框架橋溫度裂縫產(chǎn)生因素及機(jī)理分析

金省華，楊青山，蔣勇，楊枚，呂健，史月科

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框架橋溫度裂縫產(chǎn)生因素及機(jī)理分析

金省華1，楊青山2，蔣勇3，楊枚4，呂健1，史月科1

（1.浙江鐵道建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310006；2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 3.浙江地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 杭州 310013；4.杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310006）

為了控制框架橋裂縫的產(chǎn)生，通過(guò)降低入模溫度和采用鋼模替換木模的實(shí)驗(yàn)方法研究了混凝土變形初期溫度對(duì)裂縫的影響。當(dāng)混凝土入模溫度較高并采用木模板澆筑時(shí)，砼在24 h溫度達(dá)到峰值；降低入模溫度且使用鋼模板后，砼的升溫時(shí)間延長(zhǎng)到48 h。該實(shí)驗(yàn)方法延長(zhǎng)了混凝土的升溫時(shí)間，降低了溫度峰值并減小了溫差，有效減少了混凝土所產(chǎn)生的溫度裂縫，達(dá)到了控制裂縫產(chǎn)生的目的。

框架橋；混凝土；溫度裂縫；模板

混凝土產(chǎn)生裂縫由多種因素造成，目前對(duì)于大體積混凝土工程，就混凝土自身而言，其早期裂縫的產(chǎn)生大部分可歸根于溫度變形。當(dāng)溫差較大時(shí)，混凝土內(nèi)部膨脹，外部收縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將混凝土拉裂，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大體積混凝土的澆筑越來(lái)越常見(jiàn)，因此控制混凝土所產(chǎn)生的裂縫也成為研究的熱點(diǎn)。邱炳文[1]針對(duì)扎賚諾爾煤業(yè)公司露天礦箱涵側(cè)墻裂縫產(chǎn)生的原因改進(jìn)了施工方案，加強(qiáng)了對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控管理，消除了裂縫產(chǎn)生的因素。劉俊賢[2]通過(guò)分析厚大體積混凝土施工發(fā)現(xiàn)，如果溫差過(guò)大，超過(guò)25 ℃，就容易出現(xiàn)溫度裂縫。龔劍[3]根據(jù)施工規(guī)范中大體積混凝土裂縫控制的相關(guān)內(nèi)容、編制背景及應(yīng)用提出了其中需注意的若干問(wèn)題。劉京紅[4]結(jié)合中聯(lián)水泥集團(tuán)南陽(yáng)分公司水泥熟料生產(chǎn)線二期工程大體積混凝土的施工，提出在施工中防止大體積混凝土因水泥水化熱引起的溫度差而產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫的措施。孫江民[5]針對(duì)鋼筋混凝土框架箱涵在施工過(guò)程中易產(chǎn)生裂縫的問(wèn)題，分析探討了影響裂縫產(chǎn)生及開(kāi)展的各種因素。王軍[6]通過(guò)測(cè)試混凝土試件在其養(yǎng)護(hù)期間對(duì)試件施加不同等級(jí)壓應(yīng)力，計(jì)算損傷變量，并與自然養(yǎng)護(hù)下混凝土試件的力學(xué)性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)期間受到不同等級(jí)的壓應(yīng)力作用對(duì)混凝土28 d的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土裂縫研究主要為混凝土的材料[7]及混凝土內(nèi)部鋼筋對(duì)抗裂性能的改變[8]，對(duì)于降低混凝土澆筑時(shí)的入模溫度和混凝土模板的替換的現(xiàn)場(chǎng)研究較少。

對(duì)此，本文進(jìn)行了相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，給出了在降低入模溫度后混凝土升溫隨時(shí)間的變化圖，分析了降低混凝土入模溫度后材料的熱量減少值，同時(shí)也得出了模板替換后溫度峰值的變化規(guī)律，擬合了相應(yīng)的公式，希望能為之后類似工程提供依據(jù)。

1 工程概況

寧波市環(huán)城南路、東外環(huán)輔道鐵路立交工程在邱隘站北侖聯(lián)絡(luò)線K158+458.72、北環(huán)鐵路下行線KBH29+367.58處新建四孔（6.5+8.5+8.5+6.5）m框架，箱身順道路方向長(zhǎng)33.5 m，BC箱身北側(cè)為3 m連體U槽，頂進(jìn)后現(xiàn)澆12.5 m。結(jié)構(gòu)外高為7.45 m。8.5 m框架內(nèi)布設(shè)機(jī)動(dòng)車道，通行凈高不小于4.5 m，邊控框架內(nèi)布設(shè)非機(jī)動(dòng)車道、人行道，同行凈高不小于2.5 m。其中8.5 m箱身頂板后65 cm，底板厚70 cm，側(cè)墻厚70 cm，上倒角120 cm×40 cm，下倒角為20 cm×20 cm；凈高6.1 m。本次試驗(yàn)C箱涵采用木模板澆筑，B箱涵采用鋼模板澆筑，具體要求如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

編號(hào)箱身名稱箱身結(jié)構(gòu)箱身斜長(zhǎng)/m連體U槽斜長(zhǎng)/m 1頂進(jìn)箱身B1～8.5 m30.53 2頂進(jìn)箱身C1～8.5 m30.53

采用THTZ3208R的全量程溫度傳感儀，設(shè)定測(cè)量時(shí)間為300 s一次。溫度探頭選用CU50?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通過(guò)將溫度探頭與鋼筋捆綁布設(shè)在鋼筋籠內(nèi)，布設(shè)位置在洞口1/4截面和1/2截面。用鋼絲將線路綁扎好后從頂板位置引出，最后將線路引至儀器處連接。

2 配合比熱量對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)B、C箱涵采用的澆筑配合比相似，但澆筑后產(chǎn)生的裂縫差距較大。通過(guò)配合比熱量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)澆筑初期所含熱量差距較大，對(duì)混凝土的升溫時(shí)間有較大影響。B、C箱涵墻身及頂板混凝土施工配合比分別如表2和表3所示。B、C箱涵墻身及頂板混凝土熱量統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果分別如表4、表5所示。C箱涵在澆筑時(shí)環(huán)境溫度在20 ℃左右，所以將材料溫度控制在20 ℃。而在澆筑B箱涵時(shí)周圍環(huán)境溫度降低到13 ℃左右，所以材料溫度定為13 ℃。

表2 B箱涵墻身及頂板混凝土施工配合比

名稱水泥摻合料Ι摻合料Π細(xì)集料粗集料水外加劑Ι 品種規(guī)格P.0 42.5 MPa粉煤灰Π級(jí)/河沙Π區(qū)中沙5～31.5 mm自來(lái)水高效減水劑 用量/（kg/m3）40694 6741 0481416.81

表3 C箱涵墻身及頂板混凝土施工配合比

名稱水泥摻合料Ι摻合料Π細(xì)集料粗集料水外加劑Ι 品種規(guī)格P.0 42.5 MPa粉煤灰Π級(jí)/河沙Π區(qū)中沙5～31.5 mm自來(lái)水高效減水劑 用量/（kg/m3）40694 6781 0481376.81

表4 B箱涵墻身及頂板混凝土熱量統(tǒng)計(jì)計(jì)算表

材料名稱質(zhì)量/kg質(zhì)量熱容C/（kJ/（kg*K））熱當(dāng)量W*C（kJ/℃）材料溫度Ti/℃熱量Ti*W*C/kJ 水泥4060.54219.24132 850.12 中砂6740.72485.28136 308.64 碎石1 0480.71744.08139 673.04 水1414.2592.2137 698.6 高效減水劑6.814.228.60213371.826 粉煤灰940.8478.96131 026.48 合計(jì)2 369.81 2 148.362 27 928.706

表5 C箱涵墻身及頂板混凝土熱量統(tǒng)計(jì)計(jì)算表

材料名稱質(zhì)量/kg質(zhì)量熱容C/（kJ/（kg*K））熱當(dāng)量W*C（kJ/℃）材料溫度Ti/℃熱量Ti*W*C/kJ 水泥4060.54219.24204 384.8 中砂6780.72488.16209 763.2 碎石1 0480.71744.082014 881.6 水1374.2575.42011 508 高效減水劑6.814.228.60220572.04 粉煤灰940.8478.96201 579.2 合計(jì)2 369.81 2 134.442 42 688.84

從B、C箱涵熱量統(tǒng)計(jì)表來(lái)看施工單位采用的材料總質(zhì)量并沒(méi)有改變，但隨著材料溫度的下降，總熱量減小了將近一半。發(fā)現(xiàn)隨著材料溫度的下降，總熱量降低，入模溫度減小，混凝土內(nèi)部熱量的上升將會(huì)大幅度減小。

這一情況我們選取B、C箱涵同一截面的測(cè)點(diǎn)就可以更為清楚地發(fā)現(xiàn)。B、C箱涵1/4截面頂板拐角溫度分別如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出，在降低入模溫度后，溫度從C箱涵的24 h達(dá)到峰值延長(zhǎng)到了B箱涵的48 h達(dá)到峰值。C箱涵曲線斜率接近tan80°，B箱涵為tan45°。升溫的速率的變緩，升溫時(shí)間的延長(zhǎng)，使混凝土凝結(jié)硬化產(chǎn)生的水化熱有效釋放，進(jìn)而有效減少了混凝土裂縫的產(chǎn)生，因此降低混凝土的入模溫度是非常有必要的。

3 在采用木模與鋼模后箱涵腹板溫度變化

從圖1、圖2中發(fā)現(xiàn)，在C箱涵側(cè)板頂板澆筑完成后24 h，最高溫度上升達(dá)到峰值58.7 ℃。B箱涵側(cè)板頂板澆筑完成后48 h左右，最高溫度上升達(dá)到峰值44 ℃。當(dāng)C采用木模板澆筑后，由于木模具有保溫作用，溫度在很短的時(shí)間迅速上升達(dá)到峰值，且最高溫較大，之后溫度下降，降溫趨勢(shì)平緩。B采用鋼模，鋼模具有較好的散熱性能，在升溫的同時(shí)，有效地將水化熱釋放，降低了溫度峰值，并減小了溫差，以達(dá)到對(duì)裂縫控制的目的。

B、C箱涵1/4截面頂板拐角溫差分別如圖3、圖4所示。

圖1 B箱涵1/4截面頂板拐角溫度圖

圖2 C箱涵1/4截面頂板拐角溫度圖

圖3 B箱涵1/4截面頂板拐角溫差圖

圖4 C箱涵1/4截面頂板拐角溫差圖

從圖3、圖4看出C箱涵中外溫差達(dá)到了26 ℃，這是由于C箱涵采用竹膠板進(jìn)行澆筑，由于竹膠板的保溫作用，溫度不易釋放，使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的水化熱熱量積累，達(dá)到較高溫度峰值，之后下降趨勢(shì)緩慢，在第6天溫差降至10 ℃以內(nèi)。中內(nèi)溫差較低，澆筑24 h后達(dá)到最大溫差8 ℃。在第3天時(shí)降到0 ℃后又出現(xiàn)了增長(zhǎng)，是因?yàn)槎磧?nèi)蒸汽養(yǎng)護(hù)提升了側(cè)板內(nèi)側(cè)溫度，造成溫差的負(fù)增長(zhǎng)。而B(niǎo)箱涵采用鋼模板后中外最大溫差降低到6 ℃，在144 h溫差降低到3 ℃以內(nèi)。溫差的下降趨勢(shì)較C涵快，且隨環(huán)境溫度變化波動(dòng)明顯。因此使用鋼模易控制混凝土內(nèi)外溫度，控制溫差，從而達(dá)到控制裂縫的目的。

箱涵內(nèi)外側(cè)混凝土收縮，膨脹趨勢(shì)并不相同，靠近涵洞內(nèi)側(cè)混凝土膨脹趨勢(shì)較大，在撤去養(yǎng)護(hù)后涵洞內(nèi)溫度驟然下降達(dá)到環(huán)境溫度，使得混凝土外表面溫度下降，混凝土收縮，內(nèi)側(cè)膨脹外表面收縮使得混凝土由內(nèi)向外被拉裂。

4 結(jié)論

根據(jù)溫度儀測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在降低入模溫度后，混凝土升溫區(qū)間從0～24 h，延長(zhǎng)到0～48 h。升溫時(shí)間的延長(zhǎng)有利于混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力的釋放。從而減少混凝土溫度裂縫產(chǎn)生。鋼模板替換木模板后，混凝土溫度峰值降低，且內(nèi)外溫差減小，能有效地控制裂縫的產(chǎn)生。在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，確保其內(nèi)外同條件養(yǎng)護(hù)且同時(shí)拆模，避免由于溫度偏移造成溫差過(guò)大而產(chǎn)生的裂縫。

［1］邱炳文.鋼筋混凝土箱涵施工裂縫的分析與控制［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2010（04）：116-117.

［2］劉俊賢.大體積混凝土施工控制措施［J］.施工技術(shù)，2007（Suppl 1）：110-112.

［3］龔劍，李宏偉.大體積混凝土施工中的裂縫控制［J］.施工技術(shù)，2012，41（06）：28-32.

［4］劉京紅，梁鉦，劉曉華，等.大體積混凝土施工中的溫度監(jiān)測(cè)及裂縫控制［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（02）：106-109.

［5］孫江民，徐愛(ài)軍.鋼筋混凝土框架箱涵施工裂縫的分析與控制［J］.四川建筑，2005（02）：124-126.

［6］王軍，柏云，李忠梅，等.養(yǎng)護(hù)期間持續(xù)增加壓應(yīng)力作用的混凝土力學(xué)性能［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（22）：6621-6624.

［7］張文博，毛明杰，楊秋寧，等.粉煤灰混凝土的單軸抗拉彈性模量［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2015，15（09）：225-229.

［8］安新正，張亞飛，牛薇，等.鋼筋再生混凝土梁抗裂性能試驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（36）：251-255.

2095－6835（2019）07－0063－03

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.063

〔編輯：王霞〕