橋梁泵送混凝土施工裂縫的成因和防治措施

向 斌

1 泵送混凝土的特點(diǎn)

泵送混凝土最大特點(diǎn)就是要有可泵性，即要有良好的和易性。因此在原材料選用、配合比設(shè)計(jì)、外加劑選用和施工工藝上與普通混凝土不同。

1)水泥用量較多。水泥品種要求選擇保水性好、泌水性小的水泥，一般選旋窯生產(chǎn)的硅酸鹽水泥及普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)在42.5MPa以上，水泥用量比普通混凝土明顯高。強(qiáng)度等級(jí)C30～C60范圍水泥用量為 300 kg/m3～500 kg/m3。2)添加摻合料。為改善混凝土性能，節(jié)約水泥和降低造價(jià)，混凝土中普遍摻加粉煤灰、礦渣、沸石粉等摻合料。3)砂率偏高、砂用量多。為保證混凝土的流動(dòng)性、粘聚性和保水性，以便于運(yùn)輸、泵送和澆筑，泵送混凝土的砂率要比普通流動(dòng)性混凝土增大砂率 6%以上，約為 40%～45%。4)骨料要求高。粗骨料的最大粒徑與輸送管內(nèi)徑之比宜為1∶3(碎石)或 1∶2.5(卵石)。細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0，粒徑在 0.315mm以下的細(xì)骨料所占的比例不應(yīng)小于15%，最好達(dá)到20%，這對(duì)改善可泵性非常重要。5)坍落度大，水灰比宜為 0.34～0.60。泵送混凝土坍落度一般為 8 cm～18 cm，坍落度小于8 cm時(shí)，混凝土的泵送阻力急劇增大;坍落度大于18 cm，且水灰比大于0.6時(shí)，混凝土則易泌水、分層、離析，也影響泵送。坍落度選12 cm～16 cm為宜。6)泵送劑多為高效減水劑復(fù)合以緩凝劑、引氣劑等，對(duì)混凝土拌合物流動(dòng)性和硬化混凝土的性能有影響，因而對(duì)裂縫也有影響。

2 常見的橋梁施工裂縫

2.1 混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定其產(chǎn)生裂縫

混凝土是粗集料、細(xì)集料、水泥、水和氣體所組成的非均質(zhì)堆聚結(jié)構(gòu)?；炷粱旌狭显诓煌瑴貪穸葪l件下凝結(jié)硬化，并同時(shí)產(chǎn)生體積變形。水泥的干燥和冷卻收縮大，集料的干燥和冷卻收縮小，同時(shí)水泥石和集料之間相互粘結(jié)而約束，由于變形產(chǎn)生微裂縫。在原材料方面易引起混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的首先是水泥，其次是泵送劑。配合比也是影響混凝土收縮裂縫的重要因素。膠結(jié)材料總量增加，混凝土的化學(xué)收縮增加，混凝土易產(chǎn)生收縮裂縫;砂率增加雖能利于泵送施工，但超過一定值時(shí)混凝土的抗裂性降低，混凝土的干縮加大，也易產(chǎn)生收縮裂縫;稠度較大，振搗后粗骨料下沉，表面浮漿增加，抗裂性下降，干縮加大，也會(huì)導(dǎo)致混凝土的開裂。

2.2 混凝土裂縫的種類

2.2.1 按裂縫產(chǎn)生原因分類

1)由外荷載(靜、動(dòng)荷載)直接應(yīng)力引起的裂縫和次應(yīng)力引起的裂縫。2)由變形變化引起的裂縫:包括結(jié)構(gòu)因溫度濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因引起的裂縫。

2.2.2 按裂縫所處狀態(tài)分類

裂縫可分為運(yùn)動(dòng)、不穩(wěn)定、穩(wěn)定、閉合和愈合等狀態(tài)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)裂縫的結(jié)構(gòu)物應(yīng)考慮加固和補(bǔ)救措施。而對(duì)于穩(wěn)定、閉合、愈合的裂縫的結(jié)構(gòu)物則可持久的應(yīng)用。

2.2.3 按裂縫形狀分類

裂縫按形狀可分為表面的、深入的、貫穿的、縱向的、橫向的等等。橋梁施工中比較常見的是收縮變形引起的不規(guī)則龜裂現(xiàn)象。

3 施工裂縫產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施

3.1 溫度裂縫

3.1.1 產(chǎn)生的原因和特征

水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，1 g水泥放出 502 J的熱量，如果以水泥用量350 kg/m3～550 kg/m3來計(jì)算，1m3混凝土將放出 17 500 k J～27 500 kJ熱量，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高，在澆筑溫度的基礎(chǔ)上，通常升高 35℃左右。如果按照我國施工驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定澆筑溫度為 28℃則可使混凝土內(nèi)部溫度達(dá) 65℃左右。但是，如果沒有降溫措施或澆筑溫度過高，混凝土內(nèi)部溫度可高達(dá) 80℃～90℃。水泥水化熱在 1 d～3 d可放出熱量的50%，由于熱量的傳遞、積存，混凝土內(nèi)部的最高溫度大約發(fā)生在澆筑后的 3 d～5 d，因?yàn)榛炷羶?nèi)部和表面的散熱條件不同，形成溫度梯度，造成溫度變形和溫度應(yīng)力。當(dāng)這種溫度應(yīng)力超過混凝土的內(nèi)外約束應(yīng)力(包括混凝土抗拉強(qiáng)度)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

3.1.2 影響因素和防治措施

混凝土內(nèi)部的溫度與混凝土厚度及水泥品種、用量有關(guān)。

一般在大體積混凝土中采用埋冷卻管的方法或采用分層澆筑混凝土的工藝減少裂縫的產(chǎn)生，高明大橋擴(kuò)建工程水下承臺(tái)采用分層澆筑混凝土的工藝。

3.1.3 混凝土原材料和配合比的選用

1)水泥品種選擇和水泥用量控制。根據(jù)大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，1m3混凝土的水泥用量增減 10 kg，其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升高或降低 1℃。減少水泥水化熱和降低內(nèi)外溫差的辦法是減少水泥用量，將水泥用量盡量控制在 450 kg/m3以下。2)摻加摻合料。混凝土中摻入一定數(shù)量優(yōu)質(zhì)的粉煤灰后，不但能代替部分水泥，而且由于粉煤灰顆粒呈球狀具有滾珠效應(yīng)，起到潤滑作用，可改善混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性、保水性、可泵性。應(yīng)當(dāng)值得注意的是，摻加粉煤灰混凝土的早期抗拉強(qiáng)度和極限變形略有降低。因此，對(duì)早期抗裂要求較高的混凝土，粉煤灰摻量不宜太多，宜在 10%～15%以內(nèi)。3)摻加外加劑。摻加具有減水、增塑、緩凝、引氣的泵送劑，可以改善混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性和保水性。由于其減水作用和分散作用，在降低用水量和提高強(qiáng)度的同時(shí)，還可以降低水化熱，推遲放熱峰出現(xiàn)的時(shí)間，因而減少溫度裂縫。因此，應(yīng)選用 25%以上的減水率，同時(shí)具有緩凝、保塑和早強(qiáng)作用的外加劑。4)選用質(zhì)量優(yōu)良的粗、細(xì)集料。a.粗集料根據(jù)結(jié)構(gòu)最小斷面尺寸和泵送管道內(nèi)徑，選擇合理的最大粒徑。b.細(xì)集料。以采用級(jí)配良好的細(xì)度模數(shù)為 2.6～3.0中砂為宜。實(shí)踐證明，采用細(xì)度模數(shù)2.8的中砂比采用細(xì)度模數(shù)2.3的中砂，可減少用水量20 kg/m3～25 kg/m3，可降低水泥用量28 kg/m3～35 kg/m3，因而降低了水泥水化熱、混凝土溫升和收縮。

3.1.4 泵送混凝土施工工藝改進(jìn)

1)控制混凝土出機(jī)溫度和澆筑溫度。為了降低混凝土的總溫升，減少大體積工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，控制混凝土的出機(jī)溫度和澆筑溫度也是一個(gè)重要措施。

2)改進(jìn)工藝。a.在大體積混凝土施工中，如承臺(tái)施工，采用水平分層澆筑。b.在大體積混凝土中(非受拉區(qū))可摻入小于20%的塊石。c.在大體積混凝土內(nèi)埋設(shè)冷卻管通水降溫。d.在初凝前進(jìn)行二次振搗，可排除混凝土因泌水，在石子、水平鋼筋下部形成的空隙和水分，提高粘結(jié)力和抗拉強(qiáng)度，并減少內(nèi)部裂縫與氣孔，提高抗裂性。e.盡量縮短泵送距離，夏天施工時(shí)對(duì)泵管可用麻袋包裹淋水降溫，以減少混凝土坍落度損失。f.為了控制混凝土的內(nèi)外溫差，確保混凝土質(zhì)量，減少裂縫，養(yǎng)護(hù)是一個(gè)十分重要和關(guān)鍵的工序。

3.2 沉陷(塑性)收縮裂縫

3.2.1 產(chǎn)生的原因和特征

在泵送混凝土現(xiàn)澆的各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是箱梁、橋面鋪裝等表面系數(shù)大的結(jié)構(gòu)之中，經(jīng)常出現(xiàn)一種早期裂縫。這種裂縫為斷續(xù)的水平裂縫，裂縫中部較寬、兩端較窄、呈梭狀。裂縫經(jīng)常發(fā)生在板結(jié)構(gòu)的鋼筋部位、板肋交接處、梁板交接處、梁柱交接處、結(jié)構(gòu)變截面的地方。

這種裂縫產(chǎn)生的原因主要是流動(dòng)性過大和流動(dòng)性不足以及不均勻，在凝結(jié)硬化前沒有沉實(shí)或者沉實(shí)不夠，當(dāng)混凝土沉陷時(shí)受到鋼筋、模板抑制以及模板移動(dòng)、基礎(chǔ)沉陷所致。裂縫在混凝土澆筑后 1 h～3 h出現(xiàn)，裂縫的深度通常達(dá)到鋼筋上表面。

3.2.2 影響因素和防治措施

1)要嚴(yán)格控制混凝土單位用水量在 170 kg/m3以下，水灰比在0.60以下，在滿足泵送和澆筑要求時(shí)，宜盡可能減小坍落度; 2)摻加適量、質(zhì)量良好的泵送劑和摻合料，可改善工作性和減少沉陷;3)混凝土攪拌時(shí)間要適當(dāng)，時(shí)間過短、過長都會(huì)造成拌合物均勻性變壞而增大沉陷;4)混凝土澆筑時(shí)，下料不宜太快，防止堆積或振搗不充分;5)混凝土應(yīng)振搗密實(shí)，時(shí)間以10 s/次～15 s/次為宜，在柱、梁、肋和板的變截面處宜分層澆筑、振搗。在混凝土澆筑1 h～1.5h后，混凝土尚未初凝之前，對(duì)混凝土進(jìn)行二次振搗，表面要壓實(shí)抹面;6)在炎熱的夏季和大風(fēng)天氣，為防止水分激烈蒸發(fā)，形成內(nèi)外硬化不均和異常收縮引起裂縫，應(yīng)采取措施緩凝和覆蓋;7)泵送混凝土?xí)r應(yīng)移動(dòng)泵管均勻入模，避免采用振搗器趕漿造成混凝土骨料不均勻;8)在箱梁懸澆施工時(shí)，縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線未張拉前不得松動(dòng)掛籃，并及時(shí)張拉豎向預(yù)應(yīng)力筋;9)設(shè)計(jì)允許時(shí)，可在受拉區(qū)減小鋼筋間距或增加構(gòu)造鋼筋。

4 結(jié)語

在橋梁結(jié)構(gòu)中，泵送混凝土施工裂縫比較常見，產(chǎn)生的原因也比較復(fù)雜。養(yǎng)護(hù)和澆筑很重要。保濕是前提，控制降溫速度是關(guān)鍵，監(jiān)測是根據(jù)。只要措施得當(dāng)，泵送混凝土的施工裂縫是可以預(yù)防和得到有效控制的。

[1] 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[2] 李蓮蓮，郝 毅.鋼筋混凝土橋梁裂縫理論及控制對(duì)策[J].山西建筑，2009，35(10):337-338.