摘要: 針對東南沿海地區(qū)夏季氣候環(huán)境特點以及客運專線32m 跨度雙線整孔單室簡支箱梁結構特點, 對箱梁C50 高強混凝土的裂紋成因、預防及控制措施等進行了較為詳細的介紹。
關鍵詞: 箱梁混凝土; 夏季施工; 裂紋; 預防及控制
中圖分類號: U448.21+3; TU755.7 文獻標識碼: B 文章編號: 1007- 7359(2008)01- 0081- 03
1 工程概況
新建甬臺溫客運專線鐵路是國家“十五”重點建設工程之一, 是國家中長期鐵路網規(guī)劃“四縱四橫”沿海大通道的重要組成部分。該鐵路北起浙江省寧波市, 南至溫州市, 全長280km,設計時速200km, 為國家I 級雙線鐵路。沿線地質條件復雜, 橋隧長度占全線62%, 施工難度極大。由中鐵四局承建的Ⅲ標段位于浙江省樂清市境內, 屬亞熱帶海洋性季風氣候, 夏季最高氣溫達39.6℃, 年平均氣溫17.7℃～21.4℃, 年均無霜期為240d 左右。標段內共有特大橋、大橋10 座, 總長度約13.4km,其中32m 跨度簡支整孔單室箱梁總計346 孔。箱梁跨中高度為2.8m, 梁寬為13m～13.4m, 頂板厚度為0.34m, 底板厚度為0.3m, 肋板厚0.48m, 內室凈空為2.25m×2.48m。每孔梁體C50鋼筋混凝土方量約315m3, 總方量約11×104m3。
2 裂紋預防及控制目的
時速200km 的客運專線對線路狀態(tài)變形要求很高, 而梁體是控制運行狀態(tài)的主要結構物, 因此箱梁施工階段的混凝土質量控制至為關鍵。梁體裂紋控制的目的在于減少引發(fā)裂紋的各種因素, 抑制混凝土在硬化階段裂紋的發(fā)展趨勢, 使得梁體混凝土不產生裂紋或者控制裂紋在允許范圍內, 從而提高混凝土的耐久性, 達到預期的使用壽命。
3 裂紋成因分析
混凝土裂紋產生的原因, 可大致歸納為以下幾方面。
3.1 塑性收縮
新澆混凝土表面暴露于空氣中, 由于風干和蒸發(fā)作用使水分脫離混凝土表面進入空氣中, 水分從構件內部遷移到表面的速率小于表面水分損失, 表面就會干燥, 而此時新澆混凝土的抗拉能力幾乎為零, 容易出現(xiàn)塑性收縮裂紋。高性能混凝土( HPC) 由于水膠比小, 更容易產生收縮裂紋。
3.2 溫度應力
混凝土具有熱脹冷縮性質, 其溫度線膨脹系數(shù)一般為(1.0~1.5)×10- 5/℃。并且由于混凝土是熱的不良導體, 膠凝材料水化后產生的大量水化熱難以迅速釋放, 造成內部溫度迅速升高, 易產生比較大的溫度變形?；炷羶韧鉁夭钸^大, 當溫度應力超過混凝土的極限拉應力時, 就會產生裂紋。
3.3 養(yǎng)護條件
養(yǎng)護是使混凝土正常硬化的重要手段, 它對裂紋( 特別是塑性收縮裂紋) 的產生有著關鍵影響?；炷猎跇藴署B(yǎng)護條件下, 一般不會開裂?，F(xiàn)場施工一般難以具備標養(yǎng)條件, 但應強調的是, 現(xiàn)場混凝土養(yǎng)護越接近標養(yǎng)條件的濕度和溫度, 混凝土出現(xiàn)裂紋的可能性就越小。
3.4 施工質量
混凝土在澆注施工中, 振搗不均勻, 或是漏振、過振等, 會造成混凝土離析、粗細集料和膠結料分布不均勻、密實度差, 從而降低結構的整體強度?；炷羶炔繗馀莶荒芡耆懦龝r, 氣泡附著在鋼筋表面則降低了混凝土與鋼筋的粘結力, 容易產生裂紋。
3.5 原材料及配合比
原材料質量和配合比設計直接影響混凝土的性能和強度,是混凝土裂紋形成不可忽略的原因。砂、碎石含泥量超標、級配不良, 外加劑、摻合料選用不合理, 配合比設計不當, 例如水膠比、水泥用量過大、砂率不當?shù)? 都會導致混凝土拌和物性能不好, 收縮增大, 從而增大裂紋發(fā)生的機率。
4 裂紋預防及控制措施
根據以上成因分析, 箱梁混凝土裂紋預防及控制擬從事先( 配合比優(yōu)化設計) 、事中( 混凝土施工過程控制) 、事后( 養(yǎng)護)三階段分別采取措施。
4.1 優(yōu)化配合比設計
4.1.1 優(yōu)選原材料
水泥: 由于混凝土內部溫升主要是由水泥水化熱產生, 為盡可能地降低水化熱及其釋放速率, 應優(yōu)先考慮采用早期水化熱低、C3A 含量低、細度適合的水泥并盡可能降低水泥用量。
摻合料: 在膠凝材料總量中, 提高粉煤灰、礦粉所占比例,可降低水化熱、水膠比, 延緩、推遲混凝土內部溫度峰值出現(xiàn)時間, 提高混凝土密實性及耐久性。粉煤灰應采用Ⅰ級灰; 礦粉,可采用磨細高爐礦渣, 從減少混凝土化學收縮和自收縮考慮,礦粉不宜太細, 其比表面積宜控制在350m2/kg~500m2/kg。
外加劑: 要實現(xiàn)低水膠比, 低膠凝材料用量且強度、耐久性滿足設計要求, 高性能的外加劑必不可少。外加劑應采用減水率高、坍落度損失小、適量引氣、質量穩(wěn)定、能滿足混凝土耐久性能的產品。
粗、細集料: 細集料采用級配良好的閩江砂, 細度模數(shù)為2.4~2.7, 含泥量為0.2%; 粗骨料采用級配、粒形好的碎石, 為避免粗集料在生產、堆放、運輸過程中級配分離, 采用5mm~10mm和10mm~25mm 兩種級配碎石分級堆放、分級計量。級配良好、空隙率小的粗細集料可以有效降低單方混凝土的用水量和膠凝用量, 從而降低混凝土水化熱, 減小裂紋產生的可能性。
4.1.2 混凝土配合比優(yōu)化設計
為滿足混凝土的耐久性, 提高混凝土的抗裂性能。在設計箱梁混凝土配合比時, 首先確立設計目標: 低水膠比( 0.33) , 大坍落度( 180mm±20mm) , 5d 抗壓強度>40MPa,10d 抗壓強度>50MPa, 混凝土芯部最高溫度≤60℃, 28d 電通量≤800 庫侖。設計的主要步驟包括: ①確定適宜的膠凝材料總量; ②確定適宜的膠凝材料( 水泥、粉煤灰、礦粉) 的摻量比例。根據原材料情況和以往經驗, 按照水泥摻量40%～70% 、粉煤灰摻量10%～15% 、礦粉摻量20%～45% , 分別采用不同摻配比例進行配合比正交設計, 對混凝土拌和物性能、力學性能、耐久性能各項指標進行檢測, 從中選定配合比如下:其各項性能見下表, 均滿足設計要求。膠凝材料總量為480kg, 水泥用量為336kg, 外摻料用量為144kg, 摻量30%, 有效地降低了混凝土的最高溫升。對該配合比內部溫度進行實測, 環(huán)境溫度為28℃時, 混凝土拌和物出機溫度為30℃, 混凝土芯部最高溫度為58℃, 滿足設計要求。按照混凝土絕熱升溫公式( 
) 對比驗證, 最高溫度為52.4℃,與實測基本一致。
4.2 施工過程裂紋控制措施
4.2.1 拌制混凝土
拌制混凝土時, 應嚴格執(zhí)行配合比, 堅決杜絕隨意變更施
工配合比、隨意加水等不良習慣。因為任何微小的變化均有可能導致混凝土性能的變化, 增加裂縫控制的難度。因此, 混凝土的拌和應嚴格按照有關規(guī)定執(zhí)行。
?、贁嚢枵旧a控制。各種原材料的計量要非常準確, 應采用全自動智能控制攪拌系統(tǒng), 防止因為原材料計量的偏差引起配合比的變化。此外, 為充分分散礦物摻合料, 攪拌時間應較普通混凝土稍微延長一些, 一般控制在120s 左右。拌和用水, 夏季氣溫高時, 采用加冰水攪拌混凝土。
?、诳刂圃牧线M倉溫度。對于32m 跨度箱梁這種大體積、薄壁混凝土結構, 由于水化熱升高使體內溫差加大, 更容易產生裂紋。夏季施工, 對原材料的進倉溫度要嚴格控制, 控制其溫度不大于40℃?？刹扇ι笆隙选⒓蟼}采用噴灑冷水、搭設遮陽蓬等方法, 降低集料溫度; 對于膠凝材料( 水泥、礦粉、粉煤灰) 儲料罐, 可通過提前預留散熱時間、對罐體噴灑冷水等措施降低膠凝材料進入攪拌機的溫度。
4.2.2 施工現(xiàn)場控制措施
?、龠x擇適宜的開盤時間。夏季一般安排在傍晚16:00～18:00時段開始澆筑, 不宜在早晨澆筑以免白天溫度上升時加劇混凝土的內部溫升?？刂苹炷寥肽囟炔灰烁哂?0℃。炎熱天氣下灌注混凝土, 應盡量避免模板和新澆混凝土受陽光暴曬。混凝土入模前, 通過澆灑冷卻水來降低鋼筋、模板溫度, 控制在40℃以內。但澆筑前必須清除模板內積水。
?、诨炷吝\輸。夏季應對混凝土運輸罐車車身澆灑冷水以避免車身熱量傳入混凝土導致混凝土溫度升高。
?、刍炷翝沧??？刂苹炷恋臐沧⑺俣仍跐M足總體澆注時間( 不得大于混凝土的初凝時間) 的前提下, 不宜過快, 以利用梁體截面面積大的特點, 通過混凝土自身散熱, 降低混凝土內部溫度。通過斜向分段、水平方向分層澆筑來提高散熱量?；炷翝沧⑺俣纫丝刂圃?0 m3/h 左右, 最大攤鋪厚度不宜大于300mm。
?、芗涌焖療嵘l(fā)。在夏季室外氣溫過高的條件下, 為加快箱梁內室的熱量散發(fā), 在混凝土灌注24h 后, 在箱梁孔內布設噴水管, 定時噴水, 并在一端安設通風機吹風, 形成對流, 通過水的蒸發(fā)和風的流動, 吸收水化熱, 降低孔內溫度。
?、莶鹉?。拆模除了要考慮強度因素外, 還應考慮混凝土的溫度。梁體芯部與表層、表層與環(huán)境以及箱梁腹板內外側混凝土之間的溫差均不得大于15℃。混凝土的溫度不能過高, 以免混凝土接觸空氣時降溫過快而開裂, 更不能在此時澆注冷水養(yǎng)護?；炷羶炔块_始降溫前以及混凝土內部溫度最高時不得拆模( 需根據實測溫度確定) 。
4.3 養(yǎng)護階段控制措施
受氣溫、相對濕度、混凝土內外溫差、風速等因素影響, 養(yǎng)護階段是混凝土對塑性收縮裂紋最敏感的時段。對于沿海地區(qū), 受海洋性季風影響, 夏季風大, 混凝土表面容易失水從而形成收縮裂紋。因此, 為防止混凝土表面出現(xiàn)收縮裂紋, 應在箱梁澆筑完成后, 立即開始收漿抹面工作, 抹面后要立即采用土工布覆蓋進行潮濕養(yǎng)護, 防止水分蒸發(fā)產生收縮裂紋。根據客運專線混凝土養(yǎng)護要求, 夏季梁體混凝土潮濕養(yǎng)護時間不宜少于7d。養(yǎng)護時, 注意控制養(yǎng)護水的溫度與混凝土表面溫度差, 不得大于15℃。
養(yǎng)護階段的溫度控制是減小溫度應力裂紋產生的重要手段?；炷翝仓旰? 通過對混凝土養(yǎng)護階段的溫度變化情況進行實際監(jiān)測, 掌握環(huán)境介質溫度、混凝土表面溫度、混凝土芯部溫度的準確數(shù)值, 根據實測溫度, 采取相應措施降低溫差, 以減小混凝土產生溫度應力裂紋的幾率。下面具體介紹一下測溫方案。
4.3.1 測溫點布設
梁體測溫點共設16個。分別為: ①梁頂面1/4L、1/2L、3/4L處左右側各1 點, 共6 點, 采用PVC 管預留測溫孔, PVC 管插入混凝土內50mm~100mm, 測試混凝土表面溫度; ②梁體兩端波紋管內3m～4m 每端2 點, 共4 點, 測試環(huán)境介質溫度; ③梁體兩側腹板與頂板斜交處( 截面最大處) 1/4L、1/2L、3/4L 處各1點, 共設6 點, 預埋熱敏電阻感應片, 測試混凝土芯部溫度。
4.3.2 測溫方案
混凝土表面溫度采用水銀溫度計進行量測, 芯部溫度采用預埋熱敏電阻感應片進行量測, 環(huán)境溫度采用紅外線測溫儀進行量測。根據經驗, 大體積混凝土的溫差變化在1h～72h 內波動最大, 因此在該段時間現(xiàn)場值班應加大測量頻率, 每6h 測一__次。達到最大溫升后, 可減少為每日2 次。測試時要認真記錄每次測溫時間、各測點溫度值。
4.3.3 數(shù)據處理和應急措施
測溫記錄每天要及時整理, 芯部溫度、表面溫度和環(huán)境介質溫度取所測點數(shù)的平均值。計算整理完畢后, 根據時間、溫度數(shù)值及溫度曲線, 芯部、表面、環(huán)境溫度分別用不同顏色區(qū)分,參照溫度曲線可及時對混凝土養(yǎng)護情況作出反饋。例如, 當環(huán)境溫度與混凝土表面溫度、混凝土表面溫度與芯部溫差達到15℃時, 進入預警狀態(tài), 要根據實測溫度, 查找原因, 采取相應措施降低溫差。例如, 如果是由于氣候原因導致環(huán)境溫度過低或過高, 可采取加熱或降低養(yǎng)護水溫度、對梁體進行覆蓋保溫等措施縮小溫差。在甬臺溫客運專線首孔箱梁定頭村大橋0#臺- 1# 墩32m 箱梁施工中, 經測量, 其芯部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后24h, 為58.7℃, 同時刻混凝土表面溫度為44.9℃,環(huán)境溫度為31.8℃, 溫差均小于15℃, 滿足規(guī)范要求。在此后的其他箱梁施工中, 通過采用上述措施, 均取得了很好的效果。箱梁拆模后外美內實, 均無裂紋產生。
5 結束語
混凝土裂紋的形成往往是幾種因素綜合作用的結果, 原因非常復雜。如果措施不力, 工藝不正確, 極容易產生裂紋。我們只是在控制裂紋的產生方面做了一些有益的嘗試。實踐證明效果是良好的, 混凝土裂紋得到了有效的控制。總之, 通過優(yōu)化混凝土配合比, 加強施工過程控制, 加強養(yǎng)護, 箱梁裂紋可以控制。
參考文獻
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