任 波,王 優(yōu)

(濟源市公路管理局)

隨著我國高速公路的發(fā)展,橋梁的跨徑越來越大,尤其在峽谷地區(qū)橋墩也多采用高大的空心薄壁橋墩,一些橋墩高達 100m以上,且為柔性墩。由于橋墩高度高,截面尺寸大,施工中易受外界環(huán)境影響,因此,面對如此高度的空心薄壁墩,如何高質(zhì)量完成其建設任務,避免和減少墩身混凝土裂縫的出現(xiàn),成為設計和施工人員所必須考慮的問題之一。

1 裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土裂縫問題一直是工程界最為關(guān)心的課題之一,因為它的出現(xiàn)涉及鋼筋的腐蝕及結(jié)構(gòu)功能的喪失和結(jié)構(gòu)外觀的磨損,針對空心薄壁高橋墩分析裂縫可能產(chǎn)生的原因,我們進行了仔細研究論證,最終認為大致可分為設計原因和混凝土自身原因兩大類。

1.1 設計原因

依據(jù)傳統(tǒng)設計規(guī)范按結(jié)構(gòu)承載強度進行配筋,其受力裂縫和收縮裂縫多可同時得到控制;只是受力配筋兼顧收縮配筋,未對收縮配筋做充分考慮,一旦超出一定范圍,則仍有可能出現(xiàn)收縮裂縫,在出現(xiàn)裂縫的空心墩中,都曾出現(xiàn)過豎向收縮裂縫,起因之一就是構(gòu)造配筋不足,以往空心墩的結(jié)構(gòu)設計,習慣上注重按承載強度進行受力配筋,而對因溫度、濕度引起的收縮變形問題,則往往考慮不足;空心墩結(jié)構(gòu)形式一般為底部混凝土體積較大,且為梯形漸變結(jié)構(gòu)形式;因此橋墩混凝土凝結(jié)固化時內(nèi)部水化熱及水化熱溫差梯度較大,而養(yǎng)護時,內(nèi)部通常采取灌水養(yǎng)護,外壁采用灑水養(yǎng)護,容易造成由于內(nèi)外溫度和濕度不一而引起混凝土收縮不均,進而導致收縮裂縫。

1.2 混凝土自身原因

混凝土自身原因產(chǎn)生的裂縫類型很多,歸納起來有：干縮、溫度、施工原因、化學作用等。國際預應力混凝土學會認為,凡是混凝土一次澆筑的最小尺寸大于 0.6m,且水泥用量大于 400kg/m3時,應當考慮水化散熱慢或其他降溫措施;國家建筑部門認為混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸大于或等于 1m的大體積混凝土中,水化熱量的散失與最小尺寸平方成反比,所以內(nèi)部散熱十分緩慢。一道厚 1.5m;兩側(cè)暴露在較冷的空氣中的混凝土墻,散失 95%的水化熱量需要一周時間;如果墻厚達 15m,散失 95%的水化熱,則需要 2年時間。因此,如果控制混凝土內(nèi)部溫度升高和溫度變化速度,就可能減少或避免出現(xiàn)裂縫,基于這點建設者充分考慮混凝土及其組成材料的特性,從水泥品種、成分、單位體積水泥用量、骨料、拌和水量、外加劑等方面綜合考慮,并多次調(diào)試混凝土配比,并以配合比和施工環(huán)節(jié)降低水泥水化熱,從而達到減少或避免大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的目的。

2 裂縫的防治

2.1 結(jié)構(gòu)設計

(1)混凝土裂縫分散性很大,難以正確計算,對其也缺乏統(tǒng)一認識,因此在混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋設計中往往是基于對裂縫機理分析,并結(jié)合經(jīng)驗而在配筋構(gòu)造上進行限制,以滿足一般情況下裂縫控制的需要。如：某大橋空心薄壁墩,其墩底部為 1050cm×800cm×105cm(長 ×寬 ×高)的矩形薄壁混凝土結(jié)構(gòu),底部為 30m為薄壁梯形漸變段,然后室壁厚均等的薄壁區(qū)段,類似這種高大空心墩是依靠其結(jié)構(gòu)形狀、質(zhì)量和強度來承受荷載的,因此為保證混凝土結(jié)構(gòu)性能滿足設計條件和耐久性,設計者從結(jié)構(gòu)受力,結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及外部因素影響等多方面進行充分論證,并結(jié)合分析研究外地類似大橋空心墩設計及裂縫產(chǎn)生的原因,而改變以往傳統(tǒng)的設計思路,增加了新的可靠性設計元素,為避免或減少混凝土裂縫提供了設計保障。

①確保最小鋼筋面積(As,min)：由于墩底受壓,因此橫向濕縮縫不會出現(xiàn),而多是因受壓或濕縮而引起的豎向裂縫。橫向箍筋正是為滿足這種要求布設的,但其數(shù)量應能保證鋼筋應力即使在因混凝土開裂而增大后仍不超越屈服強度,能使裂縫充分分散,數(shù)量多而寬度小,從而避免出現(xiàn)“非控制性”的不可容許的少數(shù)寬縫。

②保證鋼筋最大間距：除控制最小鋼筋面積之外,還要控制空心墩中的箍筋間距。箍筋間距可以影響裂縫距離,設計中依次在傳統(tǒng)空心墩設計的基礎(chǔ)上,增加箍筋數(shù)量,減小鋼筋間距。

③保證鋼筋直徑：一般情況下可以代替控制荷載裂縫時的鋼筋最大間距,對于由約束收縮(干縮、濕縮)引起的裂縫必須限制鋼筋直徑。

④建議增設混凝土防裂網(wǎng),該鋼筋網(wǎng)與混凝土共同作用受力,改善混凝土工作性能,以避免或分散混凝土裂縫。

(2)合理選擇混凝土標號。

在能滿足結(jié)構(gòu)強度的同時,降低墩身混凝土設計標號,以減少水泥用量,并與承臺混凝土設計標號一致,減少溫差收縮不一致引起的內(nèi)部應力以及約束應力引起的約束裂縫。

2.2 混凝土原材料及配合比

混凝土的水化熱大小與水泥成分、單位體積、水泥用量、骨料、拌和水量密切相關(guān)。但水泥成分、骨料性質(zhì)、用水量究竟對水化熱有多大影響,還沒有一個定量的概念。因此應盡量選用低水化熱水泥,但不同品牌的水泥產(chǎn)生的熱量是不相同的;粉煤灰的摻入可以減少水泥用量,降低水化熱產(chǎn)生的總量;彈性模量較低的粗骨料,有利于混凝土抗拉性能的發(fā)揮;適當?shù)耐饧觿┛梢愿纳苹炷凉ぷ餍阅?降低用水量。因此,在混凝土混合料中,摻和外加劑,降低水灰比,是降低水泥水化熱的有效措施。

(1)混凝土原材料。

①水泥。水泥除其發(fā)熱量和使用量是決定混凝土裂縫的重要原因外,其干縮性也是決定混凝土干縮裂縫的重要原因。不同的水泥,甚至是同一品種、同一強度的水泥,只是由于生產(chǎn)廠家不同,其發(fā)熱值、干縮值都有可能相差很大。

②細集料。要求級配良好、質(zhì)地堅硬、顆粒潔凈、細度模數(shù)在 2.3～3.1之間,不要用粘性砂,特別控制砂的含泥量在2%以內(nèi),因此,橋墩施工全部應采用質(zhì)量穩(wěn)定,性能良好的中砂。

③粗集料。帶有棱角,有麻面的碎石較有利于提高混凝土的抗拉伸性能,同時可減少混凝土的干縮性和冷縮性。

④外加劑。合理、科學地使用外加劑,可以使混凝土的和易性得到很大改善,有助于混凝土的澆筑均勻和振搗密實,因此既能提高混凝土的均勻性和密實性,也提高了混凝土的抗拉性和抗裂性,而混凝土的水泥用量和拌和水量又可相應減少。采用緩凝劑,一是可以減少用水量,二是可以減少水泥用量,從而達到降低水化熱的目的,其加入量為0.01%,保證初凝時間在 2～3h之間,既保證了在澆筑上層混凝土時,下層混凝土不至于初凝,且能延緩混凝土內(nèi)部混度峰值的出現(xiàn)。

⑤摻加粉煤灰。在配合比中,適量加入一定比例的粉煤灰,取代等量水泥,削減水化熱的高溫峰值,具體比例應以實際檢測值為準,粉煤灰應滿足 II級粉煤灰要求,且應對其進行檢測,其主要技術(shù)指標應符合國家標準。

(2)配合比。

粗細集料占混凝土體積很大部分,本身雖收縮不多,但卻可抑制水泥收縮,從而減少混凝土的干縮,有以下經(jīng)驗公式

式中：εso是水泥的干縮;Va是骨料的容積%。

因此,增大骨料粒徑尺寸不僅可影響拌和水量(從而影響收縮),在抑制混凝土收縮上十分有效。

含水量對混凝土干縮的影響程度顯著大于水泥量和水灰比對其的影響精度,而混凝土的拌水量影響混凝土的坍落度、含砂率、溫度以及骨料的顆粒級配、潔凈程度等因素,因此,骨料級配及較小的坍落度和較低的拌和溫度,是降低混凝土干縮的主要措施。

空心薄壁混凝土配合比應滿足設計標號,泵送工藝性、低水化熱、緩凝等要求。

2.3 溫度控制

空心薄壁高橋墩在澆筑期間,如果正值高溫區(qū),每天平均氣溫都在 30℃左右時,由于混凝土內(nèi)水化熱是在澆筑溫度的基礎(chǔ)上積聚的,外界氣溫越高,混凝土澆筑溫度也越高,如混凝土澆筑時,外界氣溫為 16～18℃,而混凝土實際溫度為 12℃,則混凝土澆筑時溫度會增加至 16℃。澆筑溫度的增加,導致新澆筑混凝土的整體溫度提高了,另外混凝土的溫度越高,水泥的水化反應越快,當混凝土澆筑氣溫為14℃時,第一個 24h內(nèi),水泥產(chǎn)生 7d全部水化熱的 43%,澆筑氣溫為 30℃時,在第一個 24h內(nèi),水泥產(chǎn)生 7d全部水化熱的 62.5%,混凝土達到最高溫度的時間縮短了,不利于降低混凝土的最高溫度,因此針對以上混凝土特點,為減少混凝土水化熱,建議采用以下措施來降低混凝土的澆筑溫度。

(1)調(diào)整混凝土澆筑時間,避免中午氣溫峰值時澆筑混凝土,應采取夜間施工。

(2)降低骨料溫度,在集料堆上搭設涼棚,避免太陽直射;同時,噴灑冷水以冷卻碎石,使溫度從 30～35℃降低到30℃以內(nèi)。

(3)降低拌和溫度,在澆筑空心墩底部混凝土體積較大處時,建議采用加冰屑攪拌,冰的吸熱量大約是水泥和集料的 4.5倍,采用冰屑冷卻水拌和,可以有效地降低混凝土混合料的澆筑溫度。

(4)避免吸取外熱,混凝土拌和前,提前用冷水沖洗拌合倉,以降低倉溫,混凝土澆筑前,同樣用冷水沖淋泵送管道,混凝土澆筑時,在模板外灑水沖淋。

3 結(jié)束語

通過以上措施,可在實際施工中使空心薄壁高橋墩身裂縫得到有效控制,不同程度地減少和杜絕裂縫發(fā)生和發(fā)展。目前,由于裂縫形成機理和發(fā)生程度還多以定性為主,定量為輔,且設計中還有許多經(jīng)驗輔助成分,加上施工中各種不確定因素的影響,使得針對高大空心橋墩的裂縫防治還有許多需要研究的問題。

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[1]中華人民共和國行業(yè)標準：公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTJ041-2000)[M].北京：人民交通出版社,2000.

[2]項海帆 .高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社,2001.

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