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        橋梁工程大體積混凝土裂縫的原因與防治

        2010-12-31 18:10:45周兆存
        關(guān)鍵詞:水化體積水泥

        周兆存

        (江蘇潤(rùn)揚(yáng)交通工程集團(tuán)有限公司,江蘇 揚(yáng)州 225003)

        1 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(diǎn):混凝土是脆性材料,抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/10左右。大體積混凝土的斷面尺寸較大,由于水泥的水化熱會(huì)使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升;以及在以后的降溫過(guò)程中,在一定的約束條件下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)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(yīng)力要由混凝土本身來(lái)承擔(dān)。

        1.1 水泥水化熱的影響

        水泥水化過(guò)程中放出大量的熱,且主要集中在澆筑后的7d左右,一般每克水泥可以放出500J左右的熱量,如果以水泥用量350Kg/m3~550 Kg/m3來(lái)計(jì)算,每m3混凝土將放出17500KJ~27500KJ的熱量,從而使混凝土內(nèi)部升高。(可達(dá)70℃左右,甚至更高)。尤其對(duì)于大體積混凝土來(lái)講,這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因?yàn)榛炷羶?nèi)部和表面的散熱條件不同,因此混凝土中心溫度很高,這樣就會(huì)形成溫度梯度,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

        1.2 混凝土的收縮

        混凝土在空氣中硬結(jié)時(shí)體積減小的現(xiàn)象稱(chēng)為混凝土收縮。混凝土在不受外力的情況下的這種自發(fā)變形,受到外部約束時(shí)(支承條件、鋼筋等),將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力,使得混凝土開(kāi)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石在水化凝固結(jié)硬過(guò)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。

        1.3 外界氣溫濕度變化的影響

        大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間,外界氣溫的變化對(duì)防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響。混凝土內(nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系,外界氣溫愈高,混凝土的澆筑溫度也就會(huì)愈高;如果外界溫度降低則又會(huì)增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度的下降過(guò)快,會(huì)造成很大的溫度應(yīng)力,極其容易引發(fā)混凝土的開(kāi)裂。另外外界的濕度對(duì)混凝土的裂縫也有很大的影響,外界的濕度降低會(huì)加速混凝土的干縮,也會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

        2 大體積混凝土裂縫的控制

        2.1 大體積混凝土中水泥的品種及用量

        理論研究表明大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因就是水泥水化過(guò)程中釋放了大量的熱量。于是,我們對(duì)于橋梁中的大體積混凝土應(yīng)該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內(nèi)礦物成分的不同。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣(C3A),其他成分依次為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)。另外,水泥越細(xì)發(fā)熱速率越快,但是不影響最終發(fā)熱量。因此我們?cè)诖篌w積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。我們應(yīng)該充分利用混凝土的后期強(qiáng)度,以減少水泥的用量。因?yàn)榇篌w積混凝土施工期限長(zhǎng),不可能28d向混凝土施加設(shè)計(jì)荷載,因此將試驗(yàn)混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的齡期向后推遲至56d或者90d是合理的。這是基于這一點(diǎn),國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家均提出類(lèi)似的建議。這樣充分利用后期強(qiáng)度則可以每m3混凝土減少水泥40Kg~70Kg左右,混凝土內(nèi)部的溫度相應(yīng)降低4℃~7℃。

        2.2 摻加外加料和外加劑

        在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰后,可以增加混凝土的密實(shí)度,提高抗?jié)B能力,改善混凝土的工作度,降低最終收縮值,減少水泥用量。要降低大體積混凝土的水泥水化熱引起的內(nèi)部溫升,防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫,利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。外加劑可以從以下幾個(gè)方面來(lái)選擇。UFA膨脹劑,它可以等量替換水泥。并且是混凝土產(chǎn)生適度的膨脹。一方面保證混凝土的密實(shí)度,另一方面使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力,以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力。減水緩凝劑,并應(yīng)保證一定的坍落度。這樣可以延緩水化熱的峰值期并改善混凝土的和易性,降低水灰比以達(dá)到減少水化熱的目的。

        2.3 大體積混凝土的骨料控制

        在骨料的選擇上應(yīng)該選取粒徑大強(qiáng)度高級(jí)配好的骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積,從而減少水泥的用量,降低水化熱,減少干縮,減小了混凝土裂縫的開(kāi)展。

        2.4 優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)計(jì)

        雖然大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少,我們還是可以在裂縫易發(fā)生部位如孔洞周?chē)约稗D(zhuǎn)角處布置一些斜筋,從而讓鋼筋代替混凝土承擔(dān)拉應(yīng)力,這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。為了避免裂縫的出現(xiàn),在設(shè)計(jì)中利用中低強(qiáng)度底水泥充分利用混凝土的后期強(qiáng)度。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。對(duì)于混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值,因?yàn)楸Wo(hù)層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫。

        2.5 大體積混凝土的施工

        混凝土施工包括混凝土的生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑和溫度及表面保護(hù),是保護(hù)大體積混凝土溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而熱應(yīng)力的控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)外溫差△T:

        △T=Tp+Tr-Tf

        式中:Tp-起始澆筑溫度;Tr-水泥水化溫升;Tf-天然或人工冷卻后澆筑塊的穩(wěn)定溫度。

        在溫度較高的情況下進(jìn)行施工,我們一定要注意降低混凝土澆筑時(shí)的溫度??梢栽谑┕がF(xiàn)場(chǎng)對(duì)堆在露天的砂石用布覆蓋,以減少陽(yáng)光對(duì)其的輻射,同時(shí)對(duì)澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過(guò)程中向混凝土中添加冰水。以上這些措施都可以有效的降低混凝土的入模溫度。在混凝土的內(nèi)部通入冷卻循環(huán)水,采用循環(huán)法保溫養(yǎng)護(hù),以便加快混凝土內(nèi)部的熱量散發(fā)。混凝土表面應(yīng)該覆蓋一些織物進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù),這樣不但可以降低混凝土內(nèi)外溫差,防止表面產(chǎn)生裂縫,還可以防止混凝土驟然降溫產(chǎn)生貫穿裂縫,并且還可以使水泥順利水化,防止產(chǎn)生濕度裂縫。為了及時(shí)掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度變化值,可以在混凝土內(nèi)埋設(shè)一定量的測(cè)溫點(diǎn),從而可以更好的了解混凝土的溫度變化情況,一旦內(nèi)外溫差超過(guò)允許值25℃,好及時(shí)采取措施。

        如果是在冬季進(jìn)行施工,因?yàn)橐乐乖缙诨炷帘粌鰡?wèn)題,所以要求混凝土澆筑時(shí)應(yīng)該具有較高的澆筑溫度。但另一方面,正是由于天氣寒冷,混凝土穩(wěn)定溫度一定較低,往往超過(guò)允許溫差,不能防止混凝土裂縫要求。所以,混凝土澆筑溫度在冬季施工時(shí)一般以5℃~10℃為宜,在澆筑混凝土以前還應(yīng)該對(duì)基礎(chǔ)及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預(yù)熱,對(duì)原材料應(yīng)視氣溫高低進(jìn)行加熱。加熱石料時(shí)應(yīng)避免過(guò)熱和過(guò)分干燥,最高溫度不應(yīng)超過(guò)75℃。另外還要注意運(yùn)輸中的保溫、澆筑過(guò)程中減少熱量的損失以及保溫養(yǎng)護(hù)。

        2.6 大體積混凝土的裂縫檢查與處理

        對(duì)于混凝土裂縫,應(yīng)以預(yù)防為主,為此需要精心設(shè)計(jì)、施工,但是由于目前采用的防止裂縫的安全系數(shù)較小,而實(shí)際情況有復(fù)雜多變,所以實(shí)際工程中還是難免出現(xiàn)一些裂縫。大體積混凝土的裂縫分為三種:表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對(duì)于表面裂縫因?yàn)槠鋵?duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、耐久性和安全基本沒(méi)有影響,一般不作處理。對(duì)深層裂縫和貫穿裂縫可以采取鑿除裂縫,可以用風(fēng)鎬、風(fēng)鉆或人工將裂縫鑿除,至看不見(jiàn)裂縫為止,鑿槽斷面為梯形再在上面澆筑混凝土。限裂鋼筋,在處理較深的裂縫時(shí),一般是在混凝土已充分冷卻后,在裂縫上鋪設(shè)1~2層的鋼筋后再繼續(xù)澆筑新混凝土。對(duì)比較嚴(yán)重的裂縫可以采取水泥灌漿和化學(xué)灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度在0.5mm以上時(shí),對(duì)于裂縫寬度小于0.5mm時(shí)應(yīng)采取化學(xué)灌漿?;瘜W(xué)灌漿材料一般使用環(huán)氧-糠醛丙酮系等漿材。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫,但是大量的科學(xué)研究以及成功的工程實(shí)例都表明:只要我們?cè)谠O(shè)計(jì)、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護(hù)過(guò)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。

        [1]魏善文,賈忠厚,孫玉林,孟立.大體積混凝土裂縫控制綜述[J].北方交通,2006-06-28.

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