摘 要 分析福廈鐵路客運專線Ⅱ標段混凝土空心橋臺臺身產生裂紋的原因, 介紹其防治措施。
關鍵詞 大體積混凝土 溫差應力 裂紋 預防措施
新建福州—廈門鐵路客運專線, 設計時速250km、采用有碴軌道結構。站前工程Ⅱ標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,多次召開現場討論會分析原因, 研究防治方案和整改措施, 經驗教訓收獲甚多。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》設計, 為雙線矩形混凝土空心結構, 空心截面壁墻最薄為120 cm, 按施工技術指南要求屬于大體積混凝土,臺身采用C30混凝土澆筑。結構尺寸見圖1。產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地低溫季節(jié), 氣溫為13～28℃?；炷寥肽囟茸罡?7℃, 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, 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, 大多為豎向裂紋, 空腔內有兩道水平縫, 位置分別位于橋臺外表面和空腔內墻壁, 寬0.05 ～0.15mm, 探測深度在保護層范圍內。發(fā)現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, 促使結構內部溫度升高。帶模灑水養(yǎng)護, 達不到結構側面散熱作用, 混凝土內部積溫較高。
(2) 拆模過程中和拆模后, 沒有對臺身進行包裹保溫隔熱, 加大了混凝土表面與內部溫差, 造成混凝土表面較大的溫差收縮應力。
(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, 膠質材料用量較大, 混凝土收縮性較大。
2.2 從內力角度分析
(1) 內力一般是結構不對稱自重偏載和大體積混凝土溫度收縮應力。該橋橋臺結構不對稱, 但拆模時間較晚, 混凝土強度很高, 臺身能夠承受自重, 沒有其它偏載作用。臺身實體尺寸較大, 產生混凝土水化熱溫差應力因素較大。
(2) 從溫度應力來判斷, 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。臺身拆模后結構內外溫差較大, 表面收縮應力超過當時混凝土的抗拉強度, 從而導致裂紋。溫差應力應該是主要因素。
2.3 從結構特征分析
4座橋臺豎向裂紋幾乎產生在相同位置, 表明裂紋有規(guī)律性。從臺身混凝土水化熱溫度場看出, 裂紋大多產生在截面核心溫度場結構尺寸的薄弱部位。結構表面橫向溫差應力使得裂紋定向化, 裂紋與結構的特殊性有了內在聯系, 是產生裂紋的次要因素。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
大體積混凝土結構, 溫度內部高, 外部低。當混凝土裸露后急劇冷卻收縮時, 外部混凝土質點與混凝土內部質點之間相互約束, 表面產生收縮拉應力; 內部降溫慢, 受到自約束產生壓應力。最大溫差應力可用“品茗計算公式”計算
式中 σt , σc 分別為混凝土的拉應力和壓應力,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, 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。
當由(1) 式計算的σt 值, 小于該齡期內混凝土的抗拉強度值時, 表示不會出現表面裂紋, 否則可能出現。
該橋拆模后環(huán)境溫度平均按20℃、拆模齡期按20天考慮, 理論計算的結構內部最高溫度為58℃。實際監(jiān)控的結構內部最高溫度為56℃。裂紋發(fā)生在澆筑15天以后, 根據理論計算曲線和實測記錄結果,結構核心最高溫度按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力σt = 5.34 N /mm2 ; 混凝土最大壓應力σc= 2.67 N /mm2。
(3) 由20 d齡期的抗拉強度公式計算得ft ( 20)= 1.36 N /mm2。
(4) 安全系數Kt 取1.2, 則kt σf > ft ( 20) , 說明混凝土內部溫差引起的拉應力大于該齡期內混凝土的拉抗強度, 以致臺身容易產生裂紋。
當齡期到達30 天時, 臺身裸露在20℃溫度條件下, 結構內溫度為38℃時, 計算內外溫差產生的最大拉應力σ30 = 4.30 N /mm2 , 30 d 齡期的抗拉強度ft (30) = 1.48 N /mm2。這個結果顯示素混凝土表面抗拉強度增長很慢、抗拉能力很小, 必須采取增強抗裂強度或者控制內外溫差的措施, 方能避免裂紋的產生。
3 裂紋預防措施[ 3 ] , [ 4 ]
(1) 嚴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) 嚴格控制混凝土養(yǎng)護溫差: ①在高溫季節(jié)增設冷卻管降低內部水化熱; ②適當延長養(yǎng)護時間,帶模養(yǎng)護不少于15 天; ③包裹模板, 保持模板內外溫差不大于15℃; ④拆模要快速, 確保混凝土結構內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) 素混凝土結構施工預防裂紋, 應重點控制拆模后的保溫隔熱養(yǎng)護措施, 養(yǎng)護時間應不短于20天。
(2) 對于重要建筑物, 考慮結構的耐久性需要,增加溫度鋼筋是非常必要的。
(3) 4座橋臺空腔內產生兩道水平裂紋的原因尚待進一步分析研究。
(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、對易裂位置增設溫度鋼筋等預防措施, 并加強了施工管理, 拆模觀察一個月未發(fā)現裂紋, 施工質量達到了預期效果。
參考文獻:
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