李建寶

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300170）

預(yù)制梁以其施工標(biāo)準(zhǔn)化程度高、節(jié)約工期、架設(shè)施工不受下部地形影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)有比較廣泛的應(yīng)用。預(yù)制T梁具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、截面經(jīng)濟(jì)性好、吊裝方便等優(yōu)點(diǎn)，除高速鐵路橋梁采用預(yù)制箱梁以外，普速鐵路橋梁普遍采用預(yù)制T梁。作為“一帶一路”合作項(xiàng)目的成功代表，蒙內(nèi)鐵路項(xiàng)目橋梁地段采用預(yù)制T梁，開創(chuàng)了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制T梁在海外工程應(yīng)用的先河。

1 項(xiàng)目概況

肯尼亞位于非洲的東部，屬熱帶草原氣候，全年分雨季和旱季，其中旱季時(shí)間較長(zhǎng)。赤道橫貫肯尼亞中部，因此肯尼亞全年高溫且晝夜溫差較大。蒙內(nèi)鐵路全長(zhǎng)約480km，東起肯尼亞東部港口蒙巴薩，西至首都內(nèi)羅畢，全線采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。鐵路正線采用單線，設(shè)計(jì)客運(yùn)速度120km/h、貨運(yùn)速度80km/h，設(shè)計(jì)運(yùn)力2500萬t，采用中國(guó)國(guó)鐵一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。蒙內(nèi)標(biāo)軌鐵路項(xiàng)目第六項(xiàng)目經(jīng)理部Mtito制梁場(chǎng)承擔(dān)蒙內(nèi)鐵路DK0～DK245里程范圍內(nèi)T梁預(yù)制任務(wù)。

2 豎向裂縫原因分析

2.1 裂縫現(xiàn)象描述

在Mtito制梁場(chǎng)生產(chǎn)試制品過程中發(fā)現(xiàn)，部分梁體普遍出現(xiàn)不同程度的豎向裂紋。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)裂紋具有以下特點(diǎn)：（1）梁體裂紋主要出現(xiàn)在距離梁體大里程端8～12m范圍內(nèi)（由小里程端開始澆筑）；（2）裂紋由下翼緣與底板相交的倒角部位開始發(fā)生，向上和向底板垂直梁體中心線兩個(gè)方向發(fā)展，發(fā)展長(zhǎng)度不等，裂縫寬度大小不一。

2.2 裂縫產(chǎn)生原因分析

由于梁體裂縫在拆除模板時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)，而且梁體沒有承受外部荷載，排除了外部荷載導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的可能?；炷翉臐仓敛鹉Ｇ坝袦y(cè)量員對(duì)制梁臺(tái)進(jìn)行沉降觀測(cè)，所有制梁臺(tái)均未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降，也排除了不均勻沉降導(dǎo)致梁體裂紋的可能。通過調(diào)查混凝土測(cè)溫記錄發(fā)現(xiàn)：相比國(guó)內(nèi)預(yù)制梁施工經(jīng)驗(yàn)，該梁場(chǎng)混凝土澆筑完畢后在較短時(shí)間內(nèi)，梁體內(nèi)部溫度快速升高，且峰值超過規(guī)范要求的最大值65℃。而梁場(chǎng)所在地晝夜溫差大，造成梁體內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度溫差過大，也超過規(guī)范要求的15℃。因此，導(dǎo)致梁體出現(xiàn)裂縫的主要因素是梁體混凝土溫度升高較快，內(nèi)外溫差產(chǎn)生的較大溫度應(yīng)力，致使混凝土薄弱部位開裂。

2.3 溫度應(yīng)力導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的機(jī)理

梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，當(dāng)混凝土硬化時(shí)，水泥水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，由于混凝土導(dǎo)熱性較差，而且T梁混凝土體積較大，梁體內(nèi)部會(huì)積聚大量的水化熱，從而導(dǎo)致梁體混凝土內(nèi)部溫度急劇上升。項(xiàng)目采用的水泥為肯尼亞本地產(chǎn)的Bamburi CEMI 52.5水泥，該水泥為早強(qiáng)型水泥，水化反應(yīng)比普通水泥更快，所以混凝土內(nèi)部溫度升高更快，峰值更高。梁場(chǎng)所在地Mtito Andei晝夜溫差較大，白天環(huán)境及模板溫度過高，無法進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)，因此混凝土澆筑作業(yè)選擇在夜間進(jìn)行。夜間環(huán)境及模板溫度較低，而混凝土澆筑完畢后極短時(shí)間內(nèi)快速硬化，內(nèi)部溫度急劇上升，從而導(dǎo)致梁體混凝土內(nèi)外出現(xiàn)較大的溫差。對(duì)于大體積混凝土內(nèi)部溫度較高、外部溫度較低，內(nèi)外溫差較大的情況下，會(huì)引起內(nèi)外混凝土膨脹變形差異，導(dǎo)致內(nèi)部混凝土承受壓應(yīng)力、外部混凝土承受拉應(yīng)力，混凝土抗拉能力較差，從而使梁體表面產(chǎn)生裂縫。由于混凝土材料的不均勻性，裂縫首先在強(qiáng)度最小的位置發(fā)生，并且在裂縫發(fā)生前瞬間的應(yīng)變分布會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變集中（見圖1）。

圖1 大體積混凝土的溫度、應(yīng)力分布

2.4 梁體薄弱部位分析

T梁混凝土由拌合站統(tǒng)一攪拌，罐車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)利用龍門吊和料斗進(jìn)行澆筑。項(xiàng)目采用肯尼亞本地產(chǎn)Bamburi水泥，外加劑采用國(guó)產(chǎn)北京厚德HS-DD6標(biāo)準(zhǔn)型減水劑，Bamburi水泥與國(guó)產(chǎn)水泥在生產(chǎn)工藝以及原材料上的差異，導(dǎo)致水泥熟料中的主要成分有很大區(qū)別。因此，Bamburi水泥與國(guó)內(nèi)減水劑適應(yīng)性較差，導(dǎo)致其減水、保坍、抗離析和改善和易性的作用不能充分發(fā)揮?；炷翝仓^程中，出現(xiàn)的離析現(xiàn)象就是水泥與減水劑不匹配所致。混凝土澆筑工藝采用國(guó)內(nèi)成熟的水平分層、斜向分段法施工，由小里程端開始向大里程端澆筑推進(jìn)。但由于該混凝土易離析，在澆筑過程中，經(jīng)過振搗，粗骨料下沉，水泥砂漿沿混凝土表面向前流動(dòng)，在澆筑方向的最前端混凝土面為一斜坡面，更加速了水泥砂漿向前流動(dòng)。在梁體混凝土澆筑至跨中位置時(shí)，前端混凝土斜坡面的坡腳超過跨中一個(gè)中隔板的位置，而水泥砂漿已沿底模流動(dòng)至距大里程端約4m的位置。梁體上部荷載通過支座傳遞給下部結(jié)構(gòu)，為防止支座部位因積聚過多水泥砂漿而降低強(qiáng)度，并避免先澆筑部分因停留時(shí)間過長(zhǎng)而產(chǎn)生冷縫，澆筑方向改為兩個(gè)方向交替進(jìn)行。因混凝土離析而改變的這種澆筑方式導(dǎo)致距大里程端8～12m范圍相比其他部位有較多的水泥砂漿，粗骨料相對(duì)較少，極限抗拉強(qiáng)度較低，破壞了整片梁的宏觀均勻性，該部位成為全梁混凝土的相對(duì)薄弱部位。隨著混凝土溫度應(yīng)力的增大，當(dāng)溫度應(yīng)力超過該薄弱部位的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂紋將最先在該部位出現(xiàn)，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裂紋發(fā)生部位是一致的（見圖2）。

圖2 T梁混凝土相對(duì)薄弱部位

3 豎向裂縫控制措施

控制溫度裂縫的根本是控制水泥水化熱升溫，減小混凝土內(nèi)外溫差，降低溫度應(yīng)力。調(diào)整減水劑制備方案，緩凝并防止混凝土離析。

3.1 優(yōu)化混凝土配比，降低澆筑溫度

水泥水化熱升溫是導(dǎo)致混凝土裂縫的主要因素，水化熱升溫T可由下式表示：

式中：T（t）為混凝土澆筑完t段時(shí)間，混凝土的絕熱升溫值，℃；C為每立方米混凝土中的水泥用量，kg；Q為水泥的水化熱量，J/kg；c為混凝土的比熱，J/（kg·K）；ρ為混凝土的質(zhì)量密度，kg/m3；e為常數(shù)；m為與水泥品種、澆筑時(shí)的溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；t為混凝土澆筑后至計(jì)算時(shí)的天數(shù)，d。

由上式可知，可通過減少水泥用量、降低混凝土澆筑溫度的方法來降低水化熱升溫。（1）通過反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化配合比，在保證混凝土強(qiáng)度、彈性模量、耐久性等滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，降低水泥用量。（2）對(duì)混凝土原材料采取隔熱、降溫措施，降低混凝土拌和物的出機(jī)溫度。同時(shí)，澆筑現(xiàn)場(chǎng)與拌合站加強(qiáng)溝通，合理安排生產(chǎn)，減少混凝土從出機(jī)到澆筑入模的等待時(shí)間，從而降低混凝土入模溫度。

3.2 根據(jù)水泥成分優(yōu)化減水劑方案

分析Bamburi水泥的礦物成分，根據(jù)其成分重新制定減水劑方案，針對(duì)性地增加緩凝、抗離析、抗泌水組份，增加氣泡結(jié)構(gòu)改性劑。使減水劑與Bamburi水泥相匹配，充分發(fā)揮其功效。最終在緩凝、保坍、減水以及改善混凝土和易性方面均有極大的改善：（1）通過減水劑的緩凝作用，延長(zhǎng)水泥水化反應(yīng)時(shí)間，減慢混凝土的硬化速度，降低水化熱峰值，從而降低混凝土內(nèi)外溫差，減小溫度應(yīng)力。（2）調(diào)整后的外加劑有效改善混凝土的施工性能，抗離析，避免出現(xiàn)粗骨料與水泥砂漿分離的現(xiàn)象。混凝土澆筑順序可繼續(xù)由小里程端向大里程端澆筑推進(jìn)，減少水泥漿積聚、抗拉強(qiáng)度較低的區(qū)域出現(xiàn)的概率，最大限度地保證梁體混凝土的宏觀均勻性。

3.3 加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)

新澆筑混凝土本身所含水分完全可以滿足水泥水化作用所需水分，但是混凝土澆筑完畢后如不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，靠近表面的水分會(huì)因蒸發(fā)而損失過快，不但影響混凝土強(qiáng)度發(fā)展，還會(huì)引起干縮裂縫。一旦出現(xiàn)溫度應(yīng)力升高的情況，干縮裂縫處應(yīng)力集中，有可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展為溫度應(yīng)力裂縫。及時(shí)充分地灑水養(yǎng)護(hù)也有助于降低梁體混凝土溫度?；炷琉B(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵是保水，即保持混凝土濕潤(rùn)，當(dāng)混凝土表面水分蒸發(fā)過快時(shí)就應(yīng)及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，并覆蓋土工布等保水材料。在Mtito Andei這種炎熱、干燥的環(huán)境下更應(yīng)及早開始養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14d。

4 控制成果

通過調(diào)整外加劑方案降低混凝土水化反應(yīng)速度、改善混凝土工作性能、降低混凝土澆筑溫度、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等措施，降低混凝土內(nèi)外溫差，減小溫度應(yīng)力，增加混凝土宏觀均勻性。后期生產(chǎn)的T梁沒有再出現(xiàn)裂紋。對(duì)前期出現(xiàn)裂紋的試制梁全部進(jìn)行靜載試驗(yàn)，既有裂紋未發(fā)展、未出現(xiàn)新的裂紋、實(shí)測(cè)靜活載撓度值滿足規(guī)范要求，梁體質(zhì)量合格。對(duì)既有裂紋進(jìn)行封閉、修補(bǔ)后可繼續(xù)用于架梁施工。

5 結(jié)束語

混凝土溫度應(yīng)力相對(duì)于外部荷載作用下的應(yīng)力分析更加復(fù)雜，它與混凝土構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式、施工過程、材料特性以及環(huán)境氣候特點(diǎn)等都有密切關(guān)系，尤其是不同項(xiàng)目所處環(huán)境不同，溫度應(yīng)力的控制措施亦應(yīng)隨之改變。Mtito制梁場(chǎng)控制梁體裂縫的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于類似熱帶氣候地區(qū)進(jìn)行混凝土作業(yè)具有一定的參考意義。