摘要: 針對東南沿海地區(qū)夏季氣候環(huán)境特點(diǎn)以及客運(yùn)專線32m 跨度雙線整孔單室簡支箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 對箱梁C50 高強(qiáng)混凝土的裂紋成因、預(yù)防及控制措施等進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。
關(guān)鍵詞: 箱梁混凝土; 夏季施工; 裂紋; 預(yù)防及控制
中圖分類號(hào): U448.21+3; TU755.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B 文章編號(hào): 1007- 7359(2008)01- 0081- 03
1 工程概況
新建甬臺(tái)溫客運(yùn)專線鐵路是國家“十五”重點(diǎn)建設(shè)工程之一, 是國家中長期鐵路網(wǎng)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(shè)計(jì)時(shí)速200km, 為國家I 級(jí)雙線鐵路。沿線地質(zhì)條件復(fù)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(biāo)段位于浙江省樂清市境內(nèi), 屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候, 夏季最高氣溫達(dá)39.6℃, 年平均氣溫17.7℃～21.4℃, 年均無霜期為240d 左右。標(biāo)段內(nèi)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(jì)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(nèi)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(yù)防及控制目的
時(shí)速200km 的客運(yùn)專線對線路狀態(tài)變形要求很高, 而梁體是控制運(yùn)行狀態(tài)的主要結(jié)構(gòu)物, 因此箱梁施工階段的混凝土質(zhì)量控制至為關(guān)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(chǎn)生裂紋或者控制裂紋在允許范圍內(nèi), 從而提高混凝土的耐久性, 達(dá)到預(yù)期的使用壽命。
3 裂紋成因分析
混凝土裂紋產(chǎn)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(fēng)干和蒸發(fā)作用使水分脫離混凝土表面進(jìn)入空氣中, 水分從構(gòu)件內(nèi)部遷移到表面的速率小于表面水分損失, 表面就會(huì)干燥, 而此時(shí)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(chǎn)生收縮裂紋。
3.2 溫度應(yīng)力
混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì), 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(dǎo)體, 膠凝材料水化后產(chǎn)生的大量水化熱難以迅速釋放, 造成內(nèi)部溫度迅速升高, 易產(chǎn)生比較大的溫度變形。混凝土內(nèi)外溫差過大, 當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的極限拉應(yīng)力時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生裂紋。
3.3 養(yǎng)護(hù)條件
養(yǎng)護(hù)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(chǎn)生有著關(guān)鍵影響?；炷猎跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下, 一般不會(huì)開裂。現(xiàn)場施工一般難以具備標(biāo)養(yǎng)條件, 但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是, 現(xiàn)場混凝土養(yǎng)護(hù)越接近標(biāo)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(zhì)量
混凝土在澆注施工中, 振搗不均勻, 或是漏振、過振等, 會(huì)造成混凝土離析、粗細(xì)集料和膠結(jié)料分布不均勻、密實(shí)度差, 從而降低結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度?；炷羶?nèi)部氣泡不能完全排除時(shí), 氣泡附著在鋼筋表面則降低了混凝土與鋼筋的粘結(jié)力, 容易產(chǎn)生裂紋。
3.5 原材料及配合比
原材料質(zhì)量和配合比設(shè)計(jì)直接影響混凝土的性能和強(qiáng)度,是混凝土裂紋形成不可忽略的原因。砂、碎石含泥量超標(biāo)、級(jí)配不良, 外加劑、摻合料選用不合理, 配合比設(shè)計(jì)不當(dāng), 例如水膠比、水泥用量過大、砂率不當(dāng)?shù)? 都會(huì)導(dǎo)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(jī)率。
4 裂紋預(yù)防及控制措施
根據(jù)以上成因分析, 箱梁混凝土裂紋預(yù)防及控制擬從事先( 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)) 、事中( 混凝土施工過程控制) 、事后( 養(yǎng)護(hù))三階段分別采取措施。
4.1 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)
4.1.1 優(yōu)選原材料
水泥: 由于混凝土內(nèi)部溫升主要是由水泥水化熱產(chǎn)生, 為盡可能地降低水化熱及其釋放速率, 應(yīng)優(yōu)先考慮采用早期水化熱低、C3A 含量低、細(xì)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(nèi)部溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間, 提高混凝土密實(shí)性及耐久性。粉煤灰應(yīng)采用Ⅰ級(jí)灰; 礦粉,可采用磨細(xì)高爐礦渣, 從減少混凝土化學(xué)收縮和自收縮考慮,礦粉不宜太細(xì), 其比表面積宜控制在350m2/kg~500m2/kg。
外加劑: 要實(shí)現(xiàn)低水膠比, 低膠凝材料用量且強(qiáng)度、耐久性滿足設(shè)計(jì)要求, 高性能的外加劑必不可少。外加劑應(yīng)采用減水率高、坍落度損失小、適量引氣、質(zhì)量穩(wěn)定、能滿足混凝土耐久性能的產(chǎn)品。
粗、細(xì)集料: 細(xì)集料采用級(jí)配良好的閩江砂, 細(xì)度模數(shù)為2.4~2.7, 含泥量為0.2%; 粗骨料采用級(jí)配、粒形好的碎石, 為避免粗集料在生產(chǎn)、堆放、運(yùn)輸過程中級(jí)配分離, 采用5mm~10mm和10mm~25mm 兩種級(jí)配碎石分級(jí)堆放、分級(jí)計(jì)量。級(jí)配良好、空隙率小的粗細(xì)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(chǎn)生的可能性。
4.1.2 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)
為滿足混凝土的耐久性, 提高混凝土的抗裂性能。在設(shè)計(jì)箱梁混凝土配合比時(shí), 首先確立設(shè)計(jì)目標(biāo): 低水膠比( 0.33) , 大坍落度( 180mm±20mm) , 5d 抗壓強(qiáng)度>40MPa,10d 抗壓強(qiáng)度>50MPa, 混凝土芯部最高溫度≤60℃, 28d 電通量≤800 庫侖。
設(shè)計(jì)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(jù)原材料情況和以往經(jīng)驗(yàn), 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(jìn)行配合比正交設(shè)計(jì), 對混凝土拌和物性能、力學(xué)性能、耐久性能各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測, 從中選定配合比如下:其各項(xiàng)性能見下表, 均滿足設(shè)計(jì)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(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)測, 環(huán)境溫度為28℃時(shí), 混凝土拌和物出機(jī)溫度為30℃, 混凝土芯部最高溫度為58℃, 滿足設(shè)計(jì)要求。按照混凝土絕熱升溫公式(
) 對比驗(yàn)證, 最高溫度為52.4℃,與實(shí)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
工配合比、隨意加水等不良習(xí)慣。因?yàn)槿魏挝⑿〉淖兓锌赡軐?dǎo)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(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
?、贁嚢枵旧a(chǎn)控制。各種原材料的計(jì)量要非常準(zhǔn)確, 應(yīng)采用全自動(dòng)智能控制攪拌系統(tǒng), 防止因?yàn)樵牧嫌?jì)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(shí)間應(yīng)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(shí), 采用加冰水?dāng)嚢杌炷痢?/P>
?、诳刂圃牧线M(jìn)倉溫度。對于32m 跨度箱梁這種大體積、薄壁混凝土結(jié)構(gòu), 由于水化熱升高使體內(nèi)溫差加大, 更容易產(chǎn)生裂紋。夏季施工, 對原材料的進(jìn)倉溫度要嚴(yán)格控制, 控制其溫度不大于40℃?？刹扇ι笆隙?、集料倉采用噴灑冷水、搭設(shè)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(chǔ)料罐, 可通過提前預(yù)留散熱時(shí)間、對罐體噴灑冷水等措施降低膠凝材料進(jìn)入攪拌機(jī)的溫度。
4.2.2 施工現(xiàn)場控制措施
?、龠x擇適宜的開盤時(shí)間。夏季一般安排在傍晚16:00～18:00時(shí)段開始澆筑, 不宜在早晨澆筑以免白天溫度上升時(shí)加劇混凝土的內(nèi)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(yīng)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(nèi)。但澆筑前必須清除模板內(nèi)積水。
②混凝土運(yùn)輸。夏季應(yīng)對混凝土運(yùn)輸罐車車身澆灑冷水以避免車身熱量傳入混凝土導(dǎo)致混凝土溫度升高。
③混凝土澆注。控制混凝土的澆注速度在滿足總體澆注時(shí)間( 不得大于混凝土的初凝時(shí)間) 的前提下, 不宜過快, 以利用梁體截面面積大的特點(diǎn), 通過混凝土自身散熱, 降低混凝土內(nèi)部溫度。通過斜向分段、水平方向分層澆筑來提高散熱量。混凝土澆注速度宜控制在50 m3/h 左右, 最大攤鋪厚度不宜大于300mm。
④加快水化熱散發(fā)。在夏季室外氣溫過高的條件下, 為加快箱梁內(nèi)室的熱量散發(fā), 在混凝土灌注24h 后, 在箱梁孔內(nèi)布設(shè)噴水管, 定時(shí)噴水, 并在一端安設(shè)通風(fēng)機(jī)吹風(fēng), 形成對流, 通過水的蒸發(fā)和風(fēng)的流動(dòng), 吸收水化熱, 降低孔內(nèi)溫度。
⑤拆模。拆模除了要考慮強(qiáng)度因素外, 還應(yīng)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(nèi)外側(cè)混凝土之間的溫差均不得大于15℃?；炷恋臏囟炔荒苓^高, 以免混凝土接觸空氣時(shí)降溫過快而開裂, 更不能在此時(shí)澆注冷水養(yǎng)護(hù)?；炷羶?nèi)部開始降溫前以及混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)不得拆模( 需根據(jù)實(shí)測溫度確定) 。
4.3 養(yǎng)護(hù)階段控制措施
受氣溫、相對濕度、混凝土內(nèi)外溫差、風(fēng)速等因素影響, 養(yǎng)護(hù)階段是混凝土對塑性收縮裂紋最敏感的時(shí)段。對于沿海地區(qū), 受海洋性季風(fēng)影響, 夏季風(fēng)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(yīng)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(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù), 防止水分蒸發(fā)產(chǎn)生收縮裂紋。根據(jù)客運(yùn)專線混凝土養(yǎng)護(hù)要求, 夏季梁體混凝土潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜少于7d。養(yǎng)護(hù)時(shí), 注意控制養(yǎng)護(hù)水的溫度與混凝土表面溫度差, 不得大于15℃。
養(yǎng)護(hù)階段的溫度控制是減小溫度應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的重要手段?；炷翝仓旰? 通過對混凝土養(yǎng)護(hù)階段的溫度變化情況進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測, 掌握環(huán)境介質(zhì)溫度、混凝土表面溫度、混凝土芯部溫度的準(zhǔn)確數(shù)值, 根據(jù)實(shí)測溫度, 采取相應(yīng)措施降低溫差, 以減小混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂紋的幾率。下面具體介紹一下測溫方案。
4.3.1 測溫點(diǎn)布設(shè)
梁體測溫點(diǎn)共設(shè)16 個(gè)。分別為: ①梁頂面1/4L、1/2L、3/4L處左右側(cè)各1 點(diǎn), 共6 點(diǎn), 采用PVC 管預(yù)留測溫孔, PVC 管插入混凝土內(nèi)50mm~100mm, 測試混凝土表面溫度; ②梁體兩端波紋管內(nèi)3m～4m 每端2 點(diǎn), 共4 點(diǎn), 測試環(huán)境介質(zhì)溫度; ③梁體兩側(cè)腹板與頂板斜交處( 截面最大處) 1/4L、1/2L、3/4L 處各1點(diǎn), 共設(shè)6 點(diǎn), 預(yù)埋熱敏電阻感應(yīng)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(jì)進(jìn)行量測, 芯部溫度采用預(yù)埋熱敏電阻感應(yīng)片進(jìn)行量測, 環(huán)境溫度采用紅外線測溫儀進(jìn)行量測。根據(jù)經(jīng)驗(yàn), 大體積混凝土的溫差變化在1h～72h 內(nèi)波動(dòng)最大, 因此在該段時(shí)間現(xiàn)場值班應(yīng)加大測量頻率, 每6h 測一次。達(dá)到最大溫升后, 可減少為每日2 次。測試時(shí)要認(rèn)真記錄每次測溫時(shí)間、各測點(diǎn)溫度值。
4.3.3 數(shù)據(jù)處理和應(yīng)急措施
測溫記錄每天要及時(shí)整理, 芯部溫度、表面溫度和環(huán)境介質(zhì)溫度取所測點(diǎn)數(shù)的平均值。計(jì)算整理完畢后, 根據(jù)時(shí)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(shí)對混凝土養(yǎng)護(hù)情況作出反饋。例如, 當(dāng)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(dá)到15℃時(shí), 進(jìn)入預(yù)警狀態(tài), 要根據(jù)實(shí)測溫度, 查找原因, 采取相應(yīng)措施降低溫差。例如, 如果是由于氣候原因?qū)е颅h(huán)境溫度過低或過高, 可采取加熱或降低養(yǎng)護(hù)水溫度、對梁體進(jìn)行覆蓋保溫等措施縮小溫差。在甬臺(tái)溫客運(yùn)專線首孔箱梁定頭村大橋0#臺(tái)- 1# 墩32m 箱梁施工中, 經(jīng)測量, 其芯部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后24h, 為58.7℃, 同時(shí)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(nèi)實(shí), 均無裂紋產(chǎn)生。
5 結(jié)束語
混凝土裂紋的形成往往是幾種因素綜合作用的結(jié)果, 原因非常復(fù)雜。如果措施不力, 工藝不正確, 極容易產(chǎn)生裂紋。我們只是在控制裂紋的產(chǎn)生方面做了一些有益的嘗試。實(shí)踐證明效果是良好的, 混凝土裂紋得到了有效的控制?？傊? 通過優(yōu)化混凝土配合比, 加強(qiáng)施工過程控制, 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù), 箱梁裂紋可以控制。
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