砚瓦河大桥空心薄壁墩实心段裂缝成因分析及预防

文／周侠 核工业长沙中南建设集团有限公司 湖南长沙 410000

引言：

由于空心薄壁墩台施工工艺简便、经济、美观，近年来大中跨度桥梁、高等级公路、城市道路、立交桥中空心薄壁墩台被广泛应用，但薄壁墩实心段位置属于大体积混凝土，混凝土内外温差大，容易使薄壁墩台实心段位置出现裂缝。据分析，薄壁墩台的裂缝大多非外力引起的荷载裂缝，而是温度变形、收缩变形等引起的变形裂缝。在混凝土硬化过程中，会导致钢筋锈蚀和混凝土剥落，严重影响结构的美观和使用寿命，因此在桥梁施工中对高墩的施工监测提出了新的要求。既要克服现场地形地貌和施工空间距离大的困难,又要满足施工质量的要求。论文基于河南省济源至洛阳西高速公路项目砚瓦河大桥空心薄壁墩实心段开裂的具体研究,采用混凝土外部保温消除空心薄壁墩实心段开裂现象可行性分析,对桥梁施工的各个重要工况进行桥墩实心段开裂监测。该方法能快速判定桥墩实心段的开裂情况,将大桥施工时各个工况下监测情况进行对比能及时发现问题,并采取相应的措施,保证了高墩的安全和质量。因此，研究这类问题是非常必要的。

1、砚瓦河大桥设计概况

该桥起讫桩号：K4+217.700～K5+065.7，桥梁上部结构为21×40m装配式预应力混凝土连续T梁，全长848m，左右分幅，桥梁全宽26m，正交设置，下部结构采用柱式墩、空心薄壁墩、桩式台，桩基为端承桩，桩基最深长度为17m，空心薄壁墩最高长度为70m，桥梁最高位置高度约80m，位于13号墩处。

空心薄壁墩：第12号墩、第13号墩为平面尺寸4×7m的薄壁墩，桥墩高度为70m，底部实心段高度为3m，实心段混凝土体积为84m，混凝土强度为C40，薄壁墩净保护层为5.21cm(距主筋钢筋肋)，与箍筋净保护层不得小于3cm，如按主筋中心计算保护层为7cm。

2、薄壁墩混凝土现场施工情况

砚瓦河大桥13#墩右幅空心薄壁墩（以下简称13#右），采用滑模施工工艺，实心段浇筑时间为2017年9月28日，混凝土浇筑完成后立即采用塑料薄膜晒水覆盖养生，至质监站10月23日工地巡查时，揭开养生塑料薄膜后，发现13#右空心薄壁墩的实心段混凝土表面存在竖向开裂现象，开裂位置均位于薄壁墩两长边侧面，北侧面裂缝距墩左边线约3.37m，裂缝长度约2.2m，南侧面裂缝距墩左边线3.8m，裂缝长度约2.0m，随后根据业主、总监办、驻地办要求，我项目部采用专业仪器（北京智博ZBL-F101）对裂缝进行动态的观测。

砚瓦河大桥12#墩右幅空心薄壁墩（以下简称12#右），采用翻模施工，实心段浇筑时间为2017年11月19日，拆模时间11月25日，拆模后用毛毡和土工布包裹，白天中午气温高时，采用淋水养护，淋水3～4天后，因气温较低不宜浇水遂停止仅用土工布和毛毡包裹。现场施工员在拆模时其已对12#墩右幅进行仔细检查，未发现薄壁墩有开裂现象，12月17日试验室人员对该墩回弹强度时方揭开毛毡和土工布后，发现南北长边面有竖向开裂现象（详见图1），开裂位置北侧面距墩左边线3.15m，裂缝长度2.12m，南侧面距墩左边线3.15m，裂缝长度1.92m。

图1 空心薄壁墩南北侧面示意图

砚瓦河大桥12#墩左幅空心薄壁墩（以下简称12#左），采用翻模施工，实心段浇筑时间为2017年11月23日，拆模时间12月20日，竖向裂缝在南侧长边侧面，距该墩左边线约3.25m，裂缝长度2.31m。

3、裂缝观测情况及分析

3.1 裂缝情况

（1）13#右空心薄壁墩：动态观测进行了2次，分别在2017年11月29日、2017年12月30日。

情况如下：北侧面裂缝宽度为0.4-1.5mm之间，平均约1.0mm，大部分开裂深度均小于保护层厚度，仅有两个测点位置开裂深度较深，即距承台顶面高约0.83m与1.2m处（两测点相邻）深度较深，深度分别为7.5～8.0cm、7.3～8.2cm，裂缝整体平均深度为5.7cm。南侧面裂缝宽度0.2～1.0mm，平均宽度约为0.6mm，仅有距承台顶56cm高处裂缝深度较深，深度在7.8～8.1cm，裂缝整体平均深度为4.5cm（详见表1、表2）。

表1 2017-11-29日裂缝观测记录表

表2 2017-12-30日裂缝观测记录表

（2）12#右空心薄壁墩：动态观测2次，分别在2017年12月18日、2018年1月3日。

情况如下：北侧面裂缝宽度为0.3～0.8mm之间，平均约0.5mm，5个测点中，即距承台顶面高约1.03m与1.3m处（两测点相邻）深度较深，深度分别为7.5～7.9cm、5.5～6.2cm，裂缝整体平均深度为4.6cm。南侧面裂缝宽度0.4～0.6mm，平均宽度约为0.5mm，观测点4个，距承台顶0.22m及1.63m高处裂缝深度较深（超过净保护层），深度分别为6.2～6.4cm、7.0～7.5cm，裂缝整体平均深度为5.5cm（详见表3、表4）。

表3 2017-12-18日裂缝观测记录表

表4 2018-01-03日裂缝观测记录表

（3）12#左空心薄壁墩：动态观测2次，分别在12月25日、2018年1月3日。

情况如下：北侧未发现裂缝，南侧裂缝宽度为0.2～0.4mm之间，平均约0.3mm，4个测点位置所测裂缝深度均未超过净保护层厚度，最深位置距承台顶1.09m处，深度为4.3～4.4cm，其余位置裂缝深度均不超过1.5cm，裂缝整体平均深度为1.9cm（详见表5、表6）。

表5 2018-12-25日裂缝观测记录表

表6 2018-01-03日裂缝观测记录表

3.2 情况分析

（1）从目前施工的这3个空心薄壁墩情况看，裂缝均发育在实心段（大体积混凝土）位置，可以初步判断为温度裂缝。

（2）混凝土表面因内外温差引起的表面应力最大的位置理论上应位于长边一侧（因为混凝土的尺寸越大，其总变形量越大，导致混凝土表面拉应力越大）中心线上（沿短边方向开裂），拉应力往混凝土表面两侧逐渐扩散减小，根据现场对裂缝发育的位置看，其位置临近薄壁墩长边侧面的竖向中心线附近，可以看出该位置基本位于混凝土内外温差引起混凝土表面拉应力最大的位置，应可以明确判定为温差裂缝。

（3）从观测数据看，裂缝平均深度基本与净保护层厚度相近，个别位置裂缝深度值略超过钢筋主筋中心线，这说明钢筋已经对裂缝发育具有了很强的束缚作用，阻止裂缝进一步向混凝土内部延伸，此种裂缝属表面裂缝。

（4）从观测的时间顺序上看裂缝发育情况，未发现有明显的迹象表明混凝土裂缝深度及宽度有进一步发展的趋势，最后一次观测时间距空心薄壁墩实心段混凝土浇筑时间13#右墩、12#右（左）墩分别已经过去93d、36（32）d，混凝土的内外温差应已经趋于一致，温度裂缝继续发育的条件已不复存在，可以断定裂缝基本稳定。

4、仅采用混凝土外部保温消除薄壁墩实心段开裂现象可行性分析

实心段混凝土体积大，如果仅采用外包保温不采取措施降低混凝土内部温度，随着混凝土外表温度升高，向外散热效果变差，混凝土内部温度也会相应上升，因此仅依靠外部保温不能有效地减小内外温度。

翻模施工工艺要求：刚浇筑的混凝土模板必须等上一节混凝土浇筑后达到一定强度后方可拆模，这期间需要5-7d时间，外侧模板上有操作平台，无法对混凝土进行包裹保温。

尤其是临近冬季，即使混凝土浇筑后，外部全部包裹并通蒸汽养护也是不可行的，原因:以目前我标段施工设备水平，蒸汽养护的温度只能保证在16-22℃范围内，此温度不能有效保证实心段浇筑后不开裂，证据是13#墩右幅在9月底浇筑，外部温度应高于16～22℃，但仍存在内外温差裂缝。

综上所述，有效地减缓混凝土内外温差最有效的办法是降低混凝土内部温度，外部保温只能是辅助手段。

5、与其他桥梁的薄壁墩实心段裂缝发育情况对比

近期我们对相邻标段及本标的其他桥梁薄壁墩实心段裂缝发育进行了调查，详情况见下：

（1）本标段内祖师庙大桥，已经施工的薄壁墩平面尺寸为3×7m，实心段高度为2m，实心段混凝土体积42m，未发现开裂现象。

（2）济洛西高速土建3标（邻标段）目前施工的薄壁墩为3×7m，实心段高度为2m，实心段混凝土体积42m3，未发现开裂现象。

（3）济阳高速土建一标（邻项目）施工的最大薄壁墩尺寸为3.5m×6.25m，实心段高度为2m，实心段混凝土体积43.75m，混凝土体积未发现开裂现象。

6、针对薄壁墩开裂现象拟采取的措施

（1）薄壁墩实心段（平面尺寸4＊7m，实心段高3m）混凝土体积较大，实心段浇筑后混凝土体内外温差大，必须对混凝土内部温度采取降温措施，因此建议对大体积空心薄壁墩（平面尺寸4＊7m，实心段高3m）的实心段位置增设降温管。

（2）根据上述裂缝观察数据表明钢筋对裂缝的发育具有很强的束缚作用，可以阻止裂缝进一步向混凝土内部延伸。建议在易开裂的薄壁墩实心段位置长边侧（南北两侧）一定范围内敷设抗裂钢筋网片，钢筋网片敷设在钢筋主筋外侧。

（3）对已经施工完成的薄壁墩实心段裂缝采取压力改性环氧化学灌浆法处理，压浆液由环氧树脂、改性液及三乙烯三胺组成，在催化剂作用下相分离而呈海岛状态结构，具有橡胶相改性环氧树脂效果，它可灌性好，粘度低，强度高，使用方便。特别适合于灌注细裂缝。具体步骤：表面用钢丝刷刷干净，并吹去浮尘；粘贴进浆嘴，间隔300-500mm一个；用速凝胶封闭裂缝；配浆；压力灌浆至与进浆嘴相邻的进浆口冒浆为止，关闭冷阀门停止进浆，并迅速用堵头封住进浆口，依次逐段压浆完成；复原，等72h后打掉进浆嘴，铲去混凝土面上的胶泥。

结语：

砚瓦河大桥12#、13#墩，空心薄壁墩平面尺寸为4×7m，实心段高3m，混凝土体积为84m，比上述桥梁薄壁墩实心段的混凝土数量有大幅增加，相同施工条件下，内外温差会更大，该墩实心段也未设置降温管，大大增加了混凝土开裂的风险，本标段祖师庙大桥空心薄壁墩施工方案、设备与养护方式均与砚瓦河大桥基本一致，可排除施工因素导致开裂，应确定砚瓦河大桥12#、13#空心薄壁墩实心段长边侧面竖向裂缝为内外温差引起的表面裂缝。