徐高辉　黄　铭

摘要:本文分析了桥梁工程大体积混凝土裂缝产生的原因,提出了降低混凝土温度应力、防止混凝土产生裂缝的施工控制措施,以及在构造设计上对大体积混凝土应采取的防裂措施。

关键词:桥粱工程;大体积混凝土;裂缝;原因

1 前言

大型桥梁工程一些悬索桥锚碇、桥梁承台和基础结构采用了很大几何尺寸的设计方案,庞大的混凝土体积达上万立方米。其结构厚实、混凝土体积量大、工程条件复杂、施工技术要求高,以及水泥水化热大易使结构产生温度和收缩变形,出现桥梁大体积混凝土工程质量问题,给工程正常使用和耐久性带来不同程度的危害。本文从设计、施工和质量管理等角度,研究如何保证大体积混凝土结构质量问题。

2 大体积混凝土裂缝产生的原因

大体积混凝土结构通常具有以下特点:混凝土是脆性材料,抗拉强度只有抗压强度的1O左右。大体积混凝土的断面尺寸较大,由于水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升;以及在以后的降温过程中,在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。大体积混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋,或者不配钢筋。因此,拉应力要由混凝土本身来承担。

2.1 荷载引起的裂缝

大体积混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称为荷载裂缝,归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。产生原因有:

2.1.1 对结构进行计算时,计算模型不合理,结构受力假设与实际受力不符,荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误,结构安全系数不够;结构设计未考虑施工的可行性,设计截面不足;钢筋设计偏少或布置错误,结构刚度不够等。

2.1.2 施工时不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图施工、擅自更改结构施工顺序、改变结构受力模式;未对结构作疲劳强度验算等。

2.1.3 在使用阶段,超过设计荷载的重型车辆过桥、车辆撞击、发生大风、大雪、地震、爆炸等。

2.2 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩的性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝的特征主要是表面裂缝的走向一般无规律性。深层或贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行;裂缝宽度大小不一,受温度变化的影响热细冷宽。

2.3 收缩引起的裂缝

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力情况下的这种自发变形,受到外部约束时(支承条件、钢筋等),将在混凝土中产生拉应力,使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥在水化凝固结硬过程中产生的体积变化,后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。

2.4 钢筋锈蚀引起的裂缝

由于大体积混凝土质量较差或保护层厚度不足。混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离,沿钢筋纵向产生裂缝。

2.5 冻胀引起的裂缝

当大气温度低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冰水(结冰温度在-78℃以下)在微观结构中迁移和重分布,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,导致裂缝出现。

3 大体积混凝土施工质量控制措施

3.1 大体积混凝土配合比设计

3.1.1 原材料选用。由于水泥的用量直接影响着水化热的多少及混凝土温生,大体积混凝土应选用水化热较低的水泥,如低热矿渣硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥等,并尽可能减少水泥用量。细骨料宜采用中砂,因为使用中砂比用细砂可减少水及水泥的用量。在可泵送情况下粗骨料,选用粒径5-20mm连续级配石子,以减少混凝土收缩变形。使用掺合料,应用添加粉煤灰技术。在混凝土中掺用的粉煤灰不仅能够节约水泥,降低水化热,增加混凝土和易性,而且能够大幅度提高混凝土后期强度,推移温升峰值出现时间。

3.1.2 外加剂的使用。采用减水剂,试验表明,在混凝土添加了膨胀剂之后混凝土内部产生的膨胀应力,可以抵消一部分混凝土的收缩应力,这样,相应地提高混凝土抗裂强度。

3.2 温控措施及施工现场控制

3.2.1 温度预测分析。根据现场混凝土配合比和施工中的气温气候情况及各种养护方案,采用计算机仿真技术对混凝土施工期温度场和温差进行计算机模拟动态预测,提供结构沿厚度方向的温度分布及随混凝土龄期变化情况,制定混凝土在施工期内不产生温度裂缝的温控标准,进行保温养护优化选择。

3.2.2 混凝土浇筑方案。采用延缓温差梯度和降温梯度的措施,在浇筑前经详细计算安排分块、分层浇筑次序、流向、浇筑厚度、宽度、长度、前后浇筑的搭接时间;控制混凝土入模温度并加强振捣,严格控制振捣时间,移动距离和插入深度,保证振捣密实,严防漏振和过振,确保混凝土均匀密实;做好现场协调、组织管理,要有充足的人力、物力、保证施工按计划顺利进行,保证混凝土供应,确保不留冷缝;浇筑后对大体积混凝土表面较厚的水泥浆进行必要的处理,一般浇筑后3～4h内初步用木长刮尺刮平,初凝前用铁滚筒碾压2遍,再用木抹子搓平压实,以控制表面龟裂;混凝土浇灌完后,立即采取有效的保温措施并按规定覆盖养护。

3.2.3 混凝土温度监测。在混凝土内部、外部设置温度测点,设置保温材料温度测点及养护水温度测点,现场温度监测数据由数据采集仪自动采集并进行整理分析。每一测点的温度值、各测位中心测点与表层测点的温差值,作为研究调整控温措施的依据,防止混凝土出现温度裂缝。

3.2.4 为反映温控效果可在少数混凝土层中埋设应变计进行温度应力检测,应变计沿水平方向布置,检测水平方向应力分量。

3.2.5 通水冷却。采用薄壁钢管在一些混凝土浇筑分层中带没冷却水管,冷却水管使用前进行试水,防止管道漏水和阻塞,根据混凝土内部温度监测,控制冷却水管进水流量及温度。

4 构造设计上对大体积混凝土采取防裂措施

4.1 设计合理的结构形式,可以减少工程数量,减低水化热。如可根据悬索桥锚碇受力特点,设计挖空非关键受力部分混凝土体积,利用土方压重方案,来减少混凝土结构体积。

4.2 充分利用混凝土在基坑有侧限条件,在混凝土中掺加微膨胀剂,使其在基坑约束下形成一定的预压力,补偿混凝土内部温度、收缩产生的拉应力,从而有效的避免混凝土裂缝的产生。

4.3 大体积混凝土体积庞大,施工周期一般较长,依据结构受力情况可合理地确定混凝土评定验收龄期,打破着正常标准28d的评定验收龄期,改为60d或更多天,评定验收龄期充分考虑混凝土的后期强度,从而减低设计标号,达到减少混凝土水泥用量减低水化热的目的。

4.4 由于边界存在约束才会产生温度应力,采用改善边界约束的构造设计,如遇有约束强的岩石类地基、较厚的混凝土垫层等时,可在接触面上设滑动层来减少温度应力。在外约束的接触面上全部设滑动层,则可大大减弱外约束。

4.5 还应重视合理配筋对混凝土结构抗裂的有益作用,可采取增配构造钢筋。配筋应尽可能采用小直径、小间距,全截面含筋率控制在0.3%～0.5%之间。在混凝土表面增设金属扩张网等有效措施,有效地提高混凝土抗裂性能。

5 结束语

虽然大体积混凝土很容易产生裂缝,但是大量的科学研究以及成功的工程实例都表明:只要我们在设计、施工工艺、材料选择以及后期的养护过程中能够充分考虑的各种因素的影响,还是完全可以避免危害结构的裂缝的产生。