浅析桥梁大体积混凝土结构施工裂缝的控制

浅析桥梁大体积混凝土结构施工裂缝的控制

摘要: 针对桥梁大体积混凝土施工裂缝，分析了大体积混凝土构件裂缝的形式、发展趋势,分析了影响裂缝的发展因素,针对裂缝形成的原因,从材料选用、配合比控制、辅助温控措施和施工工艺等方面,具体提出了综合控制裂缝的措施。

关键词: 桥梁；大体积混凝土；构件；裂缝成因；施工技术；裂缝控制

大型混凝土构件在土木工程结构中采用的越来越多，某桥承台长36.2 m,宽12.4m,高3.8 m,单个承台1 710 m3的C30混凝土要求一次性浇筑完成。大体积混凝土构件施工的主要问题是构件内部水泥水化作用所放出的热量不易释放,而热量迅速积聚使混凝土内部温度提升较快,造成混凝土结构体内外的温差较大,加之混凝土的抗拉强度低,弹性模量小,致使混凝土开裂。

大体积混凝土构件裂缝大致可分为表面裂缝、深层裂缝及贯穿裂缝三种,①表面裂缝较细微且走向规律性不明显,一般类同于结构表面龟裂,对结构强度影响相对较小;②表面裂缝进一步发展恶化就会逐渐演变为深层裂缝,直至发展为贯穿裂缝,深层裂缝和贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行,深层裂缝部分切断了结构体,危害性严重;③贯穿裂缝切断了结构,从根本上破坏了结构的整体性和稳定性,危害极为严重。

1大体积混凝土结构裂缝的形成原因 1·1受混凝土材料特性的影响

1)在混凝土拌合以后,混凝土中的水泥与水发生水化反应,水化物的产生使不同物质颗粒胶结在一起,这是混凝土产生强度的内在原因。但是,混凝土初步硬化后,其内部毛细管也随之形成,由于混凝土硬化是一个相对较长的过程,即水泥水化—硬化也是一个相对较长的过程,使已经形成的混凝土毛细管系统周边的张力平衡条件发生变化,导致混凝土出现裂缝。

2)水泥的水化反应是一个放热反应,大量热能是通过传导到结构表面,释放出去,温度测试证明这种热能积聚较快,根据刚体热胀冷缩的原理,这种迅速积聚的热能造成混凝土内部温度急剧增加、体积急剧膨胀,而结构表层散热较快,混凝土结构内外产生温度差,这种温度差导致结构内外热胀冷缩形变的不均衡,混凝土产生裂缝。

3)粗骨料和掺合料的影响:大量研究表明,碱骨料反应对结构裂缝的产生和发展影响巨大,矿物掺合料对混凝土耐久性的提高有很大帮助,但是由于目前国内矿物掺合料性能和质量的差别较大,故使用矿物掺合料不当也是造成混凝土开裂的原因之一。

4)外加剂的影响:水泥水化热的释放快慢和强弱除了受水泥用量的影响

外,还取决于水泥水化过程延续的时间。水化延续的时间涵盖了混凝土初凝、终凝至达到强度的全过程,其中控制初凝的时间具有重要的作用。外加剂的缓凝作用可使水泥水化放热速率减慢,有利于热量消散,使混凝土内部升温降低,这样可以避免产生温度裂缝。

5)混凝土配合比的影响:混凝土配合比对混凝土硬化程度造成影响,或由于水化热过多而使混凝土产生裂缝。

1·2受混凝土的结构影响

1)混凝土的均匀性: 混凝土的拌合过程是将粗细骨料、水泥、水和掺合料等各组成部分均匀分布的过程,但从混凝土开始浇筑时到混凝土失去流动性的过程中,如果操作工艺等因素不合理,将造成混凝土中各组成部分的密度不同。由于水泥分子的多少控制水化热能,进而控制热胀冷缩程度的根本因素,故结构内部水泥颗粒分布的不均匀,必然造成水泥水化—硬化的均匀性遭到破坏。这种不均匀性造成了混凝土结构强度出现不均匀性,在外力的作用下,易产生裂缝。

2)混凝土的密实性:混凝土的密实性的影响主要表现在两个方面,其一是密实性的不同造成混凝土结构的渗透性差异,在养护过程中外界水分子的渗入也发生变化,从而影响水泥的水化作用和水化热的释放;其二是在后期结构使用中,混凝土密实性的不同造成其力学性能的不同,密实性差的部分抵抗结构外力的性能相对较差,这也是影响裂缝发展的重要原因。

1·3结构使用环境的影响

1)环境温度:混凝土具有热胀冷缩的特性,当养护环境温度和混凝土结构体温度有较大差别时,将影响表层和内部的混凝土的膨胀或收缩,这种差异也是导致表层混凝土开裂的原因之一。

2)环境湿度:混凝土的湿涨干缩特性受环境湿度的影响。由于环境湿度过小而引起的混凝土干缩裂缝是很常见的,其产生的原因是在混凝土养护过程中,由于对环境湿度控制不好,致使结构中的水分子向周边空气中散失,例如夏天暴晒、春秋干风强烈的时候,易产生裂缝,但这种一般是表面裂缝,对混凝土的承载力影响不大,对混凝土的使用性能有较大的影响。

3)混凝土结构的约束情况:除去混凝土自身的不均匀收缩和膨胀会引起裂缝外,构件的约束条件对混凝土的裂缝产生也有较大影响。混凝土的养生和强度发展阶段,当混凝土结构收缩或膨胀力大于约束反力时,结构的约束条件会被破坏;反之,当混凝土结构收缩力小于约束反力时,结构必然会产生裂缝。

4)混凝土所受外力的情况:主要是指混凝土结构承受外力时,当外力的作用大于混凝土的承受外力的极限或混凝土硬化未完成而违规承受荷载时,混凝土也会产生裂缝。混凝土裂缝的产生一般不是由单一的因素造成的,往往是由多种因素共同作用的结果。

2大体积混凝土裂缝控制措施

大体积混凝土施工应采取措施减少内部热量的产生,有效地散发内部热能,控制好结构内部和表面的温度差,确保养护的湿度条件。

2·1原材料的选用

1)水泥:某桥承台采用了中联巨龙普硅P.0.42.5水泥,掺合料为矿粉(细度为400 m2/kg)和新海电厂一级粉煤灰,取得了较好的效果。

2)骨料:细骨料采用山东临沭中砂,细度模量2.6左右、含泥量<1.5%、SO3含量<1%、特别是不含有黏土团。粗骨料采用安峰山1~3 cm碎石,不含煅烧的白云石、方镁石、石灰块等有害物质。试验表明,选用尺寸相对较大的粗骨料、级配良好的中粗砂及合理的砂率,在给定的水灰比和稠度条件下,水和水泥用量都有所下降。

3)外加剂:博特牌SFG高效缓凝减水剂具有延缓混凝土放热峰至第7~8 d以后、延缓初凝时间8 h以上和改善和易性,减少其运输过程中的坍落度损失等特点,对减小温差极为有益。

2·2大体积混凝土施工质量控制

1)分层浇筑混凝土时,严格按30 cm分层浇筑、振捣,并控制浇筑进度,以利于散热。

2)控制浇筑温度:承台混凝土在拌合时,拌合水采用冷却水,水温保持在14℃左右;在浇筑泵送混凝土的过程中将泵管用草袋覆盖,浇水冷却,避免日光曝晒使混凝土在泵送过程中温度升温过快。

3)养护阶段温差控制:在混凝土内预埋冷却水管,用循环水进行导热散热是降低混凝土内部温度的有效方法。工程采用上下3层循环冷却水管以降低承台中心的温度。根据相似工程的经验和测量数据分析,结合本地区的气候环境,在混凝土与外界绝热的情况下,结构内部因水化热增高的温度约为33℃,施工时最高环境气温27℃,两者叠加预计承台中心混凝土的温度为60℃。为减少内外温差,通过采取养护保温措施和选用合适的模板一般可提高表面温度约8℃,混凝土实际表面温度约为27℃+8℃=35℃。采用循环冷却水管,一般可降低结构中心温度约为6℃左右,承台中心混凝土的温度可降到60℃-6℃=54℃。这样混凝土内外实际温差为54℃-35℃=19℃;考虑施工中的不利因素及经验数据的误差,如选用安全系数1.3,则混凝土可能达到的最大温差1.3×19℃=24.7℃<25℃。

从以上计算可以看出,结合施工时的大气温度,控制好结构内部水化热增高,并根据实测数据调整控制结构中心温度,确定应降低温度值是实现温差控制的关键。在混凝土浇筑过程中需要向冷却管中不间断地注入冷水并使之循环流动,

以加大混凝土内部降温效果。同时要用温度计观测进出口水温情况,配合预埋在构件中心的温度测量装置,及时进行温差计算并采取调解水流量和入水温度的方法控制温差。

4)表面保温:表面保温的目的不是限制温度上升,而是调节表面温度下降的速度,使混凝土由于表面与内部之间的温度梯度引起的应力差得以减少。因为在混凝土已经硬化且获得相当的弹性后,环境温度降低会增加温度梯度。在实践中采用模板表面挂两层草袋,外裹塑料布的方法进行温度控制。

5)现场操作及监控:严格控制材料质量、配合比、搅拌、浇筑和振捣工艺,确保材料质量达标、配比严格,工艺合规是防止结构混凝土开裂的重要措施,①施工中振捣棒插入下一层50 mm以上,逐车检查混凝土坍落度,凡不合格者不得使用,严禁现场加水增加坍落度。②混凝土在实际温度养护条件下,强度达到设计强度的75%以上,混凝土中心与最低温度处温差≤25℃,预计拆模后混凝土表面温降不超过9℃以上才允许拆模。③拆模后立即用塑料布覆盖,并浇水保持混凝土表面湿润直至28 d。

3结语

在工程实践中,通过对各个环节分别应用针对性的切实可行的裂缝控制施工技术,有效的防止了承台裂缝的产生,保证了工程质量。

参考文献

[1]高明德.大体积混凝土施工工艺及质量控制[J]. 铁道建筑, 2007 (3):98-99.