鐵路橋梁大體積混凝土裂縫施工控制

于興川

摘要：本文分析了鐵路橋梁大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，對(duì)在施工中如何采取措施控制大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，提出了幾點(diǎn)看法。

關(guān)鍵詞：橋梁；大體積混凝土；裂縫；水化熱

1 前言

隨著國家鐵路建設(shè)的發(fā)展，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越多，而且大多數(shù)都應(yīng)用于主要受力部分，與此同時(shí)暴露出來的質(zhì)量問題也越來越多，其中，大體積混凝土的裂縫問題尤為突出。我國普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物中實(shí)體最小尺寸不小于1m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土；美國則規(guī)定為：任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。目前，國內(nèi)外對(duì)機(jī)械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對(duì)溫度荷載引起得有關(guān)裂縫的研究尚不充分。我們應(yīng)對(duì)此加以重視，防止危害結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生。另外對(duì)于大體積混凝土內(nèi)溫度應(yīng)力與裂縫控制也多集中在水利工程中的大壩、高層建筑的深基礎(chǔ)底板。而對(duì)于鐵路橋梁中大體積混凝土的裂縫的研究并未得到足夠的重視。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

2.1 水泥水化熱

水泥水化過程中放出大量的熱，且主要集中在澆筑后的2～5d左右，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高。尤其對(duì)于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因?yàn)榛炷羶?nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會(huì)形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2.2 混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結(jié)時(shí)體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮。混凝土在不受外力的情況下的這種自發(fā)變形受到外部約束時(shí)(支承條件、鋼筋等)，將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮3種。在硬化初期主要是水泥水化凝固結(jié)硬過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形。

2.3 外界氣溫、濕度變化

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對(duì)裂縫的產(chǎn)生有著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會(huì)愈高；如果外界溫度降低則又會(huì)增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度下降過快，會(huì)造成很大的溫度應(yīng)力，極易引發(fā)混凝土的開裂。另外外界的濕度對(duì)混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會(huì)加速混凝土的干縮，也會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

3 鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的控制

橋梁工程大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生主要是設(shè)計(jì)和施工兩方面的原因，因此主要從以下五個(gè)方面來進(jìn)行控制：

3.1 優(yōu)化鐵路橋梁工程大體積混凝土的設(shè)計(jì)

鐵路橋梁工程大體積混凝土裂縫的控制首先從設(shè)計(jì)方面來考慮，主要從以下幾個(gè)方面來優(yōu)化設(shè)計(jì)：即使鐵路橋梁工程大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，為避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中，在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施。如在孔洞的周圍以及轉(zhuǎn)角處等布景一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔(dān)拉應(yīng)力，提高混凝土的極限拉伸能力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展；在設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮利用中低強(qiáng)度水泥，充分利用混凝土的后期強(qiáng)度；對(duì)于混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值，因?yàn)楸Ｗo(hù)層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫；增配構(gòu)造筋提高抗裂性能。配筋應(yīng)采用小直徑、小間距；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮施工時(shí)的氣候特征，合理設(shè)置后澆縫，保留時(shí)間一般不小于60天。如不能預(yù)測(cè)施工時(shí)的具體條件，也可臨時(shí)根據(jù)具體情況作設(shè)計(jì)變更。

3.2 合理選擇水泥品種及用量

理論研究表明大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。于是，我們對(duì)于橋梁中的大體積混凝土應(yīng)該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內(nèi)礦物成分的不同。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣，其他成分依次為硅酸三鈣、硅酸二鈣和鐵鋁酸四鈣。另外，水泥越細(xì)發(fā)熱速率越快，但是不影響最終發(fā)熱量。因此我們?cè)诖篌w積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。

精心設(shè)計(jì)混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低(低砂率、低坍落度、低水膠比)二摻(摻高效減水劑和高性能引氣劑)一高(高粉煤灰摻量)”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值的抗裂混凝土。

3.3 充分利用混凝土的后期強(qiáng)度

根據(jù)工程特點(diǎn)，充分利用混凝土后期強(qiáng)度，可以減少用水量，減少水化熱和收縮。因?yàn)榇篌w積混凝土施工期限長，不可能28d向混凝土施加設(shè)計(jì)荷載，因此將試驗(yàn)混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的齡期向后推遲至56d或者90d是合理的。基于這一點(diǎn)，國內(nèi)外很多專家均提出類似的建議。這樣充分利用后期強(qiáng)度則可以每立方米混凝土減少水泥40Kg～70Kg左右，混凝土內(nèi)部的溫度相應(yīng)降低4℃ ～7℃。

3.4 摻合料和外加劑的利用

要降低鐵路橋梁工程中大體積混凝土的水泥水化熱引起的內(nèi)部溫升，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫，利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。粉煤灰只要細(xì)度與水泥顆粒相當(dāng)，燒失量小，含硫量和含堿量低，需水量比小，均可摻用在混凝土中使用。通過試驗(yàn)摻入粉煤灰，摻量15％左右。在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰后，一方面可以增加混凝土的密實(shí)度，提高抗?jié)B能力，改善混凝土的工作度，降低最終收縮值；另一方面可以節(jié)約水泥用量，水泥用量減少既可以降低成本，又可以降低大體積混凝土的水化熱，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每lOkg水泥約產(chǎn)生l℃的水化熱，水化熱降低了，一方面有利于對(duì)大體積混凝土裂縫的控制，另一方面保溫和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也隨之減少，節(jié)約成本。

對(duì)于高強(qiáng)混凝土外加劑可以參膨脹劑及高效減水緩凝劑。

膨脹劑，它可以等量替換水泥。并且是混凝土產(chǎn)生適度的膨脹。一方面保證混凝土的密實(shí)度，另一方面使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力，以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力。

混凝土本身水泥水化需水量約為水泥重量的l／4，即理想水灰比應(yīng)是0．25。而實(shí)際施工時(shí)，為了滿足施工工作度的要求，其用水量比理想的用水量要大得多，使混凝土中存在多余的水分，造成混凝土孔隙率及收縮率增大，強(qiáng)度和耐久性降低，使混凝土質(zhì)量變劣。國內(nèi)多項(xiàng)工程試驗(yàn)證明合理的摻用減水劑或高效復(fù)合減水劑，能使混凝土用水量減少25％左右，從而降低水灰比，提高混凝土的柔塑性，延緩水化熱的峰值期并可降低水泥早期的水化熱，改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實(shí)度，提高混凝土的強(qiáng)度。

3.5 合理選擇骨料

優(yōu)選混凝土各種原材料。在條件許可情況下，應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。

骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對(duì)體積的80％．83％，在骨料的類型選擇上應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級(jí)配良好的骨料。粗細(xì)骨料的含泥量應(yīng)盡量減少。在骨料的粒徑選擇上應(yīng)該選取粒徑大強(qiáng)度高級(jí)配好的骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積，從而減少水泥的用量，降低水化熱，減少干縮，減小了混凝土裂縫的開展。

3.6 施工中的溫控措施

施工時(shí)在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管和測(cè)溫點(diǎn)，通過冷卻水循環(huán)，降低混凝土內(nèi)部溫度，減小內(nèi)表溫差，控制混凝土內(nèi)外溫差小于25'C，通過測(cè)溫點(diǎn)測(cè)量，掌握內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度，以便及時(shí)調(diào)整冷卻水的流量，并采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，控制溫差。同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)混凝土表面的保溫處理及其養(yǎng)護(hù)。尤其是冬季施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)延緩混凝土的拆模時(shí)間，可以避免混凝土表面溫度驟然降低而形成較大的溫度梯度。

結(jié)束語

在控制大體積混凝土溫度裂縫時(shí)既要控制混凝土的內(nèi)外溫差又要防止混凝土表面溫度的突然變化。重視溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)際施工中應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度和內(nèi)外溫差的變化趨勢(shì)，并據(jù)此來調(diào)整溫控措施，確保混凝土不開裂。影響大體積混凝土開裂的因素很多，應(yīng)從造成裂縫的各種原因著手，采取全面防治措施，并根據(jù)工程具體情況確定防裂重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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