吳同國
(江蘇金堰交通工程有限公司,江蘇 泰州225500)
隨著公路工程技術的突飛猛進,大體積混凝土在橋梁結構中應用的越來越多。我國普通混凝土配合比設計規(guī)范規(guī)定:混凝土結構物中實體最小尺寸不小于1m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土;美國則規(guī)定為:任何現(xiàn)澆混凝土,只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。
目前,國內外對機械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對溫度荷載引起的有關裂縫的研究尚不充分。我們應對此加以重視,防止危害結構的裂縫產(chǎn)生。另外,對于大體積混凝土內溫度應力與裂縫控制多集中在橋梁工程中的底板、箱身等。在工程施工過程中,由于水泥的水化熱作用,混凝土澆筑后需要經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期三個階段,在這個過程中,混凝土的體積隨之伸縮、凝固、易出現(xiàn)裂縫。因此,廣大工程建設者都在積極探究裂縫產(chǎn)生的原因,尋求能有效防止裂縫出現(xiàn)的措施和途徑,根據(jù)大體積混凝土熱量大、散熱慢等特點,采取相應措施,對施工過程進行控制。本文將對此進行分析,探討裂縫出現(xiàn)的原因及控制對策。
大體積混凝土在施工階段之所以會產(chǎn)生裂縫,是其內外因素共同作用的結果。要控制大體積混凝土的裂縫,首先必須弄清裂縫產(chǎn)生的原因,才能有的放矢,對癥下藥,實施有效控制。
混凝土凝結硬化時體積減小,這種混凝土的自發(fā)變形,在受到外部環(huán)境約束時,將使混凝土中產(chǎn)生拉應力,致使混凝土開裂。在硬化初期主要是表現(xiàn)在混凝土凝結硬化過程中產(chǎn)生的體積變化,后期主要是自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。
1)混凝土升溫階段產(chǎn)生的裂縫:大體積鋼筋混凝土結構,澆筑后水泥的水化熱很大,由于混凝土體積大,聚積在內部的水泥水化熱不易散出,混凝土的內部溫度顯著升高,從而形成較大的內外溫差,使混凝土內部產(chǎn)生壓應力,表面產(chǎn)生拉應力。如果在混凝土表面附近存在較大的溫度梯度,就會引起較大的表面拉應力,而此時混凝土的齡期很短,抗拉強度很低,當溫差產(chǎn)生的表面拉應力超過此時混凝土極限抗拉強度時,就會在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。
2)混凝土降溫階段產(chǎn)生的裂縫:當混凝土降溫時,由于逐漸散熱而產(chǎn)生收縮,再加上混凝土硬化過程中,由于混凝土內部拌和水的水化和蒸發(fā),以及膠質體的膠凝等作用,促使混凝土硬化時收縮。這兩種收縮,在收縮時由于受到基底或結構本身的約束,會產(chǎn)生很大的收縮應力(拉應力),如果產(chǎn)生的收縮應力,超過當時混凝土極限抗拉強度,就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫,這種收縮裂縫有時會貫穿全斷面,成為結構性裂縫,帶來嚴重危害。
采用施工技術措施應從控制溫升,延緩降溫速率,減少混凝土收縮,提高混凝土極限拉伸強度,改善約束程度等方面著手。
1)合理選擇材料品種:為減少水泥水化熱引起過大溫升,應采用中低熱水泥,諸如粉煤灰水泥、礦渣水泥等,考慮在混凝土中摻粉煤灰,以使用普通水泥為宜;為減少混凝土的收縮,應選用干縮值小的材料,如山砂、碎石等;為有利于混凝土內部熱量的散失,應選用導溫系數(shù)大的砂石骨料,如石灰?guī)r、石英巖、白云巖等。
2)確保材料的質量:骨料級配良好,粗骨料粒徑5~40mm,盡量采用中砂,嚴格控制砂、石子的含泥量(石子在1%以內,砂在2%以內)等,確保各組成材料的質量符合規(guī)范要求。
3)選用合適的外加劑:使用減水劑,以減少水泥用量、改善和易性;使用緩凝劑,以減緩混凝土澆筑速度,以利散熱;使用膨脹劑,以補償混凝土收縮;添加化工纖維,增加混凝土抗拉強度。在實際工程中,可結合具體情況組合使用,如底板可采用緩凝型減水劑,閘墩用膨脹型減水劑等。
1)在滿足強度、和易性、耐久性的前提下,盡量減少單位水泥用量。混凝土中單位水泥用量每增減10kg,水泥水化后的溫度將增減1℃,減少單位水泥用量,有利于降低水泥水化熱引起的絕熱溫升,從而減小混凝土內外溫差。
(1)摻加適量的粉煤灰。對于大體積混凝土厚度不大,在滿足強度、和易性、耐久性的前提下,摻量以15%~20%為宜。如厚度超過2m,在大體積混凝土內部可適當加大粉煤灰摻量。另粉煤灰愈合能力強,也有利于減少混凝土裂縫。使用時,粉煤灰質量應達到Ⅰ級灰標準。
(2)拋塊石。在大體積混凝土中拋10%~15%的堅硬無裂縫、干凈的大塊石,規(guī)格為150~300mm。拋塊石除了可減少水泥用量,降低水泥水化熱外,石塊本身可吸收熱量,也使水化熱進一步降低。在混凝土結構中部配筋少的部位,宜多拋塊石,并保持石塊間的間距10~15cm,注意塊石底部不能積水,塊石分布均勻。
(3)合理使用外加劑。如減水劑可大大改善混凝土的工作性能,同時減少水及水泥用量10%左右,降低了水泥水化熱。
2)砂率不宜過大,在滿足泵送混凝土前提下,盡可能選較小的砂率。砂率過大,混凝土的抗裂性能將降低,混凝土的干燥收縮加大,易產(chǎn)生收縮裂縫。
3)水灰比不宜大于0.5。水灰比大,混凝土內部孔隙增多,將使混凝土的強度和抗裂性能降低。在實際工程中,對混凝土配合比確定的水灰比和坍落度值,應嚴格控制。
2.3.1 采用切實可行的施工工藝,合理組織施工
1)上下層混凝土澆筑間隔時間控制在5~7d為宜。實際施工時可能有難度,但上層施工速度應盡可能快,以減少下層混凝土對上層混凝土的約束。
2)混凝土中每層鋪料厚度不宜超過30cm,以利散熱,并使溫度分布較均勻,及時抽走泌水,同時便于振搗密實,以提高彈性模量。
3)混凝土澆筑速度保持均衡,澆筑高度均衡上升,以改善約束條件,削減溫度應力。
4)合理選擇混凝土的澆筑時間,外界氣溫以10~30℃為宜;夏季降低入倉溫度15~20℃為宜,可采用石子噴水預冷、地下水拌和、運輸過程遮蓋、倉面搭棚等措施;冬季應采取必要的保溫措施。
2.3.2 確?;炷潦┕べ|量
混凝土的拌和、運輸、澆筑應嚴格執(zhí)行合同規(guī)定。對混凝土表面可采用二次振搗,并加強抹面,以提高混凝土表面的抗裂度。
2.3.3 加強對混凝土的養(yǎng)護
1)冬季采用保溫養(yǎng)護,延長養(yǎng)護時間,減少大體積混凝土內外溫差。水平面上用薄膜加草袋(或彩條布)覆蓋,用此方法可使混凝土表面增加10~15℃,立面上推遲拆模時間,外掛草袋,并注意適當灑水養(yǎng)護。對下部混凝土結構拆模后應及時回填土。
2)夏季應針對混凝土升、降溫這兩個不同階段采取相應措施:①升溫階段,養(yǎng)護以降低混凝土表面溫度為原則。采用草袋覆蓋,并盡可能多的灑水養(yǎng)護,有條件的可采用灌水養(yǎng)護法,以利于混凝土內部水化熱的散失,降低其內部最高溫度,從而相應減小混凝土的內外溫差。②降溫階段,養(yǎng)護以提高混凝土表面溫度為原則。一般5d后開始降溫時,在水平面上用薄膜加草袋覆蓋;立面上推遲拆模時間(7d后),并注意灑水養(yǎng)護,用此方法可延緩降溫速度,減小混凝土內外溫差。
另應高度重視測溫工作(前5d每2h測1次,5d后每4h測1次),發(fā)現(xiàn)溫差過大,辯證采取保溫或降溫措施,防止裂縫的產(chǎn)生。
對于混凝土裂縫,應以預防為主,為此需要精心設計、施工。但是由于目前采用的防止裂縫的安全系數(shù)較小,而實際情況又復雜多變,所以具體工程中還是難免出現(xiàn)一些裂縫。混凝土裂縫的處理措施主要有以下一些方法:表面修補法,灌漿、嵌逢封堵法,混凝土置換法,電化學防護法,仿生自愈合法等。其中前兩種方法運用較多?,F(xiàn)簡述如下:
1)表面修補法:表面修補法是一種簡單、常見的修補方法,通常的處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥漿、環(huán)氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料,在防護的同時為了防止混凝土受各種作用的影響繼續(xù)開裂,通常可以采用在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布等措施。
2)灌漿、嵌逢封堵法:灌漿法主要適用于對結構整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補,它是利用壓力設備將膠結材料壓人混凝土的裂縫中,膠結材料硬化后與混凝土形成一個整體,從而起到封堵加固的目的。常用的膠結材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學材料。
嵌縫法是裂縫封堵中最常用的一種方法,它通常是沿裂縫鑿槽,在槽中嵌填塑性或剛性止水材料,以達到封閉裂縫的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等等;常用的剛性止水材料為聚合物水泥砂漿。
3)混凝土置換法:混凝土置換法是處理嚴重損壞混凝土的一種有效方法,此方法是先將損壞的混凝土剔除,然后再置換人新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有:普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。
4)電化學防護法:電化學防腐是利用施加電場在介質中的電化學作用,改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài),鈍化鋼筋,以達到防腐的目的。陰極防護法、氯鹽提取法、堿性復原法是化學防護法中常用而有效的3種方法。
5)仿生自愈合法:仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法,它模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質,而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機能,在混凝土的傳統(tǒng)組分中加入某些特殊組分(如含粘結劑的液芯纖維或膠囊),在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng),當混凝土出現(xiàn)裂縫時分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。
雖然大體積混凝土易產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫,但只要在設計、施工工藝、材料選擇及養(yǎng)護過程中能夠精細化考慮,并及時采取合理的處治措施,就能避免或減少裂縫的出現(xiàn)。在公路工程建設實踐中應做到:
1)在大體積混凝土施工時要全面和有針對性的考慮施工方案,盡可能利用國內較先進的施工技術及控制方法。
2)要做充分的施工準備,把影響質量的關鍵問題量化、細化、分解到具體措施上。
3)材料控制及檢測要規(guī)范,在施工過程中嚴格按技術方案要求執(zhí)行,操作和指揮一致,實施和檢查一致。
4)施工中混凝土自身升溫時間很短,大約在澆筑后的三到五天,此時混凝土基本處于塑性彈塑性狀態(tài),約束力很低。降溫階段,約束拉應力隨時間增加,由于許多施工條件難以預測,不能用線性理論的方法,要利用相似的工程其裂縫控制實測數(shù)據(jù)及降溫曲線,以近似值作參照。
總之,對橋梁結構中的大體積混凝土施工,裂縫雖易產(chǎn)生,但只要有針對性地采取必要的技術組織措施,嚴格按混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范,精心施工,嚴格按科學規(guī)律辦事,就能有效地控制大體積混凝土結構的裂縫。
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