算直至计算应力在允许范围以内为止。

⑴ 混凝土各龄期的抗拉强度R（t）

⑵ 水化热温升值（℃）

⑶ 各龄期混凝土收缩变形值

各龄期混凝土的收缩变形值随许多具体条件和因素的差异而变化，一般可按下列指数函数表达式计算：

⑷ 各龄期混凝土收缩当量温差Ty（t）

当量温差是将混凝土收缩产生的变形，换算成相当于引起同样应变所需温度，以便按温差计算温度应力。

⑸ 各龄期混凝土弹性模量

⑹ 露天养护期间混凝土降温收缩应力

⑺ 露天养护期间混凝土产生的降温收缩应力：

⑻ 安全度K

经过计算，混凝土的各个龄期的温度收缩应力均小于C30混凝土对应各龄期设计抗拉强度且安全度k均大于1.15，此方案在理论上是可行的。

五、模板制作、安装

由于墩（台）身高度最高为

⑴模板制作：模板采用精加工，在特制胎模上制作，严格控制模板的表面光洁度及拼缝的平整、密实度。

⑵模板试拼：模板加工完成后，应试拼装，经验收合格后，运抵现场使用；

⑶模板处理：模板使用前进行细致的除锈、涂油处理，保证模板表面光亮无污染；

⑷模板安装：墩身、帽模板采用吊机整体安装，模板接缝采用栓接；按照设计要求的位置布置拉杆，并将拉杆上紧上牢。

⑸调模：在测量人员的配合下，调整已经立好的模板，首先调整模板的位置与标高，然后调整模板各断面的尺寸，调整达到要求后，将模板固定，对模板间接缝进行嵌缝处理。

六、混凝土浇筑方法

混凝土采用混凝土搅拌运输车运输，混凝土泵车泵送浇筑。

混凝土灌注前，对模板、钢筋、预埋件进行详细检查，模板内的杂物应清除干净，办理好签证手续；混凝土搅拌运输车、混凝土泵车、振捣设备应有备用，并对施工人员进行技术交底。

⑴泵送管管口距离浇注混凝土面高度不大于2m；必要时用PVC管做串筒泵管直接接至墩身内，泵管顶口设漏斗接混凝土。吊挂于脚手平台上。混凝土灌注时不得固定在一点下料，不得用振动棒向四周推赶混凝土。

⑵墩身帽混凝土浇筑

采用水平分层浇注，混凝土的一次摊铺厚度在30cm左右。混凝土的振捣采用插入式振捣器，每次振捣时，以不扰动下层混凝土为主，插入下层深度在5～10cm。振捣棒移动间距不超过振动棒作用半径的1.5倍，与模板间应保持10～15cm的距离，应避免振捣棒碰撞模板、钢筋和预埋件，振捣要均匀，以混凝土停止下沉、不再冒气泡、表面平坦、泛浆为度，防止过振和欠振现象。在振捣过程中应经常检查模板、预埋件及内外支撑和拉杆的支撑情况，有异常及时处理。

⑶混凝土养护

混凝土浇注完毕初凝前采用二次赶压抹光，控制表面收缩裂纹，减少水分蒸发，改善养护。混凝土初凝后，加强保温保湿养护，先在其表面覆盖一层薄膜，一层草袋，再一层薄膜，最后一层草袋。下层薄膜防止水分蒸发，上层薄膜隔离低温雨水，同时使表面已升高的温度不易散失，有效地减少内外温差。常温下养护时间不少于7天，如温度持续较低，要延长养护时间。

七、裂纹分析

产生裂纹的原因有很多种，裂纹的种类也较多，但主要分为两种即收缩裂纹和温差裂纹。

（1） 收缩裂纹

混凝土收缩包括塑性收缩、干燥收缩和自收缩。塑性收缩原因是沉降、泌水，一般发生在混凝土拌合后3～12小时以内，终凝前比较明显；自收缩是混凝土浇筑成型后与外界无水分交换的条件下，由于水泥水化造成混凝土内部干燥而引起的；干燥收缩是因为混凝土水分蒸发，导致混凝土体积变化。当用水量、胶凝材料用量越多，水泥的水化热大并大量向空氣中蒸发水分，混凝土的收缩就越大。收缩会产生很大的收缩应力，如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂纹。

（2）温差裂纹

混凝土内部与表面或混凝土表面与环境温差过大会产生温差裂纹。水泥遇水发生水化作用，产生水化热，由于混凝土体积大，聚集在内部的水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高，而其表面由于受内部温度影响较慢，且散热较快，温度较低，因此形成了较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。此时的混凝土龄期短，抗拉强度低，当温差产生的表面拉应力超过混凝土极限抗拉强度，则会在混凝土表面产生裂纹。

通过对凉水河特大桥施工完的桥墩每月定期进行裂纹检查并记录，从检查结果来看，本工程大约有25个左右的墩身出现了表面龟裂，裂纹宽度在0～0.2mm之间，深度较浅，根据出现的位置和裂纹状况将其分为三个种类：

①墩帽模板与墩身模板拼缝以下10cm泄水凹槽位置，以及直面模板与圆弧模板接缝处， 裂纹呈线状，走向为横向和竖向，长度在15cm～200cm之间，约7个墩身。

②墩身大面模板中间，泄水凹槽位置， 裂纹呈线状，走向为竖向，长度在10cm～150cm不等，约10 个墩身。

③墩身曲盒部位， 裂纹呈冠状和放射状，长度在10cm～30cm，约8个墩位。

八、裂纹处理

对于本桥出现的裂纹情况来看，这些裂纹对于桥墩本身的结构安全基本没有影响，其种类为龟裂，属于表面收缩裂纹。采用的涂膜封闭法处理裂缝。

在混凝土表面涂刷防水涂膜以封闭微细裂缝的修补方法称涂膜封闭法，适用于宽度小于0.2mm的微细裂缝的修补，也可用于混凝土外表面的装饰和防水处理，以及防止混凝土保护层的碳化和有害离子对混凝土的腐蚀。

⑴材料和机具

材料：ZV型混凝土修补胶，ZB型罩面胶，修补粉料或水泥。

ZV型混凝土修补胶：是以高分子共聚物为基本原料，掺加适量改性剂、有机助剂配制成的水乳状产品，无毒、不燃、无腐蚀性，其PH值为6～6.5，粘度200～500厘泊。

ZB型罩面胶：由高分子共聚物乳液和混合助剂配制而成的水乳液，涂刷在涂膜表面，可提高涂膜的硬度、光泽性、耐久性和耐水性。

机具：钢丝刷、羊毛辊具、油漆刷等手工工具，也可用喷浆机。

⑵操作方法

①清扫：混凝土表层的浮浆和起砂层要用砂轮打磨机磨去，并清扫或冲洗干净。

②刮腻子：混凝土表面裂缝、气孔和缺陷应用腻子填充补平，待干后用砂布磨平。腻子配方如下：ZV型混凝土修补胶：粉料=1：1.8～2.0。

③涂刷底层涂料：配方如下：ZV型混凝土修补胶：粉料=1：0.7～0.8

④涂刷主层涂料：主层涂料配方如下：ZV型混凝土修补胶：粉料=1：0.8～1

通过上述方法处理后，墩身裂纹没有继续扩展，处理效果较好。