肯尼亚蒙内铁路预制T梁裂缝成因及控制措施

李建宝

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300170）

预制梁以其施工标准化程度高、节约工期、架设施工不受下部地形影响等诸多优点，在我国有比较广泛的应用。预制T梁具有结构设计相对简单、截面经济性好、吊装方便等优点，除高速铁路桥梁采用预制箱梁以外，普速铁路桥梁普遍采用预制T梁。作为“一带一路”合作项目的成功代表，蒙内铁路项目桥梁地段采用预制T梁，开创了中国标准预制T梁在海外工程应用的先河。

1 项目概况

肯尼亚位于非洲的东部，属热带草原气候，全年分雨季和旱季，其中旱季时间较长。赤道横贯肯尼亚中部，因此肯尼亚全年高温且昼夜温差较大。蒙内铁路全长约480km，东起肯尼亚东部港口蒙巴萨，西至首都内罗毕，全线采用中国标准。铁路正线采用单线，设计客运速度120km/h、货运速度80km/h，设计运力2500万t，采用中国国铁一级标准进行设计施工。蒙内标轨铁路项目第六项目经理部Mtito制梁场承担蒙内铁路DK0～DK245里程范围内T梁预制任务。

2 竖向裂缝原因分析

2.1 裂缝现象描述

在Mtito制梁场生产试制品过程中发现，部分梁体普遍出现不同程度的竖向裂纹。通过对比发现裂纹具有以下特点：（1）梁体裂纹主要出现在距离梁体大里程端8～12m范围内（由小里程端开始浇筑）；（2）裂纹由下翼缘与底板相交的倒角部位开始发生，向上和向底板垂直梁体中心线两个方向发展，发展长度不等，裂缝宽度大小不一。

2.2 裂缝产生原因分析

由于梁体裂缝在拆除模板时就已经出现，而且梁体没有承受外部荷载，排除了外部荷载导致裂缝出现的可能。混凝土从浇筑至拆模前有测量员对制梁台进行沉降观测，所有制梁台均未发现不均匀沉降，也排除了不均匀沉降导致梁体裂纹的可能。通过调查混凝土测温记录发现：相比国内预制梁施工经验，该梁场混凝土浇筑完毕后在较短时间内，梁体内部温度快速升高，且峰值超过规范要求的最大值65℃。而梁场所在地昼夜温差大，造成梁体内部温度与环境温度温差过大，也超过规范要求的15℃。因此，导致梁体出现裂缝的主要因素是梁体混凝土温度升高较快，内外温差产生的较大温度应力，致使混凝土薄弱部位开裂。

2.3 温度应力导致裂缝产生的机理

梁体混凝土强度等级为C55，当混凝土硬化时，水泥水化反应会产生大量的水化热，由于混凝土导热性较差，而且T梁混凝土体积较大，梁体内部会积聚大量的水化热，从而导致梁体混凝土内部温度急剧上升。项目采用的水泥为肯尼亚本地产的Bamburi CEMI 52.5水泥，该水泥为早强型水泥，水化反应比普通水泥更快，所以混凝土内部温度升高更快，峰值更高。梁场所在地Mtito Andei昼夜温差较大，白天环境及模板温度过高，无法进行混凝土浇筑作业，因此混凝土浇筑作业选择在夜间进行。夜间环境及模板温度较低，而混凝土浇筑完毕后极短时间内快速硬化，内部温度急剧上升，从而导致梁体混凝土内外出现较大的温差。对于大体积混凝土内部温度较高、外部温度较低，内外温差较大的情况下，会引起内外混凝土膨胀变形差异，导致内部混凝土承受压应力、外部混凝土承受拉应力，混凝土抗拉能力较差，从而使梁体表面产生裂缝。由于混凝土材料的不均匀性，裂缝首先在强度最小的位置发生，并且在裂缝发生前瞬间的应变分布会产生应变集中（见图1）。

图1 大体积混凝土的温度、应力分布

2.4 梁体薄弱部位分析

T梁混凝土由拌合站统一搅拌，罐车运至现场利用龙门吊和料斗进行浇筑。项目采用肯尼亚本地产Bamburi水泥，外加剂采用国产北京厚德HS-DD6标准型减水剂，Bamburi水泥与国产水泥在生产工艺以及原材料上的差异，导致水泥熟料中的主要成分有很大区别。因此，Bamburi水泥与国内减水剂适应性较差，导致其减水、保坍、抗离析和改善和易性的作用不能充分发挥。混凝土浇筑过程中，出现的离析现象就是水泥与减水剂不匹配所致。混凝土浇筑工艺采用国内成熟的水平分层、斜向分段法施工，由小里程端开始向大里程端浇筑推进。但由于该混凝土易离析，在浇筑过程中，经过振捣，粗骨料下沉，水泥砂浆沿混凝土表面向前流动，在浇筑方向的最前端混凝土面为一斜坡面，更加速了水泥砂浆向前流动。在梁体混凝土浇筑至跨中位置时，前端混凝土斜坡面的坡脚超过跨中一个中隔板的位置，而水泥砂浆已沿底模流动至距大里程端约4m的位置。梁体上部荷载通过支座传递给下部结构，为防止支座部位因积聚过多水泥砂浆而降低强度，并避免先浇筑部分因停留时间过长而产生冷缝，浇筑方向改为两个方向交替进行。因混凝土离析而改变的这种浇筑方式导致距大里程端8～12m范围相比其他部位有较多的水泥砂浆，粗骨料相对较少，极限抗拉强度较低，破坏了整片梁的宏观均匀性，该部位成为全梁混凝土的相对薄弱部位。随着混凝土温度应力的增大，当温度应力超过该薄弱部位的极限抗拉强度时，裂纹将最先在该部位出现，这与现场实际裂纹发生部位是一致的（见图2）。

图2 T梁混凝土相对薄弱部位

3 竖向裂缝控制措施

控制温度裂缝的根本是控制水泥水化热升温，减小混凝土内外温差，降低温度应力。调整减水剂制备方案，缓凝并防止混凝土离析。

3.1 优化混凝土配比，降低浇筑温度

水泥水化热升温是导致混凝土裂缝的主要因素，水化热升温T可由下式表示：

式中：T（t）为混凝土浇筑完t段时间，混凝土的绝热升温值，℃；C为每立方米混凝土中的水泥用量，kg；Q为水泥的水化热量，J/kg；c为混凝土的比热，J/（kg·K）；ρ为混凝土的质量密度，kg/m3；e为常数；m为与水泥品种、浇筑时的温度有关的经验系数；t为混凝土浇筑后至计算时的天数，d。

由上式可知，可通过减少水泥用量、降低混凝土浇筑温度的方法来降低水化热升温。（1）通过反复试验优化配合比，在保证混凝土强度、弹性模量、耐久性等满足设计要求的前提下，降低水泥用量。（2）对混凝土原材料采取隔热、降温措施，降低混凝土拌和物的出机温度。同时，浇筑现场与拌合站加强沟通，合理安排生产，减少混凝土从出机到浇筑入模的等待时间，从而降低混凝土入模温度。

3.2 根据水泥成分优化减水剂方案

分析Bamburi水泥的矿物成分，根据其成分重新制定减水剂方案，针对性地增加缓凝、抗离析、抗泌水组份，增加气泡结构改性剂。使减水剂与Bamburi水泥相匹配，充分发挥其功效。最终在缓凝、保坍、减水以及改善混凝土和易性方面均有极大的改善：（1）通过减水剂的缓凝作用，延长水泥水化反应时间，减慢混凝土的硬化速度，降低水化热峰值，从而降低混凝土内外温差，减小温度应力。（2）调整后的外加剂有效改善混凝土的施工性能，抗离析，避免出现粗骨料与水泥砂浆分离的现象。混凝土浇筑顺序可继续由小里程端向大里程端浇筑推进，减少水泥浆积聚、抗拉强度较低的区域出现的概率，最大限度地保证梁体混凝土的宏观均匀性。

3.3 加强混凝土早期养护

新浇筑混凝土本身所含水分完全可以满足水泥水化作用所需水分，但是混凝土浇筑完毕后如不及时进行养护，靠近表面的水分会因蒸发而损失过快，不但影响混凝土强度发展，还会引起干缩裂缝。一旦出现温度应力升高的情况，干缩裂缝处应力集中，有可能会进一步发展为温度应力裂缝。及时充分地洒水养护也有助于降低梁体混凝土温度。混凝土养护的关键是保水，即保持混凝土湿润，当混凝土表面水分蒸发过快时就应及时洒水养护，并覆盖土工布等保水材料。在Mtito Andei这种炎热、干燥的环境下更应及早开始养护，养护时间不少于14d。

4 控制成果

通过调整外加剂方案降低混凝土水化反应速度、改善混凝土工作性能、降低混凝土浇筑温度、加强养护等措施，降低混凝土内外温差，减小温度应力，增加混凝土宏观均匀性。后期生产的T梁没有再出现裂纹。对前期出现裂纹的试制梁全部进行静载试验，既有裂纹未发展、未出现新的裂纹、实测静活载挠度值满足规范要求，梁体质量合格。对既有裂纹进行封闭、修补后可继续用于架梁施工。

5 结束语

混凝土温度应力相对于外部荷载作用下的应力分析更加复杂，它与混凝土构件的结构形式、施工过程、材料特性以及环境气候特点等都有密切关系，尤其是不同项目所处环境不同，温度应力的控制措施亦应随之改变。Mtito制梁场控制梁体裂缝的经验对于类似热带气候地区进行混凝土作业具有一定的参考意义。