薄壁台裂缝成因分析

赵志航

(黑龙江省公路勘察设计院)

薄壁台裂缝成因分析

赵志航

(黑龙江省公路勘察设计院)

摘 要:探讨了钢筋混凝土薄壁式桥台产生竖向裂缝的原因及防治措施，并对裂缝的处理提出了建议。

关键词:薄壁式桥台;裂缝;成因;分析

在钢筋混凝土薄壁式桥台施工过程中或完工初期，经常出现数量不等、长度和宽度不同的竖向裂缝。为解决类似问题，设计上采取了加密钢筋、加大钢筋直径以及提高混凝土强度等级等措施加以解决，但实践证明情况并没有得到改善。这些裂缝的存在虽然目前乃至以后一段时间内不会影响其结构功能及承载能力，但是这些裂缝如不能停止发展或得到妥善处理，必将对构造物的耐久性造成不利影响，特别是当构造物受到有害气、液体侵蚀或处于潮湿、冰冻环境及沿海地区这一矛盾显得更为突出。

1 裂缝状况

钢筋混凝土薄壁式桥台台身厚度多数为50～70 cm，高度大于2 m，长度均大于10 m(可视为直立大面积混凝土厚板)，且中间不设置伸缩缝。施工方式采用现浇混凝土施工，置于浅基础或桩基础之上。

裂缝由基础或承台顶部开始，由下而上延伸。裂缝宽度不等，一般在0.1～0.5 mm之间，下宽上窄，长度约为构造物高度的1/3～2/3;也有少数通缝现象，但均发生在高度较矮的构造物上，这时构造物高度一般小于3 m。构造物越长，裂缝的数量越多，裂缝间距在3 m左右，通常两桥台的裂缝位置相互对应。

2 裂缝产生的原因

钢筋混凝土裂缝不外乎以下几种:即沉缩裂缝、温度裂缝、干缩裂缝、化学作用裂缝和结构性裂缝结构性;裂缝又分为应力裂缝和施工因素裂缝。钢筋凝土薄壁式桥台的竖直裂缝形成归为温度影响、混凝土收缩及特定的施工因素等共作用的结果。

黑龙江省地处我国北方，近几年干旱、高温和干燥的气候时间较多。受工期及气候限制，构造物的现浇混凝土施工往往在温和干燥时候施工。对这一情况设计和施工方面没充分估计到，因此对策措施就不十分全面。

2.1 设计上考虑混凝土热期施工、水化和干缩的影响不充分

在高温条件下浇筑混凝土，由于忽视降温措施，使浇筑混凝土温度偏高。另外，这些构造物大体积混土特性比较明显，由于其内部水泥水化热导致的混凝土升温是不能忽视的，它给热期施工的混凝土起到温上加温的效果。混凝土的线胀系数为1.0×10-6℃，较高温度的现浇混凝土在硬化时将产生较大的温差，这将导致结构物产生较大的收缩，严重时中午浇筑的混凝土晚上即可因收缩而开裂，一般混凝土收缩值在0.03%～0.04%时就会引起开裂。

硬化后的混凝土在干燥时的收缩率为0.05% ～0.06%，水灰比大的混凝土收缩更大。当混凝土的收缩率为0.05%时，6 m长的构件会收缩3 mm，处于受约束的构件则会开裂;弹性模量约2.1×105MPa的混凝土在应变0.05%时将产生相当于混凝土极限拉应力3倍的应力，为此，素混凝土4.5～6.1 m应设置一条收缩缝以防止开裂。

由于上述的温差和干缩共同导致的混凝土开裂单靠所配置的钢筋去解决是十分困难的。更主要的因素是这些混凝土是浇筑在已成品的基础和承台上，当混凝土降温及收缩时受到基础和承台的约束，其内部产生很大的拉应力，因而导致结构产生裂缝。由于在这个过程中受约束的是结构物下部，其上部仍处于自由状态，因此其产生的裂缝是由下而上、并且下宽上窄。

2.2 混凝土浇筑施工环境温度高而对策措施不全面

关于热期混凝土施工温度限制以前强调的不多。在这方面日本规定是宜低于30℃，并不得高于35℃;美国规定是不得高于32℃;我国《公路桥涵施工技术规范规定》:混凝土的浇筑温度应控制在32℃以下，宜选用在一天温度较低的时间内进行。上述原则被有些施工部门忽视或突破。钢筋混凝土薄壁式桥台(墩)这种结构大体积混凝土的特性较为明显，虽然可不必采取在结构内设冷水管用以降低大体积混凝土内由于水泥水化热而升高温度的措施，即使没有突破上述规定而在温度较高时浇筑混凝土时也应采取相应的降低施工环境温度的措施，这一点并没使所有施工部门引起注意，给结构裂缝的产生留下隐患。

热期浇筑混凝土尤其是气候干燥地区的成型后混凝土养护是极其重要的，养护工作质量不高不但降低强度、快速蒸发还会产生塑性收缩裂缝。由于这些构造物的施工均在干旱之年的炎热干旱之季，成形后的混凝土养护普遍受到了不良影响，混凝土初凝后要连续保持7 d潮湿状态的规范要求很难保证，并且间断洒水养护又形成干湿循环，极易形成收缩裂缝。

2.3 水泥用量过多

由于薄壁式台厚度相对小，高度较大，钢筋设置又较密，给混凝土浇筑捣实增加了难度，易使薄壁台出现蜂窝、麻面、露筋甚至烂根的事件，以至有些构造物不得不推倒重来。施工部门为克服上述现象，通常都增大新拌混凝土的流动性。混凝土拌和物的流动性随着温度的升高而减小，温度升高10℃坍落度大约减小20～40 mm，热期施工这一矛盾更为突出。为了解决上述问题，保证混凝土拌和物能有令人满意的流动性，就必须增加水泥浆用量，进而导致水和水泥用量的加大。水泥用量的加大直接结果就是水化热加强而导致混凝土升温，这就为温差裂缝的产生创造了条件。而水和水泥的用量增多，又增大了混凝土收缩的可能性。

总之，薄壁桥台的竖向裂缝产生是多种因素综合作用的结果。同样形式的构造物在施工时避开了高温下施工混凝土，而其他相应措施也比较完善的情况下并没有发生竖向裂缝。

3 预防措施

3.1 设计

钢筋混凝土薄壁式桥台尺寸较大，是大体积混凝土特性较明显的大面积混凝土板，混凝土温度变形和收缩变形对其影响是极不利的，更主要的是在高温干燥环境下施工，其变形又受基础和承台的约束，极易产生裂缝。为防止裂缝的产生，首先要在设计上采取相应措施。

(1)设定施工要求

设计文件中应强调这种结构施工过程中一些必须满足的要求，尤其要强调高温、干燥、低温等恶劣环境下的施工具体要求。面对目前中小桥涵施工队伍较杂、技术水平参差不齐的现实，这种强调是必要的。

设计应充分考虑北方地区热期施工混凝土的客观现实，在我国北方地区由于气候季节及施工过程各种因素的约束，这种结构的施工很容易被安排在高温的夏季进行。

(2)设置抗裂钢筋和伸缩缝

设置抗裂钢筋和伸缩缝是防止钢筋混凝土开裂的一般做法。配置分布均匀的细钢筋比同样含钢量的大间距粗钢筋更有好的效果。设置伸缩缝主要是放松基础约束的一种措施。伸缩缝的设置可每隔3～6 m设置一道。伸缩缝的长度可由基础和承台顶表面开始至台身顶部(不含台帽)。这既可保证桥涵下部的整体受力特性，又可防止台身裂缝的产生。

有研究资料表明:混凝土结构自身收缩程度与其体积和表面积之比值成反比关系，这一特性在混凝土龄期14 d以前尤为明显。也就是说，对于薄壁式钢筋混凝土桥台来说，其厚度较小者比较大者易因混凝土收缩而产生开裂，桥台设计时应充分考虑钢筋配置、伸缩缝设置及施工难易等因素，厚度70 cm优于50 cm。

3.2 施工

(1)避开高温下施工

高温下施工现浇混凝土既有很多潜在的不利因素又增加施工过程的内容和施工成本，因此在做施工组织计划时尽量使薄壁式构件现浇施工避免在高温干燥季节时进行。如果客观条件不允许，具体施工时也应避开一日之内的高温时间，而在一日内温度最低时进行，如可在夜间进行。

(2)采取降温措施

在高温下现浇混凝土应有全面的组织计划、准备工作充分、施工设备有足够的备件并事前做好检修及保养，保证连续进行;从拌和机到入仓的传递时间及浇筑时间要尽量缩短，并尽快开始养护。浇筑及拌和场地应遮荫以降低模板、钢筋、拌和机械、骨料、水泥的温度，不得使用刚出厂的水泥;在浇筑前可在模板、钢筋和地基上喷水以降温，但在浇筑时不能有附着水;用冷水或有条件亦可用冰水拌和混凝土;也可结合大体积混凝土施工的一些要求进行施工，并适当加快浇筑后混凝土的散热。

(3)降低水泥水化热升温及改善混凝土品质

降低水泥水化热的常规措施是:选用矿渣或火山灰质早期低热水泥;利用混凝土后期增长强度，减少早期升温;掺粉煤灰混合料减少水泥用量;掺减水剂等外加剂复合使用，防止高温下坍落度的损失，避免增加水和水泥的用量;如泵送必须采用较大坍落度时，必须使用高效减水剂，这样大流动拌和物坍落度会持续2 h以上，同时高效减水剂会降低拌和过程中骨料之间的撞击，降低拌和时产生热量;改善骨料级配，配制流动性好的混凝土;所用砂粒径不能太细，并严格控制其含泥量;合理安排工序分层浇筑;留置后浇带减小约束应力。多种措施并用则会起到较好的效果。

(4)加强热期混凝土施工的养护

混凝土的养护是混凝土施工中的重要环节，而在高温干燥环境中施工混凝土时这一环节更应注意并要有详细周到的落实措施。通常情况下，环境及表面温度在32℃、相对湿度10%、风速11～12 m/s时，其蒸发速度相当于环境温度及表面温度为21℃、相对湿度70%、无风时的50倍，由此可见在高温干燥时浇筑混凝土其养生条件之恶劣。

养护的具体方法很多，但不管何种方法应至少满足7 d连续保持所养护构造物处于潮湿状态的规范要求，有条件时应延长这一过程。不能使所养护构造物处于时干时湿的干湿循环状态，使构造物表面温度变化剧烈。如有可能湿养期间采取遮光和挡风措施，以控制温度和干热风的影响。

中图分类号:U445

C

1008-3383(2011)06-0172-02

收稿日期:2011-03-17