寒區混凝土墩臺開裂與對策

王軍璽 丁東彥 楊曉琴

(蘭州交通大學土木工程學院 730070)

1 引言

青藏鐵路西格二線位于青海省境內，青藏高原東北部，全線海拔3000m 以上。當地大氣環境干燥，少雨，風力強勁，太陽輻射強，日溫差大，風蝕、風化現象嚴重，屬青藏高原大陸性氣候;部分河流存在氯離子、硫酸根離子等有害離子，對混凝土具有強烈的腐蝕作用。

為了適應當地惡劣的自然條件，確?；炷炼张_的耐久性，減少混凝土水化熱升溫對多年凍土的熱擾動，并加快施工進度，混凝土必須具有良好的早強、低溫負溫強度增長性能，因此采用低溫早強耐久性混凝土。

施工期間，混凝土墩臺受到溫度變化、徐變、干濕變化、自生體積變形等作用。正是由于這一類荷載的作用，墩臺會產生過大的拉應力而出現非結構性裂縫。而要通過工程措施，把這一類荷載所產生的拉應力控制在允許范圍內有一定的難度，施工期墩臺混凝土開裂一直是困擾工程技術人員的難題。因此，分析這一類荷載對橋梁混凝土墩臺的影響，并采取相應的對策有著重要的意義。

2 墩臺裂縫形式及產生機理

2.1 橋梁墩臺裂縫形式

寒區混凝土橋梁病害調查結果表明，寒區耐久性混凝土墩臺在施工期出現不同程度、不同形式的裂縫，是一個相當普遍的現象。具體形式為:橋墩中心線附近的豎向裂縫;墩臺在日照時間較長側的裂縫;墩臺模板對拉筋孔處的裂縫;墩臺模板分塊接縫處的裂縫;橋墩頂部環向裂縫;墩臺混凝土表面細小、不規則、長短不一的裂縫。

2.2 墩臺裂縫及其成因分析

混凝土墩臺開裂往往是多種因素共同作用的結果，造成寒區墩臺開裂的主要因素有:寒冷、日溫差大、干燥、多風等惡劣自然條件，以及低溫早強耐久混凝土膠凝材料用量大、收縮量大、水化熱大且釋放集中。

高原寒區特殊的自然條件是混凝土墩臺開裂的一個主要原因。我國高原寒區，尤其是青海，位于青藏高原東北部，海拔3000m 以上，屬青藏高原大陸性氣候。高寒干燥，年平均氣溫－1.4～6℃，極端最高氣溫33.5℃，極端最低氣溫－37.2℃，最大月平均溫差22.5℃，一年內凍結期長達6～8個月(每年10月～次年4～5月)，年蒸發量大，達1638.9mm，而年平均降水量只有248.5mm。大風(7～8 級)頻繁，多集中于10月～次年4月間。日照時數較長，太陽輻射強，日氣溫變化劇烈，具有“一日四季”的氣候特征。橋址所在地區，部分河流存在氯離子、硫酸根離子等有害離子，對混凝土具有強烈的腐蝕作用。

外部環境因素影響現澆混凝土墩臺而產生的裂縫主要體現在:氣溫驟降、干燥收縮、凍脹、材料引起的裂縫等方面。

為了適應高原寒區惡劣的自然環境，確保墩臺的長期耐久性，以及加快施工進度，混凝土除了應具備一般高性能混凝土具有的物理力學性能外，還必須具有良好的早強、低溫、負溫強度增長的性能，配合比設計根據環境、地質條件采用低溫早強耐久性混凝土，且混凝土配制強度要比設計強度高一個等級?；炷潦且环N不良的導溫材料，對于混凝土橋梁墩臺而言，水泥在水化固結過程中產生大量的水化熱不易散發，會形成較高的水化熱溫升。而混凝土水化放熱與其強度同步發展，受環境溫度的影響，在混凝土溫度變化過程中產生的溫度應力往往超過其抗拉強度而導致結構產生溫度裂縫。所以耐久性混凝土的早強與水化熱之間的矛盾是影響墩臺產生施工裂縫的另一個主要原因。

混凝土內部因素影響墩臺而產生的施工裂縫主要體現在塑性干縮與炭化收縮等方面。

3 耐久性混凝土墩臺裂縫控制綜合技術措施

制約混凝土墩臺開裂的三個基本因素分別是:變形量的大小、抗拉性能及約束條件。影響混凝土變形量大小的內因是混凝土的材質，外因是混凝土所處的環境條件。在約束條件、自然環境不可改變的情況下，墩臺采用低溫早強耐久性混凝土，其施工過程要解決三個主要問題:?耐久性混凝土的原材料和配合比是基礎;?施工措施是關鍵;?養護是保證。且應以溫度控制為主線，遵從三個基本原則:?砂、石等骨料中不能包含凍塊，且混凝土拌和物應該具有一定的溫度，以保證在運輸和澆筑過程中不致凍結;?達到設計強度的50%前，新澆混凝土不能受凍，以免內部結構受到破壞，終凝強度損失;?混凝土的內外溫差、基礎溫差、上下溫差等均不能超過規定的數值以免產生裂縫，破壞墩臺的整體性，降低其承載能力。

3.1 混凝土原材料選擇

設立工地實驗室，按照相關標準，對進場水泥、砂子、石子、拌和水及外加劑等進行各項性能指標檢驗，從源頭上保證混凝土的質量。

a.選用中低熱水泥品種:水泥品種的選擇應根據墩臺大體積混凝土特點及結構特點，以水化熱控制或收縮控制為主。必須通過對水泥品種的優選，選用抗拉強度較高、水化熱較低的中低熱的水泥品種，以降低水化熱溫升，減少水泥用量，減小收縮量;采用低堿水泥，同時嚴格控制骨料的堿活性，防止堿骨料反應而產生膨脹破壞。所需水泥宜采用品質穩定的硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，強度等級宜為32.5 以上。

b.摻加外加劑:為提高混凝土的抗裂性能，在其中摻入外加劑，主要包括:減水劑(萘系)，無機鹽(防凍、早強組分，為化學純)，引氣劑，以及DZ 系列高性能耐久性混凝土外加劑。

c.優選粗、細集料:?粗集料:根據墩臺最小斷面尺寸和泵送管徑，選用較大粒徑的碎石或卵石。選用較大尺寸的粗集料，在給定的水膠比和稠度下，水和水泥用量都有所下降。粗骨料要求粒徑4.75～37.5mm，含泥量不大于1.0%，質地均勻堅固，級配連續，粒形良好、吸水率低、有害物含量少;?細集料:以級配良好的中砂為宜。在選擇細骨料時，其細度模數宜在2.6～2.9 范圍內，含泥量不大于3.0%，其余要求和粗集料相同。不宜使用石屑、山砂，如泵送應盡量降低砂率?？刂粕笆橇系膲A活性、含泥量、針片狀含量等。

d.拌和水:拌和水采用優質河水，水中有害物質含量應符合鋼筋混凝土用水標準。

e.摻加粉煤灰:為滿足墩臺施工需要，混凝土應具有良好的黏聚性和可泵性，較低的水化熱溫升和較遲的最高溫度出現時間，以利于協調溫度應力和初始結構強度這一矛盾，而應用粉煤灰和外加劑的“雙摻技術”可達到上述目標已成共識?！半p摻技術”能同時降低水灰比、減少水泥漿量、減小收縮量。

3.2 混凝土配合比設計

墩臺混凝土配合比設計除應滿足強度外，還應盡量降低水化熱溫升值、減小收縮變形。

a.膠凝材料用量:從混凝土的工作性能、強度、耐久性指標、總含堿量及經濟效益等方面考慮確定膠凝材料用量。在滿足混凝土強度和工作性能的同時，盡可能減少對長期耐久性、收縮性能的影響，堿總含量不超過3.0 kg/m3。

b.砂率:砂率選取要兼顧強度及和易性、收縮量等。?在滿足泵送的條件下盡量減少砂率，可節省水泥用量;?砂率增大，砂漿體積增大，和易性好，易于泵送，強度有所下降;砂率減少則反之;?砂率過大則成為富漿混凝土，造成收縮量加大、抗裂性能下降，致使墩臺表面產生早期裂縫(紋);?砂率過小則影響混凝土工作性能、耐風蝕性能;?據已建工程成功經驗選定砂率在30%～40%之間。

c.外加劑摻量:外加劑摻量直接影響用水量。為降低水膠比、提高強度，應提高外加劑摻量，但摻量過大會使混凝土離析、泌水，不利于施工。

d.水膠比:若水膠比過大，混凝土內部形成空隙過多，密實度降低，力學性能降低，影響抗凍、抗滲等性能;若水膠比過小，則和易性差，影響施工操作，難以振搗密實，使得力學性能和耐久性指標降低。經反復試驗證明，水膠比不宜大于0.39。

混凝土配合比應參照相關規定，結合施工條件，通過試驗確定。盡量減少水泥用量，適當減小砂率，以降低混凝土的收縮、徐變和堿含量。配合比設計經抗裂、抗凍、抗滲、耐風蝕、抗腐蝕、護筋性、堿骨料反應、抗氯離子滲透等八項耐久性指標檢驗合格后使用。參考組分配合比為:水灰比0.4～0.5;砂率30%～40%;水泥用量350～480kg/m3;防凍劑摻量不大于4%;早強劑摻量不大于2%;耐侵蝕劑摻量不大于10%;粉煤灰為水泥重量15%～20%。

3.3 混凝土拌和

a.低溫下混凝土的拌制，宜采用強制式攪拌機。

b.各種原材料的加熱溫度按以下要求控制:?水泥、外加劑均不宜直接加熱，但應儲存在保溫篷內，保證在正溫條件下使用;?當氣溫不低于－1℃時，只需將水采用鍋爐直接加熱，加熱溫度控制在30～60℃，要求水溫準確、供應及時、先后用水溫度一致;?當氣溫低于－1℃時，采用地爐或加熱料倉預先對砂、石料進行加熱。砂的加熱溫度控制在8～20℃，石子加熱溫度控制在2～10℃。

c.拌制混凝土的合理投料順序應與材料加熱條件相適應，一般先投入骨料和加熱的水，待攪拌一定時間，水溫降低到40℃左右時，再投入水泥和外加劑;當混凝土的水泥用量大于350 kg/m3時，為避免攪拌機粘罐，可按以下順序投料:先加石子和大約一半拌和水攪拌30s，然后加入砂、再投入水泥、外加劑和另一半拌和水。

d.在拌和過程中，主要控制拌和時間與含氣量的關系，根據拌和機的運行速度確定，攪拌時間以比普通混凝土增加30s 為宜。

e.混凝土攪拌均勻，顏色一致，首盤檢查一次坍落度，以后不定時抽檢。

f.對攪拌好的混凝土，應檢查出機溫度(出機溫度根據氣候條件、保溫方法，由澆筑溫度加上運輸及澆筑過程中的熱量損失得到。為保證入模溫度在7～10℃范圍內，出機溫度應保證在12～15℃)及和易性，若差異較大時，應檢查材料加熱溫度、投料順序或骨料含水率，以便及時調整。

3.4 混凝土運輸

a.根據施工方量、施工進度、運距(一般不宜超過6 km)、澆筑時間、道路情況等因素，合理配備運輸罐車數量，做到少裝快運，少停留，少倒運，減少含氣量及坍落度損失，確保連續澆筑。

b.在運輸過程中，罐體以2～4r/min的轉速旋轉，防止混凝土離析和水份過多散失，出料前應以常速攪拌20～30s 后用中速旋轉卸料。

c.運輸過程中混凝土溫度不能降低過快，一般每小時溫度降低不宜超過5～6℃，且保證入模溫度在7～10℃。

d.運輸罐車除保溫防風外，還必須嚴密不漏漿、不吸水并應在使用中經常清除容器中粘附的硬化混凝土殘渣并及時清除冰雪、冰塊。

e.混凝土在倒裝、分配或傾注時，應采用漏斗、串桶或滑槽等器具，同時采取保溫措施。

3.5 基礎預熱

混凝土澆筑前，對基礎及與新混凝土接觸的冷壁(預制混凝土模扳、老混凝土等)，應用蒸氣清除所有的冰雪、霜凍，并使接觸面升溫。如果基礎及冷壁內部溫度較低，還需要提前預熱。預熱溫度、深度和持續時間，可由溫度計算確定，原則上應使接觸面附近的新混凝土在達到設計強度的50%之前不被凍結，且基礎及冷壁10cm 深度范圍內溫度達到5℃以上。

3.6 混凝土澆筑

a.澆筑前，應清除模板和鋼筋上的冰雪和污垢，并采取防風、防凍等保護措施。

b.澆筑時要保證混凝土的均勻性和密實性，要保證結構尺寸準確，鋼筋、預埋件位置準確，拆模后表面光潔、平整。

c.混凝土入模溫度與自然氣溫、保溫材料及條件、表面放熱系數和混凝土強度要求等因素有關，入模溫度宜控制在7～10℃。

d.混凝土澆筑采用水平分層(水平分層厚度不大于30cm)、左右對稱的方法，連續進行。當因故間歇時，間歇時間應根據環境溫度、水泥性能、水灰比、外加劑類型等條件通過試驗確定;低溫施工，不宜留置施工縫;當超過允許間歇時間時，按澆筑中斷處理，同時留有施工縫。

e.采用振搗器振搗。在振搗新混凝土時，應將振搗棒插入下層混凝土5cm 左右，同時振搗上下層，以消除兩層之間的接縫，且應在下層初凝之前進行。每一振固點振搗時間為20～30s，達到三個條件方可結束振搗:?表層開始泛漿;?不再冒泡;?表面不再下沉。以保證混凝土有足夠的密實度和含氣量。振搗時要做到快插慢拔，快插是防止先將混凝土表面振實，而與下層混凝土發生分層、離析;慢拔是為了讓混凝土能填滿振搗棒抽出時所造成的空洞。

為了減小內外溫差、基礎溫差，澆筑溫度越低越有利，最好不超過10℃，一般以在5～8℃為宜。如果澆筑溫度超過允許值，應加強澆筑后的保溫措施。當運輸保溫效果得到保證時，為確保澆筑溫度，盡可能減少澆筑中的熱損失，比較可行的辦法是加快澆筑速度，縮短澆筑時間，并加強保溫。當氣溫低于－5℃時，停止澆筑或采用暖棚。

3.7 早期養護

混凝土墩臺的抗裂性、耐久性很大程度上取決于早期養護，其中包括保濕、保溫兩個方面。

3.7.1 養護的目的

混凝土早期養護的目的在于保持適宜的溫濕條件，以達到以下效果:?使混凝上免受不利的溫濕變形侵襲，防止有害的冷縮和干縮;?使水泥順利水化，以達到設計強度和抗裂能力。

3.7.2 養護的要求

養護應達到下述要求:?減小混凝土內外溫度差，防止表面裂縫;?防止新混凝土超冷，使施工期的最低溫度不低于運行期的穩定溫度，防止貫穿裂縫;?防止老混凝土過冷，以減小下層老混凝土的約束;?減小混凝土的干縮，使水泥水化作用順利進行。

根據上述要求，應在墩臺下述有關部位注意采取保溫措施:?剛澆筑的尚在凝結硬化過程中的新澆筑塊;?長期停澆的老澆筑塊，尤其是巖基上長期停歇的薄層澆筑塊。

3.7.3 墩臺的養護

保溫材料應選擇價格低廉、導熱系數小、易于操作的材料，常用的有木模、木屑、草袋、干砂、棉被、泡沫、棉氈等?；炷翝仓蟮酿B護工作至關重要，按耐久性混凝土的養護要求，分為拆模前和拆模后兩階段。

3.7.3.1 墩臺混凝土帶模養護

混凝土澆筑完畢后，暖季必須在模板外包裹遮陽布，防止強紫外線照射模板，造成水分蒸發，水化停止，混凝土強度發展停止，表面龜裂;寒季應立即用保溫材料包裹，頂面可用一層塑料布覆蓋、以防水分散失，然后蓋上保溫材料，進行保溫、保濕養護。

嚴格控制混凝土的養護溫度:不得低于混凝土外加劑的最低適用溫度;當環境溫度低于－5℃時，可搭建暖棚，采取火爐和碘鎢燈增溫的方式，直至混凝土達到臨界抗凍強度，不得對混凝土灑水，且養護溫度不得大于混凝土內部溫度;當混凝土具有一定強度(一般應超過12h)后，可從頂面充分灑水保濕;在正溫條件下，墩臺應帶模養護5～7 天，強度達到10MPa 以上，可滿足拆模強度要求。

3.7.3.2 墩臺混凝土拆模后養護

負溫情況下，混凝土拆模后，表面應先鋪一層塑料薄膜，然后覆蓋干燥狀態的保溫材料;采用外部熱源(如火爐、電熱毯等)。

正、負溫度交替期，應采用保溫保濕養生，即在新澆混凝土表層噴涂一層混凝土保濕養護液(養護液為抗低溫、抗紫外線、無機類，以封閉內部水分不被蒸發，保證混凝土后期水化的持續進行，如M1500 型無機水性混凝土表面養護劑)后，再包一層塑料薄膜，外覆蓋保溫材料，最外層用彩條布包裹封閉(必須保證密封)保溫;負溫時，采用外部熱源(如火爐、電熱毯等)。

暖季，由于青藏高原強烈的紫外線照射和高蒸發量，對混凝土后期強度增長和耐久性不利，為防止混凝土過早干燥，采用補水養生，即首先在墩臺表面包裹一層蓄水物質(如麻袋片、棉被等)，外用彩條布包裹封閉(必須保證密封)，彩條布頂部留張合孔洞，對蓄水物質定時注水保證持續濕潤狀態，確?；炷猎缙谒|量。

基礎脫模后，承臺側面涂1cm 厚的瀝青油渣防凍脹涂層，待涂層干硬后立即進行基坑回填。

拆模后養護注意事項:?墩臺在大氣中的暴露時間不大于1h，特別是晚上;?養護過程中，應保持混凝土表面濕潤，但不得直接澆冷水，可在白天溫度較高時從墩頂澆溫度45～55℃的熱水，水溫與混凝土表面溫度差值不得超過15℃;?當混凝土內外溫差小于10℃，并穩定后方可結束包裹養護(一般不少于1個月)。

3.8 混凝土拆模

確定合理的拆模時間，要考慮混凝土強度、施工進度、混凝土內外溫差等因素。拆模時應注意:?混凝土強度須達到設計規定值，切不得小于混凝土溫度峰值出現的時間;?混凝土內外溫差以及混凝土表面與環境溫差都不宜大于15℃;?氣溫急劇變化時不宜拆模;?應選擇在一天中溫度較高的時段拆模;?采用暖棚法養護時，要等到混凝土溫度降到5℃以下再拆模;?拆模宜按立模順序逆向進行，不得損傷混凝土、模板;?寒季拆模時邊拆邊包裹混凝土;暖季拆模邊拆邊澆水。

3.9 暖棚拆除時機

青藏高原，大風較多，寒季施工中必須從下到上搭設暖棚，為施工和混凝土養護創造好的外部環境。如果施工完一段拆除一段，易形成煙囪效應，且不利于混凝土的養護，導致混凝土表面龜裂。所以，根據現場實際，決定不拆除暖棚直到混凝土墩帽施工養護完畢。

3.10 設計分布筋及控制保護層厚度

對墩臺混凝土結構，應在適當位置設置溫度應力筋，間距以10cm×10cm 為宜。施工時嚴格保證鋼筋位置，采取固定鋼筋骨架的措施，防止保護層過厚，使鋼筋充分發揮其抗裂作用;防止保護層偏小，混凝土被炭化，從而引起鋼筋被銹蝕，誘發沿鋼筋方向的裂縫。

1 朱伯芳.水工混凝土結構溫度應力與溫度控制［M］.北京:水利電力出版社，1976.

2 葉琳昌，沈義.大體積混凝土施工［M］.北京:中國建筑工業出版社，1987.

3 王鐵夢.建筑物的裂縫控制［M］.上?？茖W技術出版社，1987.

4 李樹彬.青藏高原多年凍土區橋梁混凝土抗裂施工技術［J］.鐵道建筑，2007(9).

5 金衛華.混凝土橋墩裂縫分析和控制［J］.西部探礦工程，2003(10).

6 陳鵬，郁慕賢.青藏鐵路多年凍土區橋梁混凝土施工溫度控制［J］.鐵道工程學報，2003(1).

7 姚軍軍.大體積墩身混凝土施工裂縫控制［J］.鐵道建筑，2005(3).

8 張靜濤.青藏鐵路耐久性混凝土的施工技術［J］.鐵道建筑，2007(10).

9 李樹彬.青藏高原多年凍土區橋梁混凝土抗裂施工技術［J］.鐵道建筑，2007(9).

10 陳肇元，等.鋼筋混凝土裂縫機理與控制措施［J］.工程力學，2006(S1).

11 曹玉新.青藏鐵路三岔河特大橋空心薄壁高墩寒季混凝土施工技術［J］.中國安全科學學報，2006(1).