客運(yùn)專線高性能混凝土裂縫控制

□文/劉寶新 劉積海 王 軍

□劉積海、王 軍/中國建筑第六工程局有限公司。

客運(yùn)專線高性能混凝土裂縫控制

□文/劉寶新 劉積海 王 軍

文章通過工程實(shí)例，總結(jié)分析了使用高性能混凝土的客運(yùn)專線橋梁墩臺(tái)裂縫成因并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

客運(yùn)專線；高性能混凝土；橋墩；承臺(tái)；裂縫

隨著我國鐵路客運(yùn)專線的快速發(fā)展，在客觀上催生了一批新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法。其中，高性能混凝土作為客運(yùn)專線建設(shè)不可或缺的基本元素，越來越多地被廣泛應(yīng)用到鐵路建設(shè)中。

哈大鐵路客運(yùn)專線是我國乃至世界范圍內(nèi)嚴(yán)寒地區(qū)修建的第一條設(shè)計(jì)速度為350km/h的高速鐵路，全線主體結(jié)構(gòu)工程全部采用高性能混凝土，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100a。目前客運(yùn)專線高性能混凝土于嚴(yán)寒地帶施工的工程實(shí)例較少，對(duì)混凝土耐久性的要求十分嚴(yán)格，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量提出了更高的要求?？瓦\(yùn)專線混凝土工程涉及樁基、承臺(tái)、墩身、梁體等主要結(jié)構(gòu)，其工程質(zhì)量直接影響全線的使用壽命。

1 高性能混凝土裂縫控制

根據(jù)高性能混凝土的特點(diǎn)和產(chǎn)生裂縫的原因，分別從墩身、承臺(tái)的受力與裂縫的成因等方面進(jìn)行分析。從力學(xué)角度看，混凝土特別是大體積混凝土開裂，主要是混凝土所承受的拉應(yīng)力超過了混凝土本身抗拉強(qiáng)度的結(jié)果；從裂縫成因上看，最主要是溫差過大引起的，包括混凝土表面與內(nèi)部溫差和混凝土與外界自然環(huán)境的溫差。因此，為有效控制混凝土裂縫必須綜合考慮提高混凝土本身抗拉強(qiáng)度性能和降低抗拉應(yīng)力，特別是溫度應(yīng)力。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，要減少和防止高性能混凝土開裂，充分發(fā)揮其應(yīng)有的高性能，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)高性能混凝土的原材料、配合比、施工工藝進(jìn)行有效控制。

1.1 合理選用原材料

1）水泥。首先，選擇水泥時(shí)不能以強(qiáng)度作為唯一的指標(biāo)，耐久性同樣非常重要。因?yàn)樘岣咚嗟膹?qiáng)度，實(shí)際上是增加水泥中的硅酸三鈣和鋁配三鈣含量并提高水泥的比表面積，這樣將導(dǎo)致水泥水化速率過快、水化熱大、混凝土收縮大、抗裂性下降、混凝土的微結(jié)構(gòu)不良、耐久性降低。要改善混凝土的抗裂性，就要控制水泥中的硅酸三鈣和鋁配三鈣含量且水泥顆粒不能太細(xì)，混凝土早期強(qiáng)度越高，也越易開裂，所以要慎用早強(qiáng)水泥。其次，控制水泥中的堿含量，堿的影響首先表現(xiàn)在增加混凝土的開裂傾向，不管是否有活性骨料存在，開裂首先是由于水泥的高含堿量引起的收縮。

因此，客運(yùn)專線高性能混凝土水泥的合理選用，可以有效控制高性能混凝土裂縫的產(chǎn)生。一方面應(yīng)盡量選用低水化熱或中水化熱和堿含量較低的水泥配制混凝土，選擇適宜的礦物組成，調(diào)整水泥的細(xì)度模數(shù)，降低水化熱；另一方面在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量降低水灰比，采用適量摻加粉煤灰、外加劑的方法，充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，以減少水泥用量，達(dá)到降低水化熱的目的。

2）骨料。關(guān)鍵是骨料粒徑和級(jí)配的選擇，應(yīng)注意選用粒徑較大、級(jí)配較好的骨料，減小骨料的空隙率和比表面積，從而減少單位混凝土中膠凝材料的需用量，降低水泥用量，使水化熱相應(yīng)降低，有效防止裂縫出現(xiàn)。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)東北地區(qū)砂石料石粉和泥塊含量較大的實(shí)際情況，對(duì)砂石料進(jìn)行處理，用帶水源的機(jī)械振動(dòng)篩對(duì)碎石進(jìn)行邊沖洗邊篩分，砂子用帶循環(huán)水的絞籠沖洗，使原材料表面清潔。要嚴(yán)格控制砂石的含泥量，防止鋼筋銹蝕和“堿-集料反應(yīng)”等問題，提高混凝土的握裹力和整體膠結(jié)性能，從而在一定程度上起到防止混凝土開裂的作用。

3）高性能減水劑及礦物摻和料?？瓦\(yùn)專線高性能混凝土采用聚羧酸高性能減水劑，可以降低高性能混凝土的水膠比和膠凝材料的用量并且混凝土配合比中摻入粉煤灰和礦粉各占膠凝材料總量20%，因此混凝土強(qiáng)度發(fā)展較慢，水化熱的產(chǎn)生不像普通混凝土集料中，礦渣的摻量到一定數(shù)量后，由于減少相應(yīng)的水泥量，礦渣水化的速度因缺少足夠的水泥中激發(fā)物而降低，相應(yīng)的水化熱和自收縮減少。

根據(jù)高性能混凝土對(duì)各種原材料的要求和原材料檢測(cè)結(jié)果，確定高性能大體積混凝土的原材料，見表1。

表1 客運(yùn)專線高性能混凝土原材料

1.2 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)

混凝土的技術(shù)性能在很大程度上是由原材料性質(zhì)及相對(duì)含量決定的，混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)是生產(chǎn)合格混凝土，從根本上預(yù)防混凝土開裂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在混凝土原材料一定的情況下，單位水泥用量、水灰比、骨料級(jí)配、外加劑等因素對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生有著重要影響。因此，要認(rèn)真做好混凝土配合比的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

水泥用量的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“最少量”的原則，在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，通過選擇水泥等級(jí)、調(diào)整骨料級(jí)配以及適量摻加外加劑等措施，最大限度地減少水泥用量，降低水化熱。一般情況下，水泥等級(jí)以混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的1.5～2倍為宜。

骨料的級(jí)配設(shè)計(jì)上，宜采用粒徑5～10mm、10～20mm的石子加優(yōu)質(zhì)中砂多級(jí)配制，砂率宜為38%～45%，可有效減少骨料間孔隙，降低空隙率，減少膠凝材料填充縫隙用量。

合理使用外加劑，一般外加劑摻量≯水泥量的5%能有效改善混凝土性能，起到預(yù)防混凝土開裂的作用，在實(shí)際施工中可根據(jù)情況選擇使用。在不改變各種原材料配比的情況下，添加減水劑，可大幅提高混凝土的流變性及可塑性，提高其工作性能。添加緩凝劑可以延緩混凝土放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間，從而減小裂縫出現(xiàn)的機(jī)率并且能夠改善和易性，減少運(yùn)輸過程中的坍落度損失。應(yīng)用引氣劑對(duì)改善混凝土的和易性、可泵性，提高混凝土耐久性能十分有利，也能在一定程度上增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。此外，在拌制混凝土?xí)r，還可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土在硬化過程中的收縮得以補(bǔ)償，減少混凝土的溫度應(yīng)力，起到預(yù)防混凝土開裂的作用。

根據(jù)以上混凝土配合比選定的原則和確定的原材料，經(jīng)試驗(yàn)室多次試拌并對(duì)混凝土試塊進(jìn)行了56d強(qiáng)度和耐久性檢測(cè)后確定的配合比見表2。

表2 客運(yùn)專線高性能混凝土配合比 kg

1.3 施工工藝的控制

客運(yùn)專線高性能混凝土澆筑振搗和養(yǎng)護(hù)不到位，同樣也會(huì)對(duì)橋梁承臺(tái)、墩身造成裂紋的產(chǎn)生。混凝土運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)盡快澆筑完畢，澆筑下料高度超過2m時(shí)應(yīng)采用串筒，澆筑時(shí)要均勻下料，控制速度，防止空氣進(jìn)入。應(yīng)分層澆筑、分層振搗，宜采用二次振搗的方式，消除下灰快、塌落度小等原因在邊角、鋼筋密集區(qū)等處形成的空隙，使混凝土成型更加密實(shí)，提高混凝土的抗拉性能；混凝土澆筑后，必須在初凝前進(jìn)行二次抹面，防止混凝土由于泌水或摻加粉煤灰可能形成的表面浮漿因溫度過高、失水過快等原因造成收縮裂縫的現(xiàn)象。若混凝土平面尺寸過大，在設(shè)計(jì)許可時(shí)，可以適當(dāng)設(shè)置后澆縫，以減少外應(yīng)力和溫度應(yīng)力，同時(shí)也有利于散熱，降低混凝土的內(nèi)部溫度，防止混凝土裂縫出現(xiàn)。

混凝土澆筑后保溫及其養(yǎng)護(hù)措施如果沒有保證，其表面的水分散失太快和內(nèi)外溫差太大，在混凝土的強(qiáng)度不足以抵抗因干燥和溫差收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，混凝土表面將出現(xiàn)裂紋。在實(shí)際施工中，承臺(tái)、墩身混凝土拆模后的2～6h，包裹新型可控高分子節(jié)水保溫養(yǎng)護(hù)膜，養(yǎng)護(hù)膜具有熱容大、保溫效果好和節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，養(yǎng)護(hù)期間混凝土表面總能保持濕潤，養(yǎng)護(hù)時(shí)膜內(nèi)溫度比環(huán)境溫度高出4～20℃，有利于混凝土提高早期強(qiáng)度并能有效平緩晝夜溫差，減少和抵制微細(xì)裂紋的產(chǎn)生；一個(gè)養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)只需澆水一次，用水量與土工布、麻袋、草簾等傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)材料相比，節(jié)水率達(dá)95%以上。養(yǎng)護(hù)后的混凝土表面平整、無浮砂，著色顏色呈青灰色，耐磨性好。

盡量不在大風(fēng)和氣溫突變的天氣拆模，不在混凝土內(nèi)部開始降溫以前與混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)拆模。

2 高性能混凝土溫度內(nèi)部實(shí)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)溫度傳感器定時(shí)測(cè)溫，掌握混凝土內(nèi)部溫度變化情況。通過測(cè)溫將混凝土深度方向的溫度梯度控制在規(guī)范允許范圍以內(nèi)；由于對(duì)混凝土內(nèi)部溫度各關(guān)鍵部位溫差等精確掌握，改善施工操作工藝，有效控制溫度裂縫的出現(xiàn)。

2.1 測(cè)溫設(shè)備選用及配置

大體積高性能混凝土現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫儀器使用現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫記錄儀。自動(dòng)測(cè)溫時(shí)間間隔60min，精度為0.1℃；采用7個(gè)測(cè)溫傳感器分別記錄大體積高性能混凝土不同部位的混凝土溫度與環(huán)境溫度。

2.2 測(cè)點(diǎn)位布置

1）根據(jù)大體積混凝土的平面形狀、厚度尺寸布點(diǎn)，在中心、邊角等代表性部位布點(diǎn)。在保證能全面反映混凝土內(nèi)部各點(diǎn)溫度的情況下，做到盡量減少布點(diǎn)數(shù)。哈大鐵路客運(yùn)專線所測(cè)承臺(tái)布點(diǎn)7處，見圖1。

2）測(cè)點(diǎn)位布置在混凝土澆筑前進(jìn)行。當(dāng)承臺(tái)鋼筋綁扎完成，進(jìn)行鋼筋驗(yàn)收前，可開始進(jìn)行布點(diǎn)施工。用1根φ14mm鋼筋，其長度為澆筑層厚度+20cm，將溫度傳感器用膠布固定于鋼筋上的各不同位置處，然后小心將每根鋼筋與底板鋼筋網(wǎng)綁扎牢，布點(diǎn)結(jié)束后，檢查各傳感器外觀是否完好，如有損壞，應(yīng)立即更換。

3）測(cè)溫儀器安放。在承臺(tái)混凝土澆筑前將配置好的現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫記錄儀安放到現(xiàn)場(chǎng)，各傳感器的導(dǎo)線插入記錄儀；當(dāng)承臺(tái)混凝土澆筑開始時(shí)將測(cè)溫儀啟動(dòng)，查看各傳感器導(dǎo)線連結(jié)是否正常，查看記錄儀顯示時(shí)間是否正常，要注意做好防雨措施。

4）定期檢查。安排專人定時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)檢查儀器運(yùn)行是否正常，在測(cè)溫記錄儀內(nèi)存滿時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)用轉(zhuǎn)存器或筆記本電腦轉(zhuǎn)存到現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫記錄儀軟件中。

5）數(shù)據(jù)輸出。每天打印溫度記錄表，及時(shí)撐握承臺(tái)各部位內(nèi)部溫度，了解承臺(tái)芯部溫度與表面溫度的上升與下降全過程，測(cè)溫結(jié)束后打印測(cè)溫記錄全過程的溫度變化曲線。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)承臺(tái)測(cè)溫結(jié)果看，混凝土芯部及表層溫度在混凝土澆筑完成96h時(shí)混凝土溫度達(dá)到峰值，芯部最高溫度達(dá)到47.9℃，對(duì)應(yīng)的表層溫度達(dá)27.9℃，對(duì)應(yīng)芯表溫差為20℃、表層與環(huán)境溫差為2.9℃。

從測(cè)溫曲線分析，應(yīng)特別加強(qiáng)混凝土在40h段與150h的保溫措施。96h后芯部溫度開始緩慢下降，降溫速度保持在1.5℃/h以內(nèi)。測(cè)溫曲線上升與下降過程平穩(wěn)，總體呈現(xiàn)規(guī)則性變化，見圖2。

由圖2可知，通過合理優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工工藝的監(jiān)控，大體積混凝土施工在不埋設(shè)降溫管的情況下，芯部溫度未超過65℃，芯部最高溫度與表層溫度差在20℃以內(nèi)，滿足施工規(guī)范要求。在40、150h時(shí)應(yīng)特別加強(qiáng)混凝土的保溫措施，承臺(tái)芯部混凝土與表層混凝土之間的溫差、表層混凝土與環(huán)境之間的溫差＞20℃時(shí)不宜拆模?，F(xiàn)有的溫度控制措施能滿足驗(yàn)標(biāo)中對(duì)溫度控制的要求。

通過采取以上措施，本次大體積混凝土養(yǎng)護(hù)溫度監(jiān)控的代表性結(jié)構(gòu)試驗(yàn)點(diǎn)，混凝土表面沒有發(fā)生任何開裂現(xiàn)象。

3 結(jié)語

通過以上分析和實(shí)踐證明，選用滿足要求的原材料，合理優(yōu)化配合比和進(jìn)行良好的施工養(yǎng)護(hù)，能夠有效地控制客運(yùn)專線高性能混凝土裂紋的產(chǎn)生。

[1]郭小平，吳 浪.混凝土常見裂縫成因及防治措施[J].廣東建材，2008，（12）：44-46.

[2]楊益兵.混凝土溫度裂縫和干縮裂縫的成因及控制[J].江蘇建材，2008，（4）：45-47.

TU755

C

1008-3197（2011）06-34-03

2011-07-13

劉寶新/男，1973年出生，高級(jí)工程師，中國建筑第六工程局有限公司，從事鐵路客運(yùn)專線建設(shè)科研管理工作。

□劉積海、王 軍/中國建筑第六工程局有限公司。