摘 要 分析福廈鐵路客運(yùn)專線Ⅱ標(biāo)段混凝土空心橋臺臺身產(chǎn)生裂紋的原因, 介紹其防治措施。
關(guān)鍵詞 大體積混凝土 溫差應(yīng)力 裂紋 預(yù)防措施
新建福州—廈門鐵路客運(yùn)專線, 設(shè)計時速250km、采用有碴軌道結(jié)構(gòu)。站前工程Ⅱ標(biāo)段先行施工完成的秋蘆溪特大橋、東大溪中橋、西山特大橋橋臺臺身相繼發(fā)生豎向裂紋, 其裂紋位置近乎相同。這一質(zhì)量問題引起了施工、業(yè)主和監(jiān)理單位的高度重視,多次召開現(xiàn)場討論會分析原因, 研究防治方案和整改措施, 經(jīng)驗教訓(xùn)收獲甚多。本文對此作一介紹。
1 橋臺及施工概況
福廈線橋臺均采用《福廈施橋參058參考圖》設(shè)計, 為雙線矩形混凝土空心結(jié)構(gòu), 空心截面壁墻最薄為120 cm, 按施工技術(shù)指南要求屬于大體積混凝土,臺身采用C30混凝土澆筑。結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。產(chǎn)生裂紋的橋臺分別為東大溪橋3號臺、秋蘆溪特大橋0號臺和26號臺、西山特大橋0號臺。橋臺
均采用竹膠模板、木框架和鋼腳手支架, 一次拼裝成型, 分別于2006年10月6日～2007年2月8日完成施工。設(shè)計考慮了混凝土抗侵蝕, 使用江蘇雙猴牌礦渣P.O42.5水泥, 施工配合比摻加粉煤灰, 摻加防腐劑3.8 % , 采用泵送澆注。東大溪橋3號臺身分兩次灌注, 其余均一次灌注成型。4座橋臺施工期間均是當(dāng)?shù)氐蜏丶竟?jié), 氣溫為13～28℃。混凝土入模溫度最高27℃, 入模前實測坍落度為130～160 mm?；炷翝仓缶捎帽韺痈采w灑水養(yǎng)護(hù), 模板外部未包裹, 帶模養(yǎng)生不少于14天。裂紋均在拆模后3～7天發(fā)現(xiàn), 大多為豎向裂紋, 空腔內(nèi)有兩道水平縫, 位置分別位于橋臺外表面和空腔內(nèi)墻壁, 寬0.05 ～0.15mm, 探測深度在保護(hù)層范圍內(nèi)。發(fā)現(xiàn)裂紋后即對部分裂紋采取抹水泥條和貼片觀察, 未見發(fā)展。秋蘆溪特大橋臺身裂紋示意見圖1。
2 裂紋原因分析[ 1 ] , [ 2 ]
2.1 從施工條件分析
(1) 大體積混凝土在硬化期間釋放大量水化熱,竹膠模板散熱較慢, 促使結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高。帶模灑水養(yǎng)護(hù), 達(dá)不到結(jié)構(gòu)側(cè)面散熱作用, 混凝土內(nèi)部積溫較高。
(2) 拆模過程中和拆模后, 沒有對臺身進(jìn)行包裹保溫隔熱, 加大了混凝土表面與內(nèi)部溫差, 造成混凝土表面較大的溫差收縮應(yīng)力。
(3) 泵送混凝土每立方配合比水泥用量312 kg、粉煤灰用量83 kg, 膠質(zhì)材料用量較大, 混凝土收縮性較大。
2.2 從內(nèi)力角度分析
(1) 內(nèi)力一般是結(jié)構(gòu)不對稱自重偏載和大體積混凝土溫度收縮應(yīng)力。該橋橋臺結(jié)構(gòu)不對稱, 但拆模時間較晚, 混凝土強(qiáng)度很高, 臺身能夠承受自重, 沒有其它偏載作用。臺身實體尺寸較大, 產(chǎn)生混凝土水化熱溫差應(yīng)力因素較大。
(2) 從溫度應(yīng)力來判斷, 混凝土中粉煤灰含量較大, 水化熱高峰期相對普通硅酸鹽水泥滯后, 拆模時混凝土核心溫度偏高。臺身拆模后結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大, 表面收縮應(yīng)力超過當(dāng)時混凝土的抗拉強(qiáng)度, 從而導(dǎo)致裂紋。溫差應(yīng)力應(yīng)該是主要因素。
2.3 從結(jié)構(gòu)特征分析
4座橋臺豎向裂紋幾乎產(chǎn)生在相同位置, 表明裂紋有規(guī)律性。從臺身混凝土水化熱溫度場看出, 裂紋大多產(chǎn)生在截面核心溫度場結(jié)構(gòu)尺寸的薄弱部位。結(jié)構(gòu)表面橫向溫差應(yīng)力使得裂紋定向化, 裂紋與結(jié)構(gòu)的特殊性有了內(nèi)在聯(lián)系, 是產(chǎn)生裂紋的次要因素。臺身混凝土水化熱溫度場示意見圖2。
2.4 從混凝土性能分析
大體積混凝土結(jié)構(gòu), 溫度內(nèi)部高, 外部低。當(dāng)混凝土裸露后急劇冷卻收縮時, 外部混凝土質(zhì)點與混凝土內(nèi)部質(zhì)點之間相互約束, 表面產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力; 內(nèi)部降溫慢, 受到自約束產(chǎn)生壓應(yīng)力。最大溫差應(yīng)力可用“品茗計算公式”計算
式中 σt , σc 分別為混凝土的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,N /mm2 ; E ( t) 為混凝土的彈性模量, N /mm2 ; α為混凝土的熱膨脹系數(shù), 1 /℃; △T1 為混凝土截面中心與表面之間的溫差, ℃; ν為混凝土的泊松比, 取0.15～0.20。
當(dāng)由(1) 式計算的σt 值, 小于該齡期內(nèi)混凝土的抗拉強(qiáng)度值時, 表示不會出現(xiàn)表面裂紋, 否則可能出現(xiàn)。
該橋拆模后環(huán)境溫度平均按20℃、拆模齡期按20天考慮, 理論計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度為58℃。實際監(jiān)控的結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度為56℃。裂紋發(fā)生在澆筑15天以后, 根據(jù)理論計算曲線和實測記錄結(jié)果,結(jié)構(gòu)核心最高溫度按45℃驗算, 混凝土水化熱溫升曲線見圖3。從圖3可以看出, 在水化熱高峰期過后,實測溫度曲線比理論計算下降快, 說明臺身裸露后散熱速度加快。
(1) 如C30 混凝土彈性模量取E0 = 3.15 ×104N /mm2 , α= 1 ×10 - 5 , △T1 = 30.00℃, ν = 0.18,則混凝土在20 d 齡期的彈性模量由相關(guān)公式計算得E(20) = 2.63 ×104 N /mm2。
(2) 由公式(1) 計算得溫差引起的混凝土最大拉應(yīng)力σt = 5.34 N /mm2 ; 混凝土最大壓應(yīng)力σc= 2.67 N /mm2。
(3) 由20 d齡期的抗拉強(qiáng)度公式計算得ft ( 20)= 1.36 N /mm2。
(4) 安全系數(shù)Kt 取1.2, 則kt σf > ft ( 20) , 說明混凝土內(nèi)部溫差引起的拉應(yīng)力大于該齡期內(nèi)混凝土的拉抗強(qiáng)度, 以致臺身容易產(chǎn)生裂紋。
當(dāng)齡期到達(dá)30 天時, 臺身裸露在20℃溫度條件下, 結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度為38℃時, 計算內(nèi)外溫差產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σ30 = 4.30 N /mm2 , 30 d 齡期的抗拉強(qiáng)度ft (30) = 1.48 N /mm2。這個結(jié)果顯示素混凝土表面抗拉強(qiáng)度增長很慢、抗拉能力很小, 必須采取增強(qiáng)抗裂強(qiáng)度或者控制內(nèi)外溫差的措施, 方能避免裂紋的產(chǎn)生。
3 裂紋預(yù)防措施[ 3 ] , [ 4 ]
(1) 嚴(yán)格控制混凝土源頭的溫度和水化熱量:①采用低水化熱水泥, 優(yōu)化施工配合比, 減少水泥和粉煤灰摻量; ②嚴(yán)格控制混凝土攪拌、出罐、入模溫度, 入模不得超過30℃。若超過限值, 攪拌水摻加冰屑降溫; ③采用緩凝混凝土, 放慢灌注速度, 延長凝固時間; ④施工采用薄層澆搗、均勻上升, 以利于散發(fā)熱量。
(2) 嚴(yán)格控制混凝土養(yǎng)護(hù)溫差: ①在高溫季節(jié)增設(shè)冷卻管降低內(nèi)部水化熱; ②適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時間,帶模養(yǎng)護(hù)不少于15 天; ③包裹模板, 保持模板內(nèi)外溫差不大于15℃; ④拆模要快速, 確保混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面溫差不大于15℃, 表面與包裹的棚外溫差不大于15℃。拆模后迅速包裹臺身并灑水養(yǎng)生; ⑤在混凝土終凝以后逐漸對空腔儲水吸熱, 以吸收混凝土水化熱?？涨豢卓诩由w保溫。
(3) 對臺身溫度場薄弱處增加抗拉溫度鋼筋。
4 效果與建議
(1) 素混凝土結(jié)構(gòu)施工預(yù)防裂紋, 應(yīng)重點控制拆模后的保溫隔熱養(yǎng)護(hù)措施, 養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)不短于20天。
(2) 對于重要建筑物, 考慮結(jié)構(gòu)的耐久性需要,增加溫度鋼筋是非常必要的。
(3) 4座橋臺空腔內(nèi)產(chǎn)生兩道水平裂紋的原因尚待進(jìn)一步分析研究。
(4) 在東大溪橋和西山特大橋的剩余橋臺施工中, 采取了空腔蓄水、臺身拆模包裹保溫、對易裂位置增設(shè)溫度鋼筋等預(yù)防措施, 并加強(qiáng)了施工管理, 拆模觀察一個月未發(fā)現(xiàn)裂紋, 施工質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期效果。
參考文獻(xiàn):
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