廣西桂來高速公路武宣連接線黔江特大橋施工早期裂縫防治探析

呂伯厚

（甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

廣西桂平至來賓高速公路武宣連接線黔江特大橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)，該橋橋跨組合為：2×30+106+200+106+9×30m，主橋?yàn)?06+200+106m 預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)。采用整幅單箱單室截面，三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，箱箱寬9.5m，翼板懸臂長4.2m，橋面寬度17.9m，0號(hào)塊箱梁高度13.2m，箱梁端部及跨中高度3.6m。

筆者以此橋建設(shè)施工為例，就主橋連續(xù)剛構(gòu)現(xiàn)澆箱梁腹板可能會(huì)出現(xiàn)的早期裂縫預(yù)防所展開的施工技術(shù)攻關(guān)研究，從原材質(zhì)量、高標(biāo)號(hào)混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工過程中采取的降低水化熱等幾個(gè)方面入手，并進(jìn)行了相關(guān)現(xiàn)場試驗(yàn)，得出了有效減少連續(xù)剛構(gòu)大跨度預(yù)應(yīng)力橋梁現(xiàn)澆箱梁腹板混凝土產(chǎn)生早期裂縫的技術(shù)問題。

2 施工裂縫主要成因

2.1 混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理

混凝土是一種混合材料，其本身具有非勻質(zhì)、多相復(fù)雜性。從微觀結(jié)構(gòu)上分析，混凝土材料結(jié)構(gòu)之間的黏結(jié)力主要是范德華力，這就決定了混凝土材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)所受的拉應(yīng)力超過混凝土材料的抗拉強(qiáng)度極限，混凝土裂縫即出現(xiàn)[1]。

從裂縫發(fā)生的宏觀條件下考慮，自由發(fā)生變形的混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂縫；變形程度小于其自身能抵抗的變形也不會(huì)產(chǎn)生裂縫?；炷亮芽p的產(chǎn)生與其變形量、約束程度與抗拉強(qiáng)度等因素有直接關(guān)系。

2.2 混凝土施工裂縫產(chǎn)生的外在原因

1）混凝土配合比不良。同濟(jì)大學(xué)對混凝土集料與早期收縮量之間的關(guān)系做了一系列的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在用水量相同的條件下，收縮率隨著集灰比（集料與膠凝材料質(zhì)量比）增大而減?。凰冶纫欢〞r(shí)，收縮量隨著漿集比 （水泥漿與集料總體積之比）增大而增大。這個(gè)結(jié)論反映的是可收縮體與不可收縮體之間的關(guān)系。集料比例增加，能夠有效減少混凝土的早期收縮量，但是卻對混凝土的和易性產(chǎn)生較大的影響。而當(dāng)水灰比一定時(shí)，水泥漿量過多會(huì)削弱集料的骨架效應(yīng)，產(chǎn)生較大的收縮量。

優(yōu)秀的配合比設(shè)計(jì)使用優(yōu)良級(jí)配，細(xì)集料能夠填補(bǔ)粗集料之間的間隙，需要較少的水泥漿就能夠?qū)⒋旨?xì)集料握裹形成密實(shí)優(yōu)質(zhì)的混凝土。粗細(xì)集料之間的縫隙較小，能有效抑制水泥石的收縮，最終達(dá)到降低混凝土收縮的目的。另外級(jí)配合理的集料組合也可有效降低混凝土的孔隙率，節(jié)約水泥用量，降低工程成本。

2）水化熱過大。混凝土水化熱主要包含兩部分：混凝土絕熱溫升和混凝土澆筑溫度。對于混凝土絕熱溫升，江正榮在《建筑施工計(jì)算手冊》第十一章有詳細(xì)的介紹。混凝土絕熱溫升的主要影響因素為水泥品種、水泥含量以及澆筑溫度等。因而，控制混凝土水化熱產(chǎn)量的主要途徑為選擇水化熱較小的水泥品種、優(yōu)化混凝土配合比以減少水泥用量和控制混凝土澆筑溫度三方面。

混凝土在水泥硬化過程會(huì)產(chǎn)生大量熱量而不易散發(fā)，箱梁內(nèi)部溫度不斷升高；而表面混凝土在空氣對流、水分蒸發(fā)作用下，溫度上升相對較慢，而與箱梁內(nèi)部形成較高的溫差。在施工過程中拆模過早、未進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)、冬季施工未采取保溫措施等，均會(huì)導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生較大的張力，從而產(chǎn)生混凝土水化熱裂縫[2]。

3）混凝土收縮過大。水泥在水化過程中，吸收水分，體積發(fā)生收縮，而集料的體積不發(fā)生變化。不同材料之間的收縮不同步，同時(shí)受到外在的約束，可能在混凝土的內(nèi)部以及外部產(chǎn)生收縮裂縫。影響混凝土的收縮因素很多，包括水泥品種、等級(jí)、用量、集料粒徑、配筋率、施工質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)方式及齡期等。

3 水化熱實(shí)測

水化熱溫度測試選擇在4#墩14#節(jié)段，預(yù)埋溫度傳感器位置如圖1所示。大氣溫度以及箱梁表面溫度采用測溫槍測量。

圖1 溫度傳感器測點(diǎn)圖以及表面溫度測點(diǎn)圖

3.1 水化熱溫度實(shí)測結(jié)果

水化熱溫度采集從混凝土澆筑后立即進(jìn)行，時(shí)間起點(diǎn)為混凝土從攪拌站出斗時(shí)間計(jì)。前48h測量時(shí)間間隔為2h，48h-72h測量時(shí)間間隔為4h，72h-120h測量時(shí)間間隔為6h[1]。

圖2 混凝土水化熱溫度曲線

由圖2可知，傳感器i2、i3、i4曲線走勢非常相似。最高溫度均在混凝土出倉后30h左右達(dá)到，最高溫度均超過60℃，內(nèi)外溫差均達(dá)到了20℃。而傳感器i1曲線在混凝土出倉后10h左右即達(dá)到最大值，然后溫度以較快的速度降低至與外界氣溫相近。

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)尺寸的最小邊尺寸大于1m的混凝土構(gòu)件，本橋試驗(yàn)段位于全橋1/4跨位置。該試驗(yàn)段腹板厚70cm，底板厚68.2cm，接近大體積混凝土，水泥用量468kg/m3?；炷寥肽囟冗_(dá)到30℃以上。

箱梁頂板i處厚度較薄，橋面通風(fēng)狀況良好，因而水化熱產(chǎn)生內(nèi)外溫差較低。

3.2 水化熱溫度實(shí)測結(jié)論

由試驗(yàn)可知:

1）本工程預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁0號(hào)塊根部截面尺寸接近于大體積混凝土構(gòu)件的最小規(guī)定，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，水泥用量468kg/m3，可導(dǎo)致較高的水化熱；

2）根據(jù)本次溫度實(shí)測，并借鑒湖南大學(xué)汪建群[5]等人的研究結(jié)果，進(jìn)一步印證了大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋混凝土在澆筑后，一般在30h內(nèi)水化熱達(dá)到峰值溫度，在前1-5d將經(jīng)歷較快的升溫和降溫過程，在此期間容易出現(xiàn)較大的內(nèi)外溫差，前4d應(yīng)尤其注意混凝土養(yǎng)護(hù)；

3）參照王金海的研究經(jīng)驗(yàn)[1]，在混凝土拌和時(shí)摻入適量粉煤灰，以替代部分水泥用量，降低混凝土的水化熱。本工程在施工時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)確定摻入了52kg/m3的粉煤灰，有效減少了部分水化熱的產(chǎn)生。

4 施工措施

1）應(yīng)采用合理的配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)參數(shù)、混凝土強(qiáng)度以及和易性等參數(shù)及現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比規(guī)程》，對混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

該橋混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，為了獲得最佳配合比，進(jìn)行了多組試驗(yàn)。在滿足施工和易性、早期施工強(qiáng)度以及水化熱量的要求，最終選擇表1中的第一組作為施工配合比。

表1 混凝土配合比（單位：kg/m3）

2）控制水泥產(chǎn)熱量。根據(jù)混凝土的水化熱絕對溫升計(jì)算公式[3]（1）：

得出：混凝土絕熱溫升與每立方米水泥用量成正比，與每千克水泥水化熱量成正比。因此，必須優(yōu)化混凝土施工配合比設(shè)計(jì)，在確?；炷吝_(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的條件下，盡可能降低水泥用量。采用發(fā)熱量更低的水泥，或者在對早期強(qiáng)度影響不大的條件下添加部分粉煤灰替代水泥，既能達(dá)到降低部分水化熱的目的，也能減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。

3）控制原材料溫度。在混凝土原材料中，水的比熱較大，但是比例較小，僅為6.2%，集料的比熱小，但是質(zhì)量比達(dá)到了70.3%。因而，集料溫度對混凝土澆筑溫度影響最大，水次之，水泥溫度影響最小。特殊情況下必須施工時(shí)，可在現(xiàn)場設(shè)置噴霧機(jī)、采取預(yù)冷卻措施對集料進(jìn)行降溫，以及使用冷卻水進(jìn)行攪拌作業(yè)，從而降低混凝土澆筑溫度?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，在風(fēng)力較小的情況下，這種方法能降低 4～6℃。

4）降低澆筑環(huán)境溫度。選擇合理的混凝土澆筑時(shí)間窗口，對縮小混凝土入模內(nèi)外溫差有著非常重要的作用。比如傍晚到次日早晨。

5 結(jié)論

綜上所述，得出能夠減少和預(yù)防大跨度混凝土腹板早期發(fā)生裂縫的措施為采用科學(xué)合理的施工配合比，減少混凝土中的膠凝體比例是最主要的手段，其次是采取措施降低原材溫度從而降低混凝土的入模溫度，選擇低溫時(shí)間施工也是必不可少的措施。