橋梁大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因與防治措施

趙秀云

摘要:文章分析了大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因,對在施工中如何采取措施控制混凝土水化熱的影響,有效地防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生,提出了幾點看法。

關(guān)鍵詞:橋梁;大體積混凝土;裂縫;水化熱

1 前言

隨著橋梁技術(shù)的突飛猛進(jìn),大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越多。我國普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)范規(guī)定:混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)外對機(jī)械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對溫度荷載引起得有關(guān)裂縫的研究尚不充分。我們應(yīng)對此加以重視,防止危害結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生。另外對于大體積混凝土內(nèi)溫度應(yīng)力與裂縫控制也多集中在水利工程中的大壩、高層建筑的深基礎(chǔ)底板。而對于橋梁中大體積混凝土的裂縫的研究并未得到足夠的重視。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

2.1 水泥水化熱

水泥水化過程中放出大量的熱,且主要集中在澆筑后的2～5d左右,從而使混凝土內(nèi)部溫度升高……尤其對于大體積混凝土來講,這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因為混凝土內(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)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

2.2 混凝土的收縮

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Φ那闆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(yīng)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3種。在硬化初期主要是水泥水化凝固結(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。

2.3 外界氣溫、濕度變化

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間,外界氣溫的變化對裂縫的產(chǎn)生有著很大的影響?；炷羶?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愈高;如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度下降過快,會造成很大的溫度應(yīng)力,極易引發(fā)混凝土的開裂。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響,外界的濕度降低會加速混凝土的干縮,也會導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

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(shè)計

原材料選用。①水泥:由于水泥的用量直接影響著水化熱的多少及混凝土溫升,大體積混凝土應(yīng)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。②細(xì)骨料:宜采用Ⅱ區(qū)中砂,因為使用中砂可減少水及水泥的用量。③粗骨料:在可泵送情況下,選用粒徑5-20mm連續(xù)級配石子,以減少混凝土收縮變形。④含泥量:在大體積混凝土中,粗細(xì)骨料的含泥量是要害問題,若骨料中含泥量偏多,不僅增加了混凝土的收縮變形,又嚴(yán)重降低了混凝土的抗拉強(qiáng)度,對抗裂的危害性很大。因此,骨料必須現(xiàn)場取樣實測,石子的含泥量控制在1%以內(nèi),砂的含泥量控制在2%以內(nèi)。⑤摻合料:應(yīng)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(qiáng)度,推移溫升峰值出現(xiàn)時間。

減水劑的使用。采用減水劑,如SF一1緩凝高效減水劑;膨脹劑采用廣泛使用的U型膨脹劑,如無水硫鋁酸鈣(C4S)或硫酸鋁(Al2(SO4)),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(yīng)力可以抵消一部分混凝土的收縮應(yīng)力,相應(yīng)地提高混凝土抗裂強(qiáng)度。

3.2 溫控措施及施工現(xiàn)場控制

溫度預(yù)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(hù)方案,采用計算機(jī)仿真技術(shù)對混凝土施工期溫度場及溫差進(jìn)行計算機(jī)模擬動態(tài)預(yù)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(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)優(yōu)化選擇。

混凝土澆筑方案。采用延緩溫差梯度與降溫梯度的措施,在澆筑前經(jīng)詳細(xì)計算安排分塊、分層澆筑次序、流向、澆筑厚度、寬度、長度及前后澆筑的搭接時間;控制混凝土入模溫度并加強(qiáng)振搗,嚴(yán)格控制振搗時間,移動距離和插入深度,保證振搗密實,嚴(yán)防漏振及過振,確?；炷辆鶆蛎軐?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(jìn)行,保證混凝土供應(yīng),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(jìn)行必要的處理(一般澆筑后3～4h內(nèi)初步用水長刮尺刮平,初凝前用鐵滾筒碾壓兩遍,再用木抹子搓平壓實)以控制表面龜裂;混凝土澆灌完及拆模后,立即采取有效的保溫措施并按規(guī)定覆蓋養(yǎng)護(hù)。

混凝土溫度監(jiān)測。在混凝土內(nèi)部及外部設(shè)置溫度測點,并且設(shè)置保溫材料溫度測點及養(yǎng)護(hù)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(jìn)行整理分析,每一測點的溫度值及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。

溫度應(yīng)力檢測。為反映溫控效果可在少數(shù)混凝土層中埋設(shè)應(yīng)變計進(jìn)行溫度應(yīng)力檢測,應(yīng)變計沿水平方向布置,檢測水平向應(yīng)力分量。

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

3.3 構(gòu)造設(shè)計上采取的防裂措施

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

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,使其在基坑約束下成一定的預(yù)壓力,補(bǔ)償混凝土內(nèi)部溫度、收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力,從而有效的避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

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(如懸索橋錨碇受力是逐步參與的,施工期僅承受自重和施工過程產(chǎn)生的次應(yīng)力,此階段受力不足其最終受力的30%),可合理的確定混凝土評定驗收齡期,打破正常標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度,從而減低設(shè)計標(biāo)號,達(dá)到減少混凝土水泥用量,降低水化熱的目的。

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

在設(shè)計構(gòu)造方面還應(yīng)重視合理配筋對混凝土結(jié)構(gòu)抗裂的有益作用?？刹扇≡雠錁?gòu)造鋼筋(配筋應(yīng)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(shè)金屬擴(kuò)張網(wǎng)等有效措施,有效地提高混凝土抗裂性能。

4 大體積混凝土的裂縫檢查與處理

大體積混凝土的裂縫分為3種:表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對于表面裂縫因其對結(jié)構(gòu)力、耐久性和安全基本沒有影響,一般不作處理。對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,一般是在混凝土已充分冷卻后,在裂縫上鋪設(shè)I～2層的鋼筋后再繼續(xù)澆筑新混凝土。對比較嚴(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,對于裂縫寬度小于0.5mm時應(yīng)采取化學(xué)灌漿?；瘜W(xué)灌漿材料一般使用環(huán)氧一糠醛丙酮系等漿材。

5 結(jié)束語

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例都表明:只要我們在設(shè)計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護(hù)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)裂縫的產(chǎn)生。