900 t鐵路預(yù)制箱梁混凝土裂縫控制技術(shù)

何志軍，郭萬(wàn)中

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 400042）

0 引言

京滬高鐵是我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路規(guī)劃網(wǎng)》中“四縱四橫”客運(yùn)專線的南北向主骨架之一，正線運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度1308.598 km，設(shè)計(jì)最高行駛速度380 km/h，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命100 a，是中國(guó)第一條真正意義上的高速鐵路。它的建設(shè)對(duì)形成具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速鐵路技術(shù)體系，促進(jìn)我國(guó)鐵路裝備工業(yè)的振興，優(yōu)化調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)起到龍頭作用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

某梁場(chǎng)共制造747孔雙線簡(jiǎn)支箱梁，其中32m標(biāo)準(zhǔn)箱梁694孔，24m標(biāo)準(zhǔn)箱梁53孔。單孔箱梁斷面設(shè)計(jì)為單箱單室等高截面，梁端頂板、底板及腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚型式，32m梁全長(zhǎng)32.6m，頂寬12.0m，底寬5.5m，腹板、底板、頂板最大厚度為1.05m、0.7m、0.61m，梁體截面中心高3.05m，梁重達(dá)836.8 t。梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C50高性能混凝土，耐久性指標(biāo)要求高[1]。為了充分發(fā)揮箱梁混凝土抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土的抗裂性并滿足抗?jié)B性、抗凍性要求，必須消除箱梁混凝土表面的裂縫，尤其是箱梁梁端頭、頂面和預(yù)留孔周圍混凝土表面裂縫[2]。

1 裂縫成因

預(yù)制箱梁混凝土表面出現(xiàn)裂縫情況從設(shè)計(jì)缺陷、混凝土原材料、混凝土配合比、澆筑工藝、施工溫度、濕度、張拉工藝、臺(tái)座沉降等方面進(jìn)行剖析，繪制出因果分析圖見(jiàn)圖1。

根據(jù)因果分析圖，通過(guò)調(diào)查分析，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為預(yù)制箱梁端頭、頂面和預(yù)留孔周圍混凝土表面裂縫主要原因如下。

1.1 設(shè)計(jì)缺陷

箱梁端頭鋼筋布置不合理，保護(hù)層過(guò)大，預(yù)留孔處沒(méi)有加強(qiáng)鋼筋，應(yīng)力過(guò)分集中。

1.2 混凝土原材料

1.2.1 水泥

水泥安定性不良，水泥中f-CaO超標(biāo)。超量的f-CaO與水泥漿體中的Ca（OH）2發(fā)生急劇反應(yīng)，生成鈣礬石等礦物，體積成倍增長(zhǎng)，向外擴(kuò)張，產(chǎn)生裂縫；這就是常說(shuō)的水泥安定性不良引起的破壞作用[3]。水泥熟料中的C3A收縮為C3S和C2S收縮的3倍，為C4AF收縮的4.5倍，C3A含量越大水泥的收縮越大；比表面積越大（細(xì)度越細(xì)），同等條件下，混凝土自收縮越大，單位體積混凝土產(chǎn)生的水化熱較大，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大；水泥中K2O和Na2O等堿含量過(guò)高，會(huì)發(fā)生堿-骨料反應(yīng)，使混凝土急劇膨脹而開(kāi)裂。

1.2.2 骨料

砂、石料中含泥量或含粉量過(guò)大，大大降低水泥漿與骨料間的黏結(jié)力，易產(chǎn)生收縮裂縫；骨料級(jí)配過(guò)差，影響混凝土內(nèi)膠結(jié)力[3]。骨料若為活性骨料，極易產(chǎn)生堿-骨料反應(yīng)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。骨料彈性模量過(guò)大，導(dǎo)致混凝土彈性模量較大，同等條件下溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就較大。

1.2.3 摻和料

粉煤灰摻量和礦粉細(xì)度，礦粉越細(xì)，活性越高，水化收縮量和自收縮量越大，混凝土越易出現(xiàn)裂縫[3]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：低水膠比混凝土的自收縮隨著粉煤灰摻量的增加而減小。

1.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比水膠比越小，在同等條件下混凝土越密實(shí)，其內(nèi)部水分遷移較困難，在外界無(wú)水分補(bǔ)充時(shí)，內(nèi)部相對(duì)濕度降低較快，則自收縮較顯著，易出現(xiàn)裂縫。同等條件下，單位體積混凝土中膠凝材料用量大，則硬化后的收縮和徐變就越大。單位體積混凝土中堿含量不能過(guò)大，否則易發(fā)生堿-骨料反應(yīng)產(chǎn)生裂縫。

1.4 混凝土施工工藝

1）澆筑頂板時(shí)，人、機(jī)械和施工工具承壓頂板鋼筋，使上層鋼筋變形下沉，致受負(fù)彎矩的鋼筋保護(hù)層加厚，構(gòu)件有效高度減小，產(chǎn)生與受力鋼筋垂直方向的裂縫。

2）混凝土振搗不密實(shí)，不均勻，出現(xiàn)的麻面、蜂窩等缺陷極易形成荷載裂縫的起源點(diǎn)。

3）混凝土流動(dòng)性較低，澆筑過(guò)快，在水泥漿硬化前振搗不足，硬化后沉實(shí)過(guò)大，在澆筑后產(chǎn)生塑性裂縫。

4）混凝土分層或分段澆筑時(shí)，接頭部位處理不好，在新舊混凝土或施工縫間產(chǎn)生裂縫。

5）施工模板剛度太小，在澆筑混凝土?xí)r，因側(cè)壓力作用使模板變形，產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。

1.5 施工溫度和濕度

1）澆筑混凝土?xí)r，環(huán)境溫度過(guò)高導(dǎo)致模板、鋼筋溫度升高，混凝土入模聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，造成混凝土內(nèi)部溫度急劇升高，而混凝土表面散熱較快，溫度相對(duì)較低，這樣就形成較大的內(nèi)外溫差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉引力，此時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度較低，溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫。

C50混凝土熱膨脹系數(shù)為10×10-6/℃，若混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)15℃，則溫差引起的收縮量為150×10-6，實(shí)測(cè)C50混凝土彈性模量為45 GPa，則溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力為6.75MPa，超過(guò)C50混凝土自身的極限拉應(yīng)力6.25MPa，混凝土表面產(chǎn)生裂縫[4]。

2）混凝土養(yǎng)護(hù)溫度、濕度不足，表面失水速度超過(guò)內(nèi)部水向表面遷移的速度，造成毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié){體發(fā)生塑性收縮而引起表面裂縫。

3）混凝土養(yǎng)護(hù)停止后，在不飽和的空氣中混凝土失去內(nèi)部毛細(xì)孔的吸附水而發(fā)生不可逆收縮，隨著相對(duì)濕度的降低，水泥漿體的干縮增大，經(jīng)計(jì)算完全干燥的水泥漿體收縮量為4000×10-6，實(shí)測(cè)C50混凝土彈性模量為45 GPa，則溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力為180MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)C50混凝土自身的極限拉應(yīng)力6.25MPa，混凝土表面產(chǎn)生裂縫[4]。

1.6 張拉工藝

預(yù)應(yīng)力箱梁張拉時(shí)間過(guò)晚，由于箱梁自重較大，自重分配不均，易產(chǎn)生表面裂縫。

1.7 臺(tái)座沉降

制梁臺(tái)座或存梁臺(tái)座產(chǎn)生不均沉降，使箱梁局部混凝土受拉過(guò)大產(chǎn)生表面裂縫。

2 預(yù)防措施

2.1 對(duì)“設(shè)計(jì)缺陷”采取的預(yù)防措施

1）將設(shè)計(jì)圖紙中的N1鋼筋保護(hù)層由原來(lái)5mm縮小為3.5mm，即將端部5根橫向鋼筋間距由設(shè)計(jì)100mm調(diào)整為80mm，鋼筋間距變小，增大端頭混凝土的抗裂性，具體調(diào)整距離見(jiàn)圖2。

圖2 調(diào)整前后的端頭鋼筋分布圖（單位：mm）

2）在通風(fēng)孔等預(yù)留孔處增設(shè)2層斜置的由φ12制作成型的井字型加強(qiáng)鋼筋，安裝時(shí)距上下層骨架面為150 mm，并與預(yù)留孔處的豎向鋼筋牢固綁扎在一起，起到分散預(yù)留孔處的應(yīng)力集中，具體分布見(jiàn)圖3。

圖3 斜置井字型鋼筋網(wǎng)片布置圖（單位：mm）

3）頂板鋼筋下面架立筋數(shù)量由4個(gè)/m2調(diào)整為5個(gè)/m2，減小上層鋼筋變形，使承受負(fù)彎矩的鋼筋保護(hù)層變小，維持設(shè)計(jì)構(gòu)件有效高度不變。

2.2 對(duì)“混凝土原材料質(zhì)量”采取如下預(yù)防措施

2.2.1 水泥

水泥比表面積必須在300～350m2/kg之間，安定性必須合格，f-CaO含量必須小于1.0%，熟料中的C3A含量小于8.0%，堿含量小于0.6%。其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.2.2 骨料

黃砂細(xì)度模數(shù)2.6～3.0之間，級(jí)配區(qū)為Ⅱ區(qū)，含泥量小于2%，泥塊含量小于0.1%，堿含量低不足以發(fā)生堿-碳酸鹽反應(yīng)。

碎石采用二級(jí)級(jí)配，5～10mm和10～20mm兩種規(guī)格，含泥量小于0.5%，泥塊含量小于0.1%，堿含量低不足以發(fā)生堿-碳酸鹽反應(yīng)，碎石彈性模量不能超過(guò)80GPa。見(jiàn)表1。

2.2.3 摻和料

粉煤灰摻量小于30%，礦粉比表面積400～500 m2/kg。見(jiàn)表1。

表1 混凝土原材料技術(shù)指標(biāo)

2.3 對(duì)“混凝土配合比設(shè)計(jì)”采取的預(yù)防措施

1）C50高性能混凝土水膠比最小不低于0.2。

2）混凝土中膠凝材料用量小于500 kg/m3，大于320 kg/m3。

3）單位體積混凝土中堿含量小于3.0 kg/m3。

4）C50高性能混凝土試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。

表2 預(yù)制箱梁混凝土配合比

2.4 對(duì)“混凝土施工工藝”采取的預(yù)防措施

1）底腹板混凝土澆筑速度控制在60m3/h，派1人專門負(fù)責(zé)箱梁端部、預(yù)留孔周圍混凝土的振搗，每一振點(diǎn)振搗延續(xù)時(shí)間為25 s左右，直到混凝土不再沉落和表面呈現(xiàn)浮漿為止。

2）混凝土分層或分段灌注時(shí)，其搭接長(zhǎng)度必須大于2 m。后澆混凝土必須在先澆混凝土初凝前進(jìn)行覆蓋或重疊，振搗棒應(yīng)插入下層混凝土中80mm左右進(jìn)行作業(yè)。

3）在考慮2臺(tái)收面機(jī)行走工況下，經(jīng)驗(yàn)算側(cè)模剛度，發(fā)現(xiàn)側(cè)模剛度不足，每5m使用 [10以托架形式進(jìn)行加強(qiáng)。

4）施壓同條件養(yǎng)護(hù)試塊，當(dāng)其強(qiáng)度值大于30MPa以上時(shí)拆除內(nèi)模和端模。

2.5 對(duì)“施工溫度和濕度”采取的預(yù)防措施

1）灌筑混凝土前必須在鋼筋內(nèi)埋設(shè)測(cè)溫傳感器，以隨時(shí)觀察記錄箱梁混凝土內(nèi)外各部位的溫度值。以防局部溫差過(guò)高造成溫度裂縫。測(cè)溫點(diǎn)布置如圖4。

圖4 預(yù)制箱梁混凝土測(cè)溫點(diǎn)分布圖

2）混凝土澆筑采取降溫（夏季）或升溫（冬期）措施，保證混凝土入模時(shí)模板溫度在5～35℃之間，混凝土拌合物入模溫度在5～30℃之間。

3）混凝土自然養(yǎng)護(hù)期間，當(dāng)環(huán)境溫度高于5℃，使用噴霧器對(duì)箱梁內(nèi)外腹板噴水貼膜養(yǎng)護(hù)，箱內(nèi)蓄水保濕養(yǎng)護(hù)，箱梁頂面灑水后使用土工布和薄膜覆蓋，箱梁外底面噴灑養(yǎng)護(hù)劑，灑水頻率以保證混凝土養(yǎng)護(hù)期間一直處于潮濕狀態(tài)為準(zhǔn)。當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，箱梁表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑，使用保溫帆布包裹梁體，禁止對(duì)混凝土灑水。

4）冬期施工必須采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。混凝土澆筑完4h后蒸汽開(kāi)始升溫，升溫速度控制在10℃/h以內(nèi)，恒溫階段蒸汽溫度不能大于45℃，并且混凝土芯部溫度（兩端頭1.5m處的混凝土溫度）不能超過(guò)60℃，恒溫階段蒸養(yǎng)棚內(nèi)須保持90%～100%的相對(duì)濕度，降溫階段降溫速度控制10℃/h以內(nèi)。經(jīng)試壓試塊，混凝土強(qiáng)度達(dá)到30MPa時(shí)停止通蒸汽，等混凝土自然冷卻后拆除蒸養(yǎng)棚，進(jìn)入自然養(yǎng)護(hù)階段。

5）在養(yǎng)護(hù)期間（自然養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)）或撤除保溫設(shè)施，保證混凝土芯部和表層、表層與環(huán)境、箱內(nèi)與箱外溫差小于15℃。當(dāng)環(huán)境溫度5℃≤T＜10℃時(shí)，相對(duì)濕度小于60%，自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于21 d。當(dāng)環(huán)境溫度10℃≤T＜20℃，相對(duì)濕度大于60%，自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于14 d。當(dāng)環(huán)境溫度20℃≤T時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于7 d。在任意養(yǎng)護(hù)時(shí)間，若淋注于混凝土表面的養(yǎng)護(hù)水溫度低于混凝土表面溫度，兩者溫差不得大于15℃。

6）混凝土在冬期或炎熱季節(jié)拆模后，若氣溫產(chǎn)生驟然變化時(shí)，采取適當(dāng)?shù)谋兀ê荆┗蚋魺幔ㄏ募荆┐胧乐够炷廉a(chǎn)生過(guò)大的溫差應(yīng)力。

2.6 對(duì)“張拉工藝”采取的預(yù)防措施

1）箱梁預(yù)應(yīng)力張拉必須分3次進(jìn)行，即預(yù)張拉（混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%）、初張拉（混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%）、終張拉（混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%，且混凝土齡期大于 10 d）。

2）預(yù)張拉施工時(shí)必須帶模張拉（拆除端模，松開(kāi)內(nèi)模螺栓，防止對(duì)梁體壓縮造成阻礙），并且在制梁臺(tái)座上盡早進(jìn)行。

2.7 對(duì)“臺(tái)座不均勻沉降”采取的預(yù)防措施

1）在每個(gè)制梁臺(tái)座上設(shè)置10個(gè)永久性沉降觀測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖5、圖6所示。

圖5 32m箱梁臺(tái)座沉降觀測(cè)點(diǎn)分布平面圖

圖6 32m箱梁臺(tái)座沉降觀測(cè)點(diǎn)斷面圖

2）指派測(cè)量組專人負(fù)責(zé)每個(gè)臺(tái)座沉降觀測(cè)工作。按混凝土澆筑前、后，終張拉前、后及移梁后5個(gè)階段進(jìn)行觀測(cè)記錄，若發(fā)現(xiàn)任一階段臺(tái)座不均勻沉降且超過(guò)2mm，將采取措施進(jìn)行基礎(chǔ)加固。

3 結(jié)語(yǔ)

采取上述預(yù)防措施后，有效控制了預(yù)制箱梁端頭、預(yù)留孔周圍及箱梁頂面混凝土表面裂縫，補(bǔ)充優(yōu)化了箱梁預(yù)制方案和工藝，節(jié)約了裂縫處理成本，受到業(yè)主、監(jiān)理及其它梁場(chǎng)高度評(píng)價(jià)，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。

[1] 通橋（2008）2322A，時(shí)速350公里客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁（雙線）[S].

[2] [2004]120號(hào)，客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件[S].

[3] ［2005］160號(hào)，鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 吳中偉.高性能混凝土技術(shù)[M].北京：中國(guó)科技出版社，2007.