空心薄壁高橋墩裂縫防治技術(shù)

任 波,王 優(yōu)

(濟(jì)源市公路管理局)

隨著我國(guó)高速公路的發(fā)展,橋梁的跨徑越來(lái)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(dá) 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(duì)如此高度的空心薄壁墩,如何高質(zhì)量完成其建設(shè)任務(wù),避免和減少墩身混凝土裂縫的出現(xiàn),成為設(shè)計(jì)和施工人員所必須考慮的問(wèn)題之一。

1 裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土裂縫問(wèn)題一直是工程界最為關(guān)心的課題之一,因?yàn)樗某霈F(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(duì)空心薄壁高橋墩分析裂縫可能產(chǎn)生的原因,我們進(jìn)行了仔細(xì)研究論證,最終認(rèn)為大致可分為設(shè)計(jì)原因和混凝土自身原因兩大類。

1.1 設(shè)計(jì)原因

依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范按結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度進(jìn)行配筋,其受力裂縫和收縮裂縫多可同時(shí)得到控制;只是受力配筋兼顧收縮配筋,未對(duì)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(guò)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(shè)計(jì),習(xí)慣上注重按承載強(qiáng)度進(jìn)行受力配筋,而對(duì)因溫度、濕度引起的收縮變形問(wèn)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(shí)內(nèi)部水化熱及水化熱溫差梯度較大,而養(yǎng)護(hù)時(shí),內(nèi)部通常采取灌水養(yǎng)護(hù),外壁采用灑水養(yǎng)護(hù),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(jìn)而導(dǎo)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(lái)有：干縮、溫度、施工原因、化學(xué)作用等。國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會(huì)認(rèn)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(shí),應(yīng)當(dāng)考慮水化散熱慢或其他降溫措施;國(guó)家建筑部門認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)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(shí)間;如果墻厚達(dá) 15m,散失 95%的水化熱,則需要 2年時(shí)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(diǎn)建設(shè)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(dá)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(shè)計(jì)

(1)混凝土裂縫分散性很大,難以正確計(jì)算,對(duì)其也缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí),因此在混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)計(jì)中往往是基于對(duì)裂縫機(jī)理分析,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而在配筋構(gòu)造上進(jìn)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(zhǎng) ×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(qiáng)度來(lái)承受荷載的,因此為保證混凝土結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)條件和耐久性,設(shè)計(jì)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(jìn)行充分論證,并結(jié)合分析研究外地類似大橋空心墩設(shè)計(jì)及裂縫產(chǎn)生的原因,而改變以往傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,增加了新的可靠性設(shè)計(jì)元素,為避免或減少混凝土裂縫提供了設(shè)計(jì)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(huì)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(shè)的,但其數(shù)量應(yīng)能保證鋼筋應(yīng)力即使在因混凝土開裂而增大后仍不超越屈服強(qiáng)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(shè)計(jì)中依次在傳統(tǒng)空心墩設(shè)計(jì)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(shí)的鋼筋最大間距,對(duì)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(shè)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(biāo)號(hào)。

在能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí),降低墩身混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào),以減少水泥用量,并與承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)一致,減少溫差收縮不一致引起的內(nèi)部應(yīng)力以及約束應(yīng)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(duì)水化熱有多大影響,還沒(méi)有一個(gè)定量的概念。因此應(yīng)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(dāng)?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(qiáng)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(xì)集料。要求級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒潔凈、細(xì)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(yīng)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(shí)可減少混凝土的干縮性和冷縮性。

④外加劑。合理、科學(xué)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(shí),因此既能提高混凝土的均勻性和密實(shí)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(yīng)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(dá)到降低水化熱的目的,其加入量為0.01%,保證初凝時(shí)間在 2～3h之間,既保證了在澆筑上層混凝土?xí)r,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(yīng)以實(shí)際檢測(cè)值為準(zhǔn),粉煤灰應(yīng)滿足 II級(jí)粉煤灰要求,且應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),其主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)配合比。

粗細(xì)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(yàn)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(duì)混凝土干縮的影響程度顯著大于水泥量和水灰比對(duì)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(jí)配、潔凈程度等因素,因此,骨料級(jí)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(yīng)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào),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(shí),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(shí),外界氣溫為 16～18℃,而混凝土實(shí)際溫度為 12℃,則混凝土澆筑時(shí)溫度會(huì)增加至 16℃。澆筑溫度的增加,導(dǎo)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(yīng)越快,當(dāng)混凝土澆筑氣溫為14℃時(shí),第一個(gè) 24h內(nèi),水泥產(chǎn)生 7d全部水化熱的 43%,澆筑氣溫為 30℃時(shí),在第一個(gè) 24h內(nèi),水泥產(chǎn)生 7d全部水化熱的 62.5%,混凝土達(dá)到最高溫度的時(shí)間縮短了,不利于降低混凝土的最高溫度,因此針對(duì)以上混凝土特點(diǎn),為減少混凝土水化熱,建議采用以下措施來(lái)降低混凝土的澆筑溫度。

(1)調(diào)整混凝土澆筑時(shí)間,避免中午氣溫峰值時(shí)澆筑混凝土,應(yīng)采取夜間施工。

(2)降低骨料溫度,在集料堆上搭設(shè)涼棚,避免太陽(yáng)直射;同時(shí),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(shí),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(cāng),以降低倉(cāng)溫,混凝土澆筑前,同樣用冷水沖淋泵送管道,混凝土澆筑時(shí),在模板外灑水沖淋。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上措施,可在實(shí)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(jī)理和發(fā)生程度還多以定性為主,定量為輔,且設(shè)計(jì)中還有許多經(jīng)驗(yàn)輔助成分,加上施工中各種不確定因素的影響,使得針對(duì)高大空心橋墩的裂縫防治還有許多需要研究的問(wèn)題。

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[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：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(xiàng)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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