橋梁墩身混凝土開裂原因及防治措施＊

劉會球

(中鐵二十五局集團(tuán)第三工程有限公司,湖南長沙 410001)

橋梁墩身混凝土開裂原因及防治措施＊

劉會球

(中鐵二十五局集團(tuán)第三工程有限公司,湖南長沙 410001)

通過總結(jié)橋墩現(xiàn)場施工管理經(jīng)驗(yàn),從施工的角度,探討了墩身大體積混凝土裂縫開裂的原因,從原材料選用、混凝土配合比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工控制等方面提出了大體積墩身混凝土裂縫控制措施。實(shí)踐證明,采取這些措施可取得較好的裂縫控制效果,可供類似工程的施工提供借鑒。

墩身;裂縫;大體積混凝土;溫度;防治

橋墩大體積混凝土結(jié)構(gòu),往往由于施工不當(dāng)、養(yǎng)護(hù)管理不善及混凝土本身等方面的因素,致使結(jié)構(gòu)引起不同程度的開裂。橋梁墩身混凝土開裂可以說是常見病和多發(fā)病,嚴(yán)重影響工程質(zhì)量,降低工程的使用壽命,經(jīng)常困擾著工程技術(shù)人員。防治橋梁墩身混凝土開裂是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的一種措施。混凝土一旦出現(xiàn)裂縫,后期修補(bǔ)費(fèi)用高、難度大且影響墩身觀感。應(yīng)盡量避免在墩身出現(xiàn)裂縫后再進(jìn)行檢測和修補(bǔ)。

一、墩身大體積混凝土常見的裂縫形式

(一)貫穿整個墩身的縱向深層裂縫

該種裂縫常在橋墩兩側(cè)對稱、墩身拆模后 1～10 d內(nèi)即出現(xiàn),裂縫縫寬 0.2 mm以上,深度在 10 cm以上甚至穿透整個墩身。

(二)混凝土表面出現(xiàn)的龜裂

拆模數(shù)日后,混凝土表面常出現(xiàn)不規(guī)則的縫寬小于 0.2 mm以下的裂縫,稱為龜裂。該種裂縫在橋梁墩身最為常見。裂縫長度不等,深度較淺,開裂面積大。

(三)沿墩身護(hù)面鋼筋出現(xiàn)的縱向、環(huán)向裂縫

該種裂縫只出現(xiàn)墩身護(hù)面鋼筋外側(cè),縫寬 0.2mm以上,長度不等,裂縫深度與鋼筋保護(hù)層厚度有關(guān)。該種裂縫形成原因單一,容易控制,在橋梁墩身出現(xiàn)較少。

二、墩身大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2000定義,混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸等于或大于 1m,或預(yù)計(jì)會因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂縫的混凝土稱為大體積混凝土。大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常具有以下特點(diǎn):混凝土是脆性材料,抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的 1/10左右。大體積混凝土的斷面尺寸較大,由于水泥的水化熱會使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升;以及在以后的降溫過程中,在一定的約束條件下會產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力。結(jié)合多年的工程實(shí)踐,墩身大體積混凝土開裂的主要原因如下。

(一)水泥水化熱的影響

水泥水化反應(yīng)過程中放出大量的熱量,從而使混凝土內(nèi)部升高。(可達(dá) 70℃左右,甚至更高),且主要集中在澆筑后的 7d左右。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)混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

(二)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等三種。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結(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。

(三)外界氣溫濕度變化的影響

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間,外界氣溫的變化對防止大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響?；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愈高;如果外界溫度降低則又會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,會造成很大的溫度應(yīng)力,極其容易引發(fā)混凝土的開裂。另外外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響,外界的濕度降低會加速混凝土的干縮,也會導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

三、裂縫的控制措施

(一)混凝土配合比設(shè)計(jì)控制措施

混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),在保證混凝土強(qiáng)度及具有良好工作性能的情況下,應(yīng)盡可能降低混凝土的單位用水量及水泥用量,并控制混凝土的骨料。

(1)水泥品種選定

水泥水化熱主要取決于水泥的礦物組成、用量和放熱速率,因此應(yīng)選擇低中熱水泥。水泥水化熱主要來自水泥礦物中的 C3 S和 C3A,在大體積混凝土中,應(yīng)優(yōu)先考慮采用 C3 S和 C3A含量低的水泥,如大壩水泥等。

(2)選擇良好級配的骨料,嚴(yán)格控制砂、石的含泥量

中砂,含泥量 <3%,泥塊含量 <1%;采用 5～20卵石,含泥量 <1%,泥塊含量 <0.5%;針、片狀顆粒含量:<15%,砂、石含泥量超標(biāo)的禁止使用。

(3)減少水泥的用量

在確定混凝土強(qiáng)度及坍落度的情況下,宜用大粒徑骨料、合理的集料級配,通過摻粉煤灰、減水劑來減少水泥用量。通過這兩項(xiàng)措施,可以降低混凝土中水泥用量的 25%～30%,降低絕熱溫升 10℃左右。

(4)混凝土的要求

滿足泵送前提下,盡量降低坍落度。高溫天氣時(shí)為 160～180mm,陰雨天氣時(shí)為 140～160 mm。泵送混凝土的水灰比宜為 0.7～0.8。泵送混凝土的砂率宜為 38%～45%。

(二)混凝土施工控制措施

(1)降低骨料溫度

混凝土原材料的預(yù)冷卻,不僅可以降低混凝土的澆筑溫度,而且還可以消減混凝土內(nèi)部水化熱峰值,還可以減少混凝土最高溫度與表面溫度的差值,從而減少溫度變形和溫度應(yīng)力。對混凝土原材料的預(yù)冷卻方法,可采用冷卻拌合水或?qū)Υ旨?xì)骨料進(jìn)行冷卻處理。

(2)控制鋼筋施工不當(dāng)引起的裂縫

在施工時(shí),一定要搭設(shè)工作平臺,避免人員、機(jī)械對鋼筋的擾動;要在鋼筋網(wǎng)之間增加橫向、豎向支撐鋼筋,焊接成鋼筋骨架,增加鋼筋骨架的剛度和穩(wěn)定性,以保證鋼筋位置的準(zhǔn)確。

(3)增配構(gòu)造鋼筋,提高混凝土抗裂性能

在墩身下部易開裂部位增配小直徑、小間距的構(gòu)造鋼筋,提高混凝土的抗裂性能。全截面的配筋率應(yīng)在 0.3%～0.5%之間。

(4)控制混凝土的入模溫度

為了降低大體積混凝土的總溫升,減少結(jié)構(gòu)物的內(nèi)外溫差,控制混凝土的入模溫度是非常重要的措施。入模溫度的高低,與出機(jī)溫度密切相關(guān),另外還與運(yùn)輸工具、運(yùn)距、轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)、施工氣候等有關(guān)。因此,為降低混凝土的入模溫度,應(yīng)盡量減少混凝土的轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù),夏季施工時(shí)混凝土澆筑盡量避開天氣炎熱時(shí)施工。冬期施工時(shí),混凝土的入模溫度不應(yīng)低于5℃;夏期施工時(shí),混凝土的入模溫度不宜高于氣溫且不宜超過 30℃。

(5)及時(shí)排除混凝土泌水

在振搗過程中產(chǎn)生的泌水要及時(shí)消除,消除泌水對混凝土層間黏結(jié)能力的影響,提高混凝土的密實(shí)度及抗裂性能。

(6)加強(qiáng)測溫監(jiān)控

加強(qiáng)混凝土溫度監(jiān)測,如測溫時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)外溫差大于 25℃,采取澆冰水養(yǎng)護(hù)的方法降低養(yǎng)護(hù)溫度,減小內(nèi)外溫差。

(7)養(yǎng)護(hù)措施

為了確?；炷潦┕べ|(zhì)量,養(yǎng)護(hù)是一個十分重要和關(guān)鍵的工序,必須切實(shí)做好?；炷琉B(yǎng)護(hù)主要是保持適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件。一般采用降溫法、保溫法和保濕法等養(yǎng)護(hù)措施,工程上常用降溫法和保溫法養(yǎng)護(hù)。降溫法是在混凝土內(nèi)部預(yù)埋水管,通入冷卻水,降低混凝土內(nèi)部最高溫度,由于降溫法的適用性和靈活性,國內(nèi)已廣泛應(yīng)用。保溫法是在裸露的混凝土表面和側(cè)面模板周邊覆蓋保溫材料 (塑料薄膜、麻袋、土工布等),減少混凝土的內(nèi)外溫差,以免混凝土表面溫度與中心溫度相差大于規(guī)范要求。這是一種比較簡便有效的溫度控制方法。保濕法是在混凝土澆筑成型后,用蓄水、灑水或噴水養(yǎng)護(hù)。

三、結(jié)語

掌握墩身大體積混凝土開裂的主要原因,并根據(jù)實(shí)際情況采取有效措施進(jìn)行控制,是保障混凝土施工質(zhì)量的關(guān)鍵。抓好施工在各個防開裂施工環(huán)節(jié)措施的落實(shí),特別是抓好施工工藝的細(xì)小環(huán)節(jié)落實(shí),把好工程質(zhì)量關(guān),橋梁墩身混凝土開裂這一質(zhì)量通病是可以在施工過程中得到有效控制的。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

[2]李彤厚.大體積混凝土承臺施工溫度裂縫控制實(shí)例[J].建筑技術(shù)開發(fā),2001,(10).

[3]曹可之.大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的綜合措施[J].建筑結(jié)構(gòu),2006,(8).

2010-09-26

劉會球 (1973-),男,湖南祁東人,工程師。