【摘要】橋梁工程中大體積混凝土裂縫是工程技術人員普通關心的問題,其產(chǎn)生的原因很復雜,而溫度裂縫又是混凝土裂縫中較常見的現(xiàn)象。如不引起重視,情況嚴重時會影響到結構物的使用壽命及安全。本文分析了大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因,并從設計與施工的角度闡述了一些技術控制措施。
【關鍵詞】橋梁工程;大體積混凝土;裂縫;成因;對策
橋梁工程中大體積混凝土的使用非常普通,但最大的缺點是容易產(chǎn)生裂縫,從而影響混凝土的力學性能及耐久性,嚴重者可導致結構的破壞,大大縮短建筑物的使用壽命。因此加強對大體積混凝土裂縫的控制,是保證橋梁結構質量及安全使用的關鍵,必須予以高度重視。本文結合大體積混凝土的特點,探討了控制大體積混凝土裂縫的施工技術和措施。
1橋梁工程大體積混凝土的特點
1)橋梁工程大體積混凝土大都出現(xiàn)在底板、墩(臺)身處;2)大體積混凝土的厚度一般在1~3m范圍內,多為板壁式結構;3)施工氣候條件總體良好,全年氣溫一般在0~35℃之間,0℃以下與35℃以上的天數(shù)很少;4)現(xiàn)場混凝土運輸近年來多采用泵送方式。
2混凝土常見裂縫的類型及成因
橋梁結構的底板、墩墻等,通常都是容易產(chǎn)生混凝土裂縫的部位;炷亮芽p的形式多種多樣,按照其成因大致可分為三種類型:溫度裂縫、結構變形約束裂縫、混凝土固化過程中的干縮裂縫。需要說明的是,上述三種裂縫類型并不能截然劃分,尤其是變形約束裂縫和溫度裂縫有時是相互關聯(lián)的,實踐中還發(fā)現(xiàn)沿干縮裂縫形成的變形約束裂縫。
2.1溫度裂縫
混凝土在固化過程中因水泥與水發(fā)生化學反應產(chǎn)生大量的水化熱,致使混凝土內部溫度迅速升高。筆者曾在有關工程施工期組織過混凝土測溫,混凝土澆筑后2~3d溫度達到最大值,構件中心溫度一般可達55℃。而混凝土表面較易散熱,內外溫差致使內部產(chǎn)生壓應力,外部產(chǎn)生拉應力,導致從混凝土表面開始裂縫。隨著水化熱減少,混凝土內部溫度降低,由壓應力逐漸轉化為拉應力,只要拉應力稍大于混凝土的允許拉應力,由于應力集中,在已經(jīng)產(chǎn)生外部裂縫的部位就可能裂縫繼續(xù)向內部發(fā)展。對于墩墻等板式結構,一般形成貫穿縫。溫度裂縫的主要特點是發(fā)生在施工早期,通常在拆模時或拆模后不久便可以發(fā)現(xiàn),需要特別說明的是,有時已經(jīng)發(fā)生的溫度裂縫可能很小,沒有及時被人們發(fā)現(xiàn),后因混凝土收縮變形受約束致使裂縫擴大。
2.2結構變形約束裂縫
混凝土的固化是一個較為緩慢的過程,普通混凝土除固化初期因水化熱不斷升高是熱脹過程以外,在其后的降溫過程和較長時間的固化過程都是縮小變形過程。此外,外界溫度的變化也會導致混凝土構件的熱脹冷縮變形。橋梁建筑物的墩墻通常與其底板分次施工,且一般間隔時間相對較長。墩墻混凝土收縮變形時上部自由、下部受變形已基本穩(wěn)定的底板約束產(chǎn)生拉應力。當拉應力大于混凝土允許拉應力時,便可能出現(xiàn)裂縫。
2.3干縮裂縫
混凝土的固化過程也是混凝土中水的揮發(fā)過程,如果失水太快,便可能發(fā)生干縮裂縫。此外,如果混凝土水灰比太大,通常也會發(fā)生干縮裂縫。干縮裂縫發(fā)生于結構的表面,其特點是裂縫無規(guī)則,一般縫寬很小,縫深較淺;但因水灰比偏大產(chǎn)生的干縮裂縫,則可能縫寬較大且較深。無模板的面層裂縫從澆筑完成剛剛初凝時便可能發(fā)生,有模板的臨空面裂縫通常從拆模后開始發(fā)生。工程實踐中還經(jīng)常發(fā)現(xiàn)澆筑較長時間的混凝土仍可能發(fā)生表面龜裂。筆者認為,后期混凝土表面龜裂的主要原因。
3防止裂縫的技術措施
3.1設計措施
1)重視地基的處理,大體積混凝土一般都是厚體實重的整澆式結構,地基對基礎的影響十分明顯。在設計主要應防止地基產(chǎn)生不均勻下沉,以及改善對基礎的約束影響。當?shù)鼗鶠檐浲翆訒r,為防止地基產(chǎn)生不均勻下沉,通常采用砂墊層或其他加固辦法。砂墊層不僅可以提高地基的承載能力,而且在施工時還可以設置盲溝排水,這對減少地下水或地表水的影響都有明顯作用。砂墊層在施工前應通過試驗,使其做到具有最佳含水量和最大密實度再進行回填。砂墊層還可以減少對混凝土基礎的約束影響,因此在不均勻的軟土地基中,如符合條件時,應優(yōu)先考慮采用比較經(jīng)濟的砂墊層加固方案。2)合理分裂分塊,不僅可以減輕約束作用,縮小約束范圍;同時也可利用澆筑塊的層面進行散熱,降低混凝土內部的溫度。合理的分縫分塊,應能使結構起到調節(jié)溫度變化的作用,確;炷劣凶杂缮炜s的余地,以達到釋放溫度應力的目的,接縫的處理必須滿足防止?jié)B漏水的要求。3)合理分布鋼筋,鋼筋與混凝土共同工作的基礎是兩者之間的粘結力。由于鋼的彈性模量約為混凝土彈性模量的7-15倍,所以當混凝土內應力達到抗拉強度而開始裂縫時,此時鋼筋的應力很小,想通過利用鋼筋防止混凝土裂縫的出現(xiàn),就達不到目的,但合理布置分布鋼筋,可以起到減輕混凝土的收縮程度,限制裂縫的開展。4)混凝土設計標號不宜太高,在大體積混凝土的結構物中,力學強度和安全貯備,通常都很高,但過高的強度貯備,會使水泥用量增多,水化熱變大。導致混凝土內部溫度過高,造成內外溫差過大,從面引起結構物的開裂。
3.2模板與鋼筋
3.2.1模板大體積混凝土施工時,模板承受羊混凝土的側壓力及振搗混凝土的振動力,因此保證模板及其支撐體系的可靠性,防止模板產(chǎn)生過大的變形是完全必要的。近年來由于采用泵送混凝土,澆筑時間短而且快,加大了對模板的側壓力,如模板與支撐系統(tǒng)剛度不夠時,更加大了混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性,因此大體積混凝土的模板要根據(jù)受力情況,從模板、橫楞、立柱、拉桿以及支撐系統(tǒng)的所有構件,都要進行分析計算,并取足夠的安全系數(shù)。3.2.2鋼筋在混凝土中鋼筋銹蝕膨脹,體積將變大,這也是大體積混凝土裂縫原因之一,引起鋼筋銹蝕原因主要有:①使用已銹蝕嚴重的鋼筋,在使用鋼筋前一定要做好鋼筋除銹工作,銹蝕嚴重的鋼筋不得在工程中使用。②由于混凝土的密實性能不好,抗?jié)B性差,因此混凝土內部的鋼筋,也容易受到環(huán)境或地下水的侵蝕而生銹膨脹,從而導致混凝土的開裂。③混凝土中有一些化學物質如氯鈣和氯化鈉也是鋼筋生銹原因之一,所以在混凝土工程中控制氯鹽的摻量,保證其含量低于規(guī)范要求。
3.3混凝土原材料
3.3.1水泥水泥對大體積混凝土裂縫的影響前面已講過,這里不在重述,水泥的品種和用量,對大體積混凝土發(fā)生裂縫的影響。關于水泥的體積安定性問題。如果在水泥已經(jīng)硬化后,產(chǎn)生不均勻的體積變化,會使結構物產(chǎn)生膨脹裂縫,影響工程質量,甚至引起嚴重的事故。所以體積安定性不良的水泥應作廢品處理,絕對不能用于大體積混凝土工程中。3.3.2骨料1)有害雜質,拌制混凝土的骨料要求清潔而不含雜質,以保證混凝土的質量。2)骨料品種和粒徑要求,砂子按其平均粒徑和細度模量分為粗砂、中砂、細砂。在大體積混凝土通常使用粗砂,也可以使用中砂。石子按其形狀分為碎石和卵石。當配合比相同時,碎石混凝土強度較高,抗裂性也較好。當混凝土的抗壓強度相等坍落度也相等時,卵石混凝土的水泥用量較少。對于抗裂性有特殊要求的工程,當無碎石時,也可將卵石人工軋碎。當所用石子的最大粒徑較大時,混凝土的密實性較好,并可以節(jié)約水泥;但為了便于搗實,石子的最大粒徑不得超過結構截面最小尺寸的1/4,也不得大于鋼筋最小間距的確3/4。當混凝土用泵輸送時,石子的最大粒徑還應符合要求,以免發(fā)生堵塞。3)含泥量要求,在大體積混凝土工程中,過多的含泥量,不僅增加混凝土的收縮,又降低強度,而且對抗裂性特別有害。為此在施工時應采取嚴格措施加控制。4)拌制混凝土宜采用飲用水。5)對于大體積混凝土可以拋一定量塊石(設計規(guī)定范圍內),減少混凝土用量,從而降低混凝土內溫度水化熱。塊石一般要求其干凈、清潔;其強度不低于澆筑混凝土強度;拋石要有一定距離。
3.4混凝土配合比
混凝土配合比是指混凝土中各種組成材料的數(shù)量比例。設計混凝土的任務,是要根據(jù)原材料的施工條件,確定出能滿足工程所要求的混凝土配合比,合理設計混凝土的配合比,盡量減少混凝土坍落度,減少水泥用量。1)水泥品種與用量,大體積混凝土的水泥,應選用低熱或中熱水泥,并優(yōu)先使用32.5級或42.5級礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥。在施工條件許可的范圍內,應盡可能降低用水量。盡可能少用水泥就能減少水泥總的發(fā)熱量,從而可降低混凝土內部的最高溫度,這是設計大體積混凝土配合比中應考慮的首要問題。2)摻加粉煤灰,以減少水泥用量,粉煤灰摻量是一般為水泥用量的15%左右,摻量過大,影響混凝土的耐久性。3)石子級配的優(yōu)劣,對節(jié)約水泥和保證混凝土具有良好的和易性有很大關系。在實際工程中,如果單一材料滿足不了上述級配要求時,可以采用不同粒徑進行摻配試驗,通過多次篩選,最后確定合理的摻配比例。4)和易性要求,和易性是指混凝土拌合物能保持混凝土成分的均勻,不致發(fā)生離析現(xiàn)象,且易于施工操作的性能。大體積混凝土的特點是量大面廣,要求混凝土連續(xù)作業(yè),并有溫度控制的嚴格規(guī)定,為此混凝土多數(shù)采用集中攪拌站供料。由于受運輸、澆筑、振動和氣候等條件的影響較大,所以對混凝土的和易性提出了一些新的要求。①不同停置時間及氣候條件,對混凝土拌合物內水分的損失與坍落度影響;②不同停置時間及氣候條件,對混凝土拌合物的熱量(或冷量)損失的影響。5)外加劑的應用,在混凝土或砂漿中摻入少量的外加劑,可以改善其性能,節(jié)約水泥用量,降低工程造價,縮短施工工期,是一種使用方便、效果顯著的新材料。為了保證工程質量,摻用外加劑時一般應注意以下幾個問題:必須事先適配,摻量準確,攪拌均勻,注意摻加順序。
3.5混凝土澆筑方法
大體積混凝土澆筑方案應根據(jù)整體連續(xù)澆筑的要求,要避免混凝土攪拌后很長時間使用,并結合結構物的大小、鋼筋疏密、混凝土供應條件(垂直與水平運輸能力)等具體情況,選擇如下3種方式。3.5.1全面分層在整個結構物內,采取全面分層澆筑混凝土,做到第一層全面澆筑完成后,開始澆筑第二層時,已施工的第一層混凝土還未初凝,如此逐層進行,直至澆筑完成。這種方案適用于結構物的平面尺寸不太大的工程,施工時宜從短邊開始,沿長邊推進;亦可分為兩段,從中間向兩端或從兩端向中間同時進行。3.5.2分段分層適用于厚度不太大而面積或長度較大的工程。施工時混凝土先從底層開始澆筑,進行至一定距離后后澆筑第二層,如此依次向前澆筑其它各層。3.5.3斜面分層適用于結構的長度超過厚度的三倍。振搗工作應從澆筑層的下端開始,逐漸上移,此時向前的澆筑攤鋪坡度應小于1:3,以保證分層混凝土之間的施工質量。3.5.4混凝土澆筑時應注意以下幾個問題1)分層厚度每層混凝土的厚度應不超過振動棒長的1.25倍,在振搗上一層時,應插入下一層混凝土內約5cm,以消除兩層之間的接縫;同時在振搗上層混凝土時,要在下層混凝土初凝之前進行;炷练謱雍穸瘸鶕(jù)振動器的棒長和振動力的大小之外,尚需考慮混凝土供應量的大小、澆筑速度及配筋情況,在大體積混凝土工程中,一般可定為400~600mm,數(shù)量較少的混凝土工程中可取250~350mm。2)防止混凝土發(fā)生離析混凝土自高處自由傾落高度超過2m,應沿串筒、溜槽、溜管等下落,以保證混凝土不致發(fā)生離析現(xiàn)象。漏斗和串筒的布置應根據(jù)澆筑面積、澆筑速度和攤平混凝土的能力而定,但其間距不得大于3m,布置方式為交錯式或行列式。3)泵送混凝土的振搗方法由于泵送混凝土的坍落度較大,與上述三種澆筑方式所規(guī)定的坡度不符。因此在實際施工中,可將原來分層振搗的方式,改為在斜坡的頭、尾部進行振搗,使上下兩層有鋼筋的混凝土得以密實。另外,在側模的邊緣,還可輔以竹桿插振,防止這部分混凝土出現(xiàn)漏振現(xiàn)象。4)表面處理大體積泵送混凝土,表面水泥漿比較厚,在混凝土澆筑后要認真處理。一般可在初凝前1~2h,先用長括尺按標高刮平;在初凝前再用鐵滾筒碾壓數(shù)遍,并用木蟹打磨壓實,以閉合收縮裂縫。12~14h后才可覆蓋濕草袋等物養(yǎng)護。5)施工縫處理在施工縫處繼續(xù)澆筑混凝土時,其底層混凝土的抗壓強度不應小于1.2MPa;在底層混凝土的表面上,應清除水泥薄膜和松動石子或軟弱混凝土層,并加以充分濕潤和沖洗干凈(但不得積水);在澆筑前,施工縫處宜先鋪10~15mm厚與混凝土成分相同的水泥砂漿,并應細致?lián)v實,便新舊混凝土緊密結合。
3.6控制混凝土內外溫差
一般按規(guī)范來說大體積混凝土內外溫差超過25℃,混凝土就極易產(chǎn)生溫度裂縫,就施工而言,由于受不同環(huán)境、季節(jié)影響混凝土內外溫差較難控制,加強混凝土養(yǎng)生,增加混凝土養(yǎng)護時間能有效的防止混凝土裂縫,而且在冬夏季大體積混凝土施工養(yǎng)生尤為關鍵:3.6.1冬季大體積混凝土施工內外溫差控制冬季大體積混凝土施工由于氣溫較低,而混凝土內部溫度最高時一般能達到70℃,所以應該做好混凝土保溫工作,同時增加溫度檢測頻率,一旦發(fā)現(xiàn)溫差超過規(guī)范要求,要立刻采取保溫(表面蒸氣養(yǎng)生,增加覆蓋層)等措施,以保證混凝土內外溫差。3.6.2夏季大體積混凝土施工內外溫差控制夏季氣溫高,大體積混凝土施工時首先保證混凝土入模溫度不大于30℃,混凝土澆筑分層厚度在要30cm左右,要盡量采用有利于混凝土熱量散發(fā)的措施(在不影響混凝土施工質量的情況下)。夏季大體積混凝土保證內部溫差主要采取以下措施:①保溫法:有條件的情況采用蓄水養(yǎng)生法,混凝土澆筑完成后在其表面積水20~30cm左右,一旦混凝土內部溫度升高其表面積水溫度也隨之升高,這樣其內外溫差就得到有效的控制。也就控制溫度應力,減少混凝土裂縫的概率;②內部降溫法:通過大體積混凝土內部預埋水管,進行降溫,有利于大體積混凝土內部溫度揮發(fā),從而使內外溫差達到規(guī)范要求。
3.7溫度控制要求
溫度控制是大體積混凝土施工中的一個重要環(huán)節(jié),是防止大體積混凝土裂縫的核心。3.7.1編好施工方案,提出切實可行的具體措施在制定方案時,應廣泛聽取有經(jīng)驗的工人和技術人員的意見。并排列出保證質量的因果分析圖和對策表,使施工方案的有關措施落到實處,如發(fā)生問題,也便于糾正。以往,一般只強調溫差方面的要求,即通常所說的“溫差控制”,而很少核算溫度應力,或者認為溫差與溫差應力成比例關系,因此就不能有效地防止溫度裂縫的發(fā)生。必須指出,只有溫差控制,由于結構所處的具體條件不同(包括結構尺寸、配筋、基礎約束情況等),它們的溫度應力是不一樣的。這就充分說明,采取同樣的溫差控制方法,為什么有的工程不裂,有的工程開裂。3.7.2加強溫度監(jiān)測工作不僅要在混凝土成形后,對混凝土的內部溫度進行監(jiān)測;而且應在一開始,就對原材料、混凝土的拌合、入模和澆筑溫度進行系數(shù)測試,才能對存在的問題,及時進行改進。對有關測試人員應進行技術培訓和崗位責任制的教育,以及正確填寫測溫記錄等一些不可忽視的基礎問題。
4結束語
橋梁工程在施工過程中經(jīng)常會發(fā)生多種多樣的混凝土裂縫,工程界的專家進行了大量研究,提出了控制裂縫形成及發(fā)展的諸多對策。通過工程實踐經(jīng)歷分析,筆者認為:提高混凝土的自身質量是防止裂縫的核心;縮小混凝土的內外溫差是控制溫度裂縫的關鍵;控制結構變形約束裂縫的主要關鍵是減小約束應力;澆筑后的養(yǎng)護管理是控制干縮裂縫的關鍵;提高人工操作質量是控制裂縫的重要保證。因此,在項目施工管理工作中,需要從設計、施工工藝、材料選擇及養(yǎng)護過程中精細化考慮,充分重視多種因素的影響,合理采取對策,就能較好地預防與減少裂縫的形成。
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