公路桥梁混凝土的裂缝预防措施的的思考
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摘要:随着我国经济的发展，公路基础建设的迅速发展，桥梁建设中大体积混凝土应用越来越多，混凝土在现代桥梁工程建设中已经占据了非常重要的地位，本文根据笔者多年施工经验，根据案例对商洛市某高速公路施工过程中的实际经验及同行意见的总结,论述了工程中大体积混凝土温度裂缝产生的原因,分析了温度应力的形成过程,提出了预防裂缝的措施,以防止裂缝的产生。
关键词:混凝土,温度,裂缝,控制
1概述
商洛某高速公路连接线工程全长3.015km,双向4车道,分为主线高架桥及立交部分。主线高架桥具有“独柱、高墩、宽臂、薄箱”的特点,结构新颖,国内领先;立交建成后将是商洛市较大的互通立交。工程主线段高架桥全部采用双向预应力现浇梁,混凝土强度等级为C50,采用泵送施工,要求坍落度为12cm～16cm。考虑到强度等级高,体积大,箱内散热不良会引起升温,导致出现结构性裂缝等问题。为保证工程质量,经组织专家讨论分析,结合已有经验,提出混凝土强度在早期不能发展太快,入模温度不超过32℃,相应出厂温度不超过30℃。
在大体积混凝土中,对温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因:1)在施工中混凝土常常出现温度裂缝,影响到结构的整体性和耐久性。2)在运转过程中,温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。工程中遇到的主要是施工中的温度裂缝,因此文中仅对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做总结探讨。
2裂缝的原因
混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格(如碱骨料反应),模板变形,基础不均匀沉降等。
混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或旧混凝土(分多次浇筑的混凝土)的约束,又会在混凝土内部出现拉应力,气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束,也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料,抗拉强度是抗压强度的1/10左右,短期加荷时的极限拉伸变形只有(0.6～1.0)×104,长期加荷时的极限拉伸变形也只有(1.2～2.0)×104,由于原材料不均匀,水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低、易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位如果结构内出现了拉应力,则需依靠混凝土自身承担。在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力,有时温度应力可超过其他外荷载所引起的应力。
3温度应力的分析
温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:1)早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30d。这个阶段的两个特征:a.水泥放出大量的水化热;b.混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。2)中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期中,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。3)晚期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起的,这些应力与前两种的残余应力相叠加。
根据温度应力引起的原因可将其分为两类:1)自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。如桥梁墩身结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。2)约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土,这两种温度应力往往和混凝土干缩所引起的应力共同作用。
4温度的控制和防止裂缝的措施
为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施如下:
1)采用改善骨料级配、降低水灰比、掺加混合料、掺加外加剂等方法减少水泥用量。本项目采用添加粉煤灰、外加剂(珠海红墙GSP2缓凝型高效减水剂)的方法减少水泥用量。其配合比及试验结果见表1,表2。
2)控制水泥的出厂温度,混凝土用料及拌合站采用遮阴防晒,并在砂石料堆上洒水降温;拌和混凝土时在拌合水中加碎冰作为拌合水的一部分(具体在3)中介绍)。采用这些措施,较好地降低了混凝土的出厂温度,计算方法如下。
混凝土出机温度计算: (1)
其中,TO为混凝土出机温度, 为第i种材料的平均进料温度, 为第i种材料的重量, 为第i种材料的比热,kcal/kg•G;Gc为每m3混凝土加冰水的重量,kg;η为冰的冷量利用率,一般取0.9;80为冰的融化潜热,kcal/kg;Q为混凝土拌制过程中的附加热(包括机械热和环境交换热),kcal/m3。由式(1)可以看出影响混凝土出机温度的主要材料除加冰量Gc外,应为Gi,Ci的乘积。
关于Q值的确定,其包含了搅拌机械热和环境交换热,由于搅拌机非绝热环境,必然有热交换,所以孤立的搅拌机械热和环境交换热定量测定是困难的,而综合考虑为附加热则可通过进、出物料温度代入(1)式求出。试验表明,Q值受环境温度影响较大。3)在实际施工中,由于当时处于7月～9月,商洛地区正处于高温天气,大部分时间气温高达35℃以上,砂、石的含水率分别取5%和1.5%。取Q=2000kcal/m3代入(1)式得需加碎冰75.51kg/m3。根据经验,加冰量一般不宜大于60kg/m3,否则由于搅拌用水量太少,混凝土出机坍落度将难以保证,唯有尽量减少碎冰粒径和延长搅拌时间,使冰在搅拌时间内融为水,这又影响生产速度,无法满足泵送施工的需求;加冰量太大,碎冰的制备、存储、添加及计量都有很大困难,也无法形成大批量生产。
根据理论计算及实际经验,如果较好地控制原材料的温度,则只需使用冰水系统就可以达到混凝土温度控制的目的。如水泥90℃,粉煤灰40℃,砂、石、外加剂20℃,砂、石含水率分别取5%和1.5%, Q取1500kcal/m3,则只需10℃冰水,出机温度就可降到29.6℃。由此不难看出,碎冰和冰水制备双系统在技术、经济和效率上都具有较大的优势。
4)尽量安排在晚上施工,浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热,达到有效降低混凝土温度。
5)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温。
6)充分做好施工准备工作,所有前期工作必须检查合格并通过验收,混凝土泵车布置到位,提前调试好;安排好混凝土运输车的路线,并派交通协调员到路线上进行交通协调组织,尽量减少运输、候卸、卸料的时间。
7)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度。
8)混凝土的早期养护。主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩;另一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。
5结语
本文主要分析了对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系的理论和实践上的初步探讨，混凝土的施工温度与裂缝之间有着密切关系。目前,同行对于具体的预防和改善措施基本上大同小异,同时在实践中的应用效果也是比较好的。但具体施工中要结合多种预防处理措施，多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,混凝土的裂缝是可以控制的。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看