關(guān)進喜 沈前進

摘要 為了對鐵路混凝土梁橋在施工期的防裂技術(shù)進行研究，文章以滬通鐵路懸澆混凝土連續(xù)梁橋為依托，分別從混凝土材料及配合比、懸臂施工工藝、施工期水化溫度控制及預(yù)應(yīng)力控制開裂等角度對防裂措施進行了分析。研究表明，混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)從力學(xué)性能和工作性能綜合考慮，盡量降低水化熱和混凝土收縮量，懸臂施工過程應(yīng)采用合理的澆筑順序，細化振搗順序并加強養(yǎng)生。在施工過程中，應(yīng)降低入模溫度和加強表面防護，以避免出現(xiàn)溫度開裂；應(yīng)及時進行混凝土張拉，有效控制混凝土箱梁橋的開裂。

關(guān)鍵詞 鐵路混凝土連續(xù)梁；防裂技術(shù)；水化溫度；施工工藝

中圖分類號 U445.57文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0101-04

0 引言

混凝土梁橋具有良好的承載能力，在公路及鐵路領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用，隨著工程實踐的不斷開展，混凝土梁橋的開裂逐漸引起工程師們的關(guān)注，如何防止混凝土橋梁開裂是現(xiàn)代橋梁建造的關(guān)鍵問題之一^[1-2]。

在各種原因作用下，當混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于材料自身抗拉強度時，結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生開裂。尤其是混凝土強度較高時，由于水泥用量較大，其早期的強度發(fā)展快，前期的變形較明顯。同時早期彈性模量發(fā)展較快，導(dǎo)致混凝土的水化變形等應(yīng)變不能充分釋放，而出現(xiàn)明顯的約束應(yīng)力，這種約束應(yīng)力易引起混凝土開裂，因此開裂時間反而提前且開裂程度更嚴重，這就是典型的早齡期開裂現(xiàn)象^[3]。

導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)開裂的因素眾多，常見的影響因素主要包括：荷載作用引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、混凝土收縮引起的收縮應(yīng)力、混凝土水化熱引起的溫度應(yīng)力、環(huán)境氣溫變化引起的溫度應(yīng)力等。國內(nèi)外學(xué)者在這幾個方面均做了大量研究，目前認為引起混凝土施工期開裂的主要原因包括臨時荷載、混凝土收縮、水化溫度、施工工藝、養(yǎng)護不佳等因素^[4-5]。

為了研究鐵路混凝土梁橋在施工期的防裂技術(shù)，以滬通鐵路懸澆混凝土連續(xù)梁橋為依托，從材料、工藝、水化熱控制、預(yù)應(yīng)力控制等角度對施工期防裂技術(shù)進行了研究與分析。

1 工程概述

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)特點

依托工程為新建上海至南通鐵路太倉至四團段人民塘裝卸線特大橋的231#～234#墩懸澆梁橋，屬于時速80 km的有砟軌道橋梁，大橋跨越洲海路，橋梁結(jié)構(gòu)為48 m+80 m+48 m懸澆施工預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，主梁采用C50混凝土。

主梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)形式，箱梁頂面寬7.1 m，箱梁底面寬4.2 m。箱梁采用變高度形式，支點梁高為6.645 m，跨中梁高為3.845 m，梁高采用二次拋物線漸變計算。箱梁頂板厚為0.38 m，底板厚度為0.47～0.8 m，腹板厚度為0.45～0.9 m?？缰兄髁簶藴蕯嗝嫒鐖D1所示。

1.2 施工工藝流程

大橋采用對稱掛籃懸臂澆筑法進行施工，全橋共分為10組懸臂施工塊段，1組合龍節(jié)段，2個墩頂塊段。

施工時先進行下部結(jié)構(gòu)施工，在橋墩施工完成后搭設(shè)支架完成墩頂0#塊施工，后進行掛籃安裝，利用懸臂掛籃對稱進行懸臂施工。懸臂施工過程中待懸臂澆筑的混凝土節(jié)段強度達到強度設(shè)計值95%，彈性模量達到設(shè)計值的100%后進行該節(jié)段范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力的安裝與張拉并進行灌漿，再進行掛籃前移，依次完成主梁懸臂節(jié)段施工。邊跨及中跨的跨中合龍施工采用合龍吊架進行合龍。

2 基于材料性能與工藝的防裂技術(shù)研究

2.1 基于配合比優(yōu)化的防裂技術(shù)

通過對混凝土原材料的改善和配合比的優(yōu)化，可以調(diào)整混凝土的力學(xué)性能和工作性能，配合比優(yōu)化的主要目的是在滿足工作性能的同時擁有更強的抗裂能力。具體的目標包括降低混凝土的絕熱溫升系數(shù)、增加抗拉強度、減小收縮系數(shù)等。

在設(shè)計懸臂施工主梁的配合比時，首先要考慮的問題是盡可能減少水泥的總發(fā)熱量，從而降低混凝土的內(nèi)部最高溫度。工程實踐與研究表明，混凝土構(gòu)件施工期出現(xiàn)開裂的因素中，混凝土的水化溫度占有主要成分。因為混凝土導(dǎo)熱能力比較差，在混凝土強度發(fā)展過程會釋放大量的熱量，這種熱量不能及時散發(fā)，產(chǎn)生內(nèi)部溫度升高，但表面溫度會受環(huán)境溫度影響，從而產(chǎn)生溫度梯度導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度應(yīng)力。因此，在材料選用時應(yīng)選擇水化熱量較小的水泥，如火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥等。在混凝土滿足設(shè)計強度和耐久性的情況下，盡可能把水泥用量降低，水泥用量應(yīng)控制在260～300 kg/m³之間^[6]。

為提高混凝土箱梁0#塊等厚板區(qū)域的抗力性能，在配合比設(shè)計時應(yīng)該注意以下幾方面：

（1）對墩頂段等體積較大的節(jié)段，在配合比設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先選用低水化熱的膠凝材料，并在滿足強度要求的前提下，盡量降低水泥用量?？筛鶕?jù)強度要求選擇合理的膠凝劑參料。

（2）外加劑的選用應(yīng)該優(yōu)選聚羧酸類緩凝減水劑，同時兼顧引氣、減水、緩凝等性能要求。緩凝劑延緩了水化最高溫度的到來，有利于水化溫度的釋放，可降低早期應(yīng)力。

（3）混凝土塌落度控制，在滿足施工流動性要求的前提下，應(yīng)盡量減小混凝土的塌落度，塌落度越小混凝土的收縮變形越小，可顯著控制干縮裂縫的出現(xiàn)。

（4）選用級配良好、低熱膨脹系數(shù)、低吸水率、體積穩(wěn)定性好的優(yōu)質(zhì)骨料，可減小混凝土的收縮變形，對干縮裂縫的控制有利。

2.2 基于施工工藝的防裂技術(shù)

混凝土梁在懸臂施工過程中，隨著混凝土的澆筑掛籃結(jié)構(gòu)在混凝土濕重的作用下會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形。在結(jié)構(gòu)變形過程中，如果現(xiàn)澆混凝土在初凝后掛籃仍出現(xiàn)變形，易導(dǎo)致新老混凝土交界面位置出現(xiàn)施工裂縫。因此在懸臂澆筑的過程中應(yīng)采用合理的澆筑順序進行施工，對混凝土抗裂性起到有效的防控效果。

合理的澆筑順序應(yīng)該從掛籃前端向根部澆筑，斷面的澆筑順序應(yīng)左右對稱，如圖2所示。先進行底板澆筑，澆筑至倒角位置，后進行腹板與頂板澆筑，在澆筑過程中均應(yīng)對稱操作。其中底板和腹板底部位置澆筑時應(yīng)采用下料串桶進行施工，避免混凝土離析。澆筑完成后及時進行底板上緣混凝土收面，在混凝土初凝前進行二次收面，有利于避免表面龜裂。

頂板混凝土較薄，面積較大，澆筑順序應(yīng)先中間后兩邊。澆筑完后應(yīng)及時收面，在初凝前進行二次收面。在混凝土初凝后應(yīng)將頂面養(yǎng)生，避免因失水產(chǎn)生龜裂。

此外，在混凝土初凝前可對混凝土進行二次振搗，也可有效防止其內(nèi)部出現(xiàn)氣泡與孔隙，可大幅提升混凝土和鋼筋間的黏合程度，降低其內(nèi)部的裂縫寬度，可有效提升混凝土抗拉強度約10%～20%，進而提升混凝土抵抗裂縫的能力。

3 基于水化溫度的防裂技術(shù)

3.1 水化溫度對開裂影響機理分析

由于混凝土結(jié)構(gòu)的表面與環(huán)境熱交換，導(dǎo)致混凝土表面的溫度和內(nèi)部溫度不同步。內(nèi)部溫度和混凝表面溫度的溫差過大時，由于溫度帶來纖維的變形不一致，會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。這種溫度應(yīng)力與混凝土的溫度場分布相關(guān)，而溫度場的分布特點則由混凝土在施工過程中水化溫度的變化及散熱變化所引起。因此施工期水化溫度的變化可能會出現(xiàn)明顯的溫度應(yīng)力，甚至?xí)霈F(xiàn)溫度裂縫。以依托橋梁工程的0#塊為例，在施工過程中如果不采取任何控制措施，橫隔板內(nèi)最高溫的變化如圖3所示，最高溫度可達到66 ℃，會產(chǎn)生明顯的溫度應(yīng)力。

根據(jù)有限元計算，以1#塊為例，由于水化溫度引起的應(yīng)力分布如圖4所示，由于混凝土水化熱的作用，腹板內(nèi)剖面的主拉應(yīng)力基本在?0.29～1.96 MPa之間，兩側(cè)外表面的主拉應(yīng)力基本在?0.08～1.54 MPa之間，最大的拉應(yīng)力達到1.96 MPa，達到混凝土材料的抗拉強度標準值2.74 MPa的71%，疊加收縮等其他不利因素出現(xiàn)開裂的風險極高。

3.2 降低入模溫度措施

入模溫度是影響水化應(yīng)力的重要因素，基于溫度的抗裂措施首先應(yīng)該從控制入模溫度開始。入模溫度取決于混凝土拌和材料溫度，一般拌和水是決定拌和溫度的主要材料，為了合理控制入模溫度，需要對拌和水的溫度進行控制。在夏季施工時，為了充分降低混凝土的入模溫度，可采用冷卻拌和水或在拌和水中加冰的方式降低拌和水溫度。

目前工程實踐中，較為成熟的加冰拌和水的方法有兩種方法：

（1）為預(yù)制碎冰法，及預(yù)先進行制冰形成大塊冰塊，然后將冰塊進行破碎，破碎成2～5 cm的小冰塊后加入混凝土拌和機。實踐與試驗研究表明，2～5 cm粒徑的冰片在拌和的過程中可以全部融化，不會對混凝土密實性帶來影響。

（2）另一種方法為工地直接制冰法，這種工藝是利用現(xiàn)場制冰機直接制成管狀或片狀冰，加入拌和機進行拌和。這種制冰方法的特點是設(shè)備占地面積小，制成的冰片可以直接進入拌和樓施工。

此外夏季施工時，若氣溫較高，應(yīng)選擇夜間拌和與澆筑，通過料倉的封閉管理，充分利用氣溫變化改變骨料溫度，選擇骨料溫度較低的時間段進行混凝土拌和。

3.3 表面防護措施

混凝土的水化溫度會使箱梁內(nèi)部混凝土溫度較高，在拆模后混凝土表面溫度降低，然而混凝土中心溫度仍保持較高，會出現(xiàn)明顯的不均勻溫度場，產(chǎn)生明顯的溫度應(yīng)力。此時混凝土自身的抗拉強度相對較低，對裂縫的抵抗能力較弱，如溫度梯度過大，極易產(chǎn)生開裂。因此，在氣溫條件不佳的情況，需要在混凝土表面進行主動干預(yù)，利用保溫材料對混凝土表面進行保溫，提高表面溫度，減少混凝土的內(nèi)外溫差，從而達到混凝土早期抗裂的作用。尤其在低溫度的冬季或者氣溫容易變化的春秋季節(jié)，表面溫度容易受到氣溫的影響，從而造成溫度裂縫。利用保溫材料使新澆筑的混凝土表面溫度不容易散失在空氣中，減少混凝土的內(nèi)外溫差，是有效控制溫度的一種方法。

為了提升早期抗力性，可以適當延長懸臂混凝土箱梁帶模養(yǎng)生時間，延遲拆模，降低拆模時的內(nèi)外溫差。此外模板及保溫層的拆除采用分層拆除也對溫度性抗裂也有改善。

4 基于預(yù)應(yīng)力控制的防裂技術(shù)

4.1 預(yù)應(yīng)力對裂縫限制的機理

混凝土的抗拉性能較差，極限抗拉強度大約僅為極限抗壓強度的1/10，抗拉極限應(yīng)變只有0.1×10^?3～0.15×10^?3。當構(gòu)件中混凝土受拉開裂時，受拉鋼筋的應(yīng)力約在20～40 MPa，鋼筋的應(yīng)力水平較低，對裂縫限制效果有限。

預(yù)應(yīng)力會使混凝土從原先抗拉弱、抗壓強的脆性材料，變?yōu)橐环N既能抗壓又能抗拉的彈性材料。預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的預(yù)加力通過自平衡的方式對混凝土結(jié)構(gòu)施加壓（拉）的作用，預(yù)應(yīng)力施加在混凝土中，會為混凝土提供壓應(yīng)變，混凝土在承受拉應(yīng)變時會先抵消儲備的壓應(yīng)變，而后才會出現(xiàn)拉應(yīng)變，因此可以讓混凝土材料變成可以承受拉荷載的彈性材料。根據(jù)力的疊加原理，當混凝土結(jié)構(gòu)受熱膨脹發(fā)生變形時，預(yù)應(yīng)力起到約束膨脹的作用；當混凝土結(jié)構(gòu)受冷收縮時，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力可減小或抵消混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，限制混凝土裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。因此在施工過程中合理控制預(yù)應(yīng)力施工，對混凝土的抗裂性有明顯幫助。

4.2 預(yù)應(yīng)力施工控制措施

為了確保預(yù)應(yīng)力鋼筋在張拉階段滿足張拉控制應(yīng)力設(shè)計要求，在實際張拉施工階段常使用張拉力與鋼束伸長量雙重控制的方法對預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉效果進行張拉控制。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉力由千斤頂油壓表可以直接讀取，鋼束實際伸長值也可由直尺進行測量，確保實際伸長量滿足相應(yīng)的設(shè)計要求。當設(shè)計沒有要求時，理論伸長量與實際伸長量之間的誤差不應(yīng)超過6%，否則應(yīng)停止張拉并查找原因。

直線型布束的預(yù)應(yīng)力鋼束由于孔道摩擦阻力較小，采用單端張拉。布置形式有平彎或豎彎的曲線布束的預(yù)應(yīng)力鋼束孔道摩擦阻力，因而大多采用兩端張拉。對于長度超過25 m的直線型預(yù)應(yīng)力筋也需采用兩端張拉的方式。當鋼絞線較長時，可采用2次低荷載調(diào)整的方法進行改善，增加鋼絞線的均勻性，確保預(yù)應(yīng)力的有效施加。

5 結(jié)束語

結(jié)合上海至南通鐵路太倉至四團段人民塘裝卸線特大橋，對鐵路混凝土連續(xù)梁橋施工期混凝土防裂技術(shù)進行了研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）混凝土材料和配合比是影響混凝土橋梁施工期抗裂的因素之一，在混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)從力學(xué)性能和工作性能綜合考慮，盡量降低水化熱和混凝土收縮量。

（2）懸臂施工過程應(yīng)采用合理的澆筑順序，細化振搗順序并加強養(yǎng)生，提高混凝土的抗裂性能。

（3）水化溫度是影響混凝土施工期開裂的關(guān)鍵因素之一，在施工過程中應(yīng)通過降低入模溫度和加強表面防護的方式，避免出現(xiàn)溫度開裂。

（4）預(yù)應(yīng)力是限制混凝土裂縫的主要措施，在混凝土施工過程中應(yīng)及時進行混凝土張拉，施工過程中需要加強對預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)力的控制。

參考文獻

[1]王舉. 高速公路混凝土梁橋裂縫成因及處理技術(shù)[J]. 交通世界， 2019（17）： 131-132.

[2]唐春霞. 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁橋的抗裂性分析[D]. 上海：同濟大學(xué)， 2006.

[3]加巴次稱. 支架現(xiàn)澆混凝土梁橋早期抗裂性分析及其承載能力計算方法研究[D]. 昆明：云南大學(xué)， 2022.

[4]于孟生， 郝天之， 黃凱楠， 等. 懸臂現(xiàn)澆混凝土梁橋腹板沿波紋管裂縫成因分析[J]. 世界橋梁， 2021（5）： 100-106.

[5]孫曉榮. 混凝土梁橋早期裂縫開裂機理及裂縫控制研究[D]. 銀川：寧夏大學(xué)， 2021.

[6]張巍. 預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋施工裂縫的研究及處理[J]. 太原理工大學(xué)學(xué)報， 2000（2）： 170-174.

收稿日期：2023-10-11

作者簡介：關(guān)進喜（1994—），男，本科，助理工程師，研究方向：鐵路工程。