铁路桥梁墩台身大体积混凝土裂缝控制措施

王广厚

【摘 要】大体积混凝土产生出现裂缝是一个普遍的现象。随着高墩大跨铁路桥梁越来越普遍，相应的大体积混凝土在铁路桥梁结构中越来越多，但对于铁路桥梁中大体积混凝土的裂缝的原因分析与控制措施方面的研究相对较少。针对铁路桥梁工程大体积高强度混凝土的特点，分析了铁路桥梁结构中大体积混凝土产生裂缝的原因，进行针对性的分析和探讨，并从设计及施工两方面提出了防止裂缝的主要的技术措施。

【关键词】铁路桥梁；混凝土；裂缝控制

0 前言

随着高墩大跨铁路桥梁越来越普遍，相应的大体积混凝土在铁路桥梁结构中应用的越来越多，尤其是在复杂山区跨越峡谷的单线、双线或多线铁路桥梁的高墩及基础等。本文结合铁路桥梁工程实践将对此类问题进行分析，探讨裂缝出现的原因及控制措施。混凝土是应用最广泛最重要的工程结构材料之一。对于大型桥梁的基础、桥墩等大体积混凝土必需要考虑水化热引起的温度应力。温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，因此对结构的承载力、防水性能、耐久性等都会产生很大影响。

1 墩台混凝土裂缝产生的主要原因分析

1.1 溫度应力

根据温度应力的形成过程可分为三个阶段。早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，这个阶段的两个特征，一是，水泥放出大量的水化热；二是，混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。中期：自水泥放热作用基本结束至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。大体积混凝土的界定，各国不尽相同，还没有一个统一的定义。但凡属于大体积混凝土都具有一些共同特征：结构厚实，混凝土现浇量大，施工技术上有特殊要求，水泥水化热使结构产生温度变形，应采取措施，尽可能地减少变形引起的裂缝开展。

1.2 施工工艺的影响

铁路桥梁刚性实体墩台普遍采用C20混凝土，由于在施工中为加快施工进度，缩短工期，采用了混凝土泵送技术。为了满足混凝土泵送的要求，对混凝土配合比进行了调整，如加大了水泥用量等，将影响裂缝的发生发展。为保证泵送混凝土的流动性、粘聚性和保水性，便于泵送和浇筑，常采用的砂率为45%，比普通混凝土增大6%以上。砂率的加大，混凝土中粗骨料用量相对减少，而粗骨料在混凝土中是抵抗收缩的主要材料。因此，在配合比相同的情况下，随着砂率的加大，混凝土的收缩率也随之增大。大体积混凝土结构通常具有以下特点：混凝土是脆性材料，桥梁工程中常用混凝土（C15～C40）抗拉强度只有抗压强度的8%～13%。大体积混凝土的断面尺寸较大，由于水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升；以及在以后的降温过程中，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。现桥梁墩身及基础等大体积混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋，或者不配钢筋。因此，拉应力要由混凝土本身来承担。大体积混凝土施工常见的质量问题是温度裂缝。混凝土随着温度变化而发生膨胀收缩，称为温度变形。对于大体积混凝土施工阶段来讲，裂缝是由于混凝土温度变形而引起的。由于混凝土温度变化产生变形受到混凝土内部和外部的约束影响，产生较大应力，尤其是拉应力，是导致混凝土产生裂缝的主要原因。

1.3 环境方面的影响

施工时的气象条件也是影响混凝土裂缝（主要是表面裂缝）的主要因素。在气候干燥和大风季节，混凝土浇灌后不覆盖立即开裂。据介绍，风速为16mPs时，混凝土中水分蒸发速度为零风速时的4倍，相对湿度10%时，蒸发速度为相对湿度90%时的9倍以上，如果将风速作用和湿度影响叠加，则可推算出此时混凝土干燥速度是通常条件下的10倍之多。但这种裂纹一般都是表面裂纹，对混凝土结构没有影响。

2 铁路桥梁工程大体积混凝土裂缝的控制

2.1 优化铁路桥梁工程大体积混凝土的设计

铁路桥梁工程大体积混凝土裂缝的控制首先从设计方面来考虑，主要从以下几个方面来优化设计：即使铁路桥梁工程大体积混凝土不布置钢筋或者布筋较少，为避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。如在孔洞的周围以及转角处等布置一些斜筋，从而让钢筋代替混凝土承担拉应力，提高混凝土的极限拉伸能力，这样可以有效的控制裂缝的发展。在设计中优先考虑利用中低强度水泥，充分利用混凝土的后期强度。对于混凝土中钢筋保护层的厚度应当尽量取较小值，因为保护层的厚度愈大愈容易发生裂缝。

2.2 合理选择水泥品种及用量

理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。于是，我们对于桥梁中的大体积混凝土应该选择低热或者中热的水泥品种。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙，其他成分依次为硅酸三钙、硅酸二钙和铁铝酸四钙。另外，水泥越细发热速率越快，但是不影响最终发热量。因此我们在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥。精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能地降低混凝土的单位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比） 二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，生产出高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉值的抗裂混凝土。

2.3 充分利用混凝土的后期强度

根据工程特点，充分利用混凝土后期强度，可以减少用水量，减少水化热和收缩。因为大体积混凝土施工期限长，不可能28d向混凝土施加设计荷载，因此将试验混凝土标准强度的龄期向后推迟至56d或者90d是合理的。基于这一点，国内外很多专家均提出类似的建议。这样充分利用后期强度则可以每立方米混凝土减少水泥40Kg～70Kg 左右，混凝土内部的温度相应降低4℃～7℃。实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是温度梯度造成，寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。从温度应力观点出发，保温应达到下述要求：防止混凝土内外温度差及混凝土表面温度梯度，防止表面裂缝。防止混凝土超冷，应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。防止老混凝土过冷，以减少新、老混凝土间的约束。

3 结语

防止铁路桥梁大体积混凝土出现裂缝是一项复杂的系统工程，产生裂缝的原因很多，且工程又千差万别。长期的工程实践证明，温度裂缝并不是不可控制的，通过采取一些技术措施是完全可以减少甚至避免的，且其有害程度是可以控制的。只要我们在设计、施工工艺、材料选择以及后期的养护过程中能够充分考虑的各种因素的影响，还是可以避免危害结构的裂缝的产生。

【参考文献】

[1]卢二侠.大体积混凝土承台水化热温度分析与控制[D].湖南大学，2007.

[2]李海涛.铁路桥梁工程大体积混凝土裂缝的原因分析与控制措施[J].铁道勘测与设计，2008.

[责任编辑：丁艳]