徐高輝　黃　銘

摘要:本文分析了橋梁工程大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因,提出了降低混凝土溫度應力、防止混凝土產(chǎn)生裂縫的施工控制措施,以及在構(gòu)造設計上對大體積混凝土應采取的防裂措施。

關(guān)鍵詞:橋粱工程;大體積混凝土;裂縫;原因

1 前言

大型橋梁工程一些懸索橋錨碇、橋梁承臺和基礎結(jié)構(gòu)采用了很大幾何尺寸的設計方案,龐大的混凝土體積達上萬立方米。其結(jié)構(gòu)厚實、混凝土體積量大、工程條件復雜、施工技術(shù)要求高,以及水泥水化熱大易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度和收縮變形,出現(xiàn)橋梁大體積混凝土工程質(zhì)量問題,給工程正常使用和耐久性帶來不同程度的危害。本文從設計、施工和質(zhì)量管理等角度,研究如何保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常具有以下特點:混凝土是脆性材料,抗拉強度只有抗壓強度的1O左右。大體積混凝土的斷面尺寸較大,由于水泥的水化熱會使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升;以及在以后的降溫過程中,在一定的約束條件下會產(chǎn)生相當大的拉應力。大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋,或者不配鋼筋。因此,拉應力要由混凝土本身來承擔。

2.1 荷載引起的裂縫

大體積混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應力下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫,歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生原因有:

2.1.1 對結(jié)構(gòu)進行計算時,計算模型不合理,結(jié)構(gòu)受力假設與實際受力不符,荷載少算或漏算;內(nèi)力與配筋計算錯誤,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠;結(jié)構(gòu)設計未考慮施工的可行性,設計截面不足;鋼筋設計偏少或布置錯誤,結(jié)構(gòu)剛度不夠等。

2.1.2 施工時不加限制地堆放施工機具、材料;不了解預制結(jié)構(gòu)受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖施工、擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序、改變結(jié)構(gòu)受力模式;未對結(jié)構(gòu)作疲勞強度驗算等。

2.1.3 在使用階段,超過設計荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊、發(fā)生大風、大雪、地震、爆炸等。

2.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì),當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化,混凝土將發(fā)生變形,若變形遭到約束,則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫的特征主要是表面裂縫的走向一般無規(guī)律性。深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行;裂縫寬度大小不一,受溫度變化的影響熱細冷寬。

2.3 收縮引起的裂縫

混凝土在空氣中硬結(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬η闆r下的這種自發(fā)變形,受到外部約束時(支承條件、鋼筋等),將在混凝土中產(chǎn)生拉應力,使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮等三種。在硬化初期主要是水泥在水化凝固結(jié)硬過程中產(chǎn)生的體積變化,后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。

2.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于大體積混凝土質(zhì)量較差或保護層厚度不足?；炷帘Ｗo層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應,其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2倍,從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫。

2.5 凍脹引起的裂縫

當大氣溫度低于零度時,吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍,游離的水轉(zhuǎn)變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產(chǎn)生膨脹應力;同時混凝土凝膠孔中的過冰水(結(jié)冰溫度在-78℃以下)在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強度降低,導致裂縫出現(xiàn)。

3 大體積混凝土施工質(zhì)量控制措施

3.1 大體積混凝土配合比設計

3.1.1 原材料選用。由于水泥的用量直接影響著水化熱的多少及混凝土溫生,大體積混凝土應選用水化熱較低的水泥,如低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥等,并盡可能減少水泥用量。細骨料宜采用中砂,因為使用中砂比用細砂可減少水及水泥的用量。在可泵送情況下粗骨料,選用粒徑5-20mm連續(xù)級配石子,以減少混凝土收縮變形。使用摻合料,應用添加粉煤灰技術(shù)。在混凝土中摻用的粉煤灰不僅能夠節(jié)約水泥,降低水化熱,增加混凝土和易性,而且能夠大幅度提高混凝土后期強度,推移溫升峰值出現(xiàn)時間。

3.1.2 外加劑的使用。采用減水劑,試驗表明,在混凝土添加了膨脹劑之后混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應力,可以抵消一部分混凝土的收縮應力,這樣,相應地提高混凝土抗裂強度。

3.2 溫控措施及施工現(xiàn)場控制

3.2.1 溫度預測分析。根據(jù)現(xiàn)場混凝土配合比和施工中的氣溫氣候情況及各種養(yǎng)護方案,采用計算機仿真技術(shù)對混凝土施工期溫度場和溫差進行計算機模擬動態(tài)預測,提供結(jié)構(gòu)沿厚度方向的溫度分布及隨混凝土齡期變化情況,制定混凝土在施工期內(nèi)不產(chǎn)生溫度裂縫的溫控標準,進行保溫養(yǎng)護優(yōu)化選擇。

3.2.2 混凝土澆筑方案。采用延緩溫差梯度和降溫梯度的措施,在澆筑前經(jīng)詳細計算安排分塊、分層澆筑次序、流向、澆筑厚度、寬度、長度、前后澆筑的搭接時間;控制混凝土入模溫度并加強振搗,嚴格控制振搗時間,移動距離和插入深度,保證振搗密實,嚴防漏振和過振,確保混凝土均勻密實;做好現(xiàn)場協(xié)調(diào)、組織管理,要有充足的人力、物力、保證施工按計劃順利進行,保證混凝土供應,確保不留冷縫;澆筑后對大體積混凝土表面較厚的水泥漿進行必要的處理,一般澆筑后3～4h內(nèi)初步用木長刮尺刮平,初凝前用鐵滾筒碾壓2遍,再用木抹子搓平壓實,以控制表面龜裂;混凝土澆灌完后,立即采取有效的保溫措施并按規(guī)定覆蓋養(yǎng)護。

3.2.3 混凝土溫度監(jiān)測。在混凝土內(nèi)部、外部設置溫度測點,設置保溫材料溫度測點及養(yǎng)護水溫度測點,現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀自動采集并進行整理分析。每一測點的溫度值、各測位中心測點與表層測點的溫差值,作為研究調(diào)整控溫措施的依據(jù),防止混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。

3.2.4 為反映溫控效果可在少數(shù)混凝土層中埋設應變計進行溫度應力檢測,應變計沿水平方向布置,檢測水平方向應力分量。

3.2.5 通水冷卻。采用薄壁鋼管在一些混凝土澆筑分層中帶沒冷卻水管,冷卻水管使用前進行試水,防止管道漏水和阻塞,根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測,控制冷卻水管進水流量及溫度。

4 構(gòu)造設計上對大體積混凝土采取防裂措施

4.1 設計合理的結(jié)構(gòu)形式,可以減少工程數(shù)量,減低水化熱。如可根據(jù)懸索橋錨碇受力特點,設計挖空非關(guān)鍵受力部分混凝土體積,利用土方壓重方案,來減少混凝土結(jié)構(gòu)體積。

4.2 充分利用混凝土在基坑有側(cè)限條件,在混凝土中摻加微膨脹劑,使其在基坑約束下形成一定的預壓力,補償混凝土內(nèi)部溫度、收縮產(chǎn)生的拉應力,從而有效的避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

4.3 大體積混凝土體積龐大,施工周期一般較長,依據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況可合理地確定混凝土評定驗收齡期,打破著正常標準28d的評定驗收齡期,改為60d或更多天,評定驗收齡期充分考慮混凝土的后期強度,從而減低設計標號,達到減少混凝土水泥用量減低水化熱的目的。

4.4 由于邊界存在約束才會產(chǎn)生溫度應力,采用改善邊界約束的構(gòu)造設計,如遇有約束強的巖石類地基、較厚的混凝土墊層等時,可在接觸面上設滑動層來減少溫度應力。在外約束的接觸面上全部設滑動層,則可大大減弱外約束。

4.5 還應重視合理配筋對混凝土結(jié)構(gòu)抗裂的有益作用,可采取增配構(gòu)造鋼筋。配筋應盡可能采用小直徑、小間距,全截面含筋率控制在0.3%～0.5%之間。在混凝土表面增設金屬擴張網(wǎng)等有效措施,有效地提高混凝土抗裂性能。

5 結(jié)束語

雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫,但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明:只要我們在設計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響,還是完全可以避免危害結(jié)構(gòu)的裂縫的產(chǎn)生。