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橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與控制

09-03 13:00:30  瀏覽次數:752次  欄目:交通工程
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  隨著橋梁技術的突飛猛進,大體積混凝土在橋梁結構中應用的越來越多。我國普通混凝土配合比設計規范規定:混凝土結構物中實體最小尺寸不小于1m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土;美國則規定為:任何現澆混凝土,只要有可能產生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。

  目前,國內外對機械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對溫度荷載引起得有關裂縫的研究尚不充分。我們應對此加以重視,防止危害結構的裂縫產生。另外對于大體積混凝土內溫度應力與裂縫控制也多集中在水利工程中的大壩、高層建筑的深基礎底板。而對于橋梁中大體積混凝土的裂縫的研究并未得到足夠的重視。本文將對此進行分析,探討裂縫出現的原因及控制措施。

  1、大體積混凝土裂縫產生的原因

  大體積混凝土結構通常具有以下特點:混凝土是脆性材料,抗拉強度只有抗壓強度的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生相當大的拉應力。大體積混凝土結構中通常只在表面配置少量鋼筋,或者不配鋼筋。因此,拉應力要由混凝土本身來承擔。

  1.1水泥水化熱的影響

  水泥水化過程中放出大量的熱,且主要集中在澆筑后的7d左右,一般每克水泥可以放出500J左右的熱量,如果以水泥用量350Kg/m3~550Kg/m3來計算,每m3混凝土將放出17500KJ~27500KJ的熱量,從而使混凝土內部升高。(可達70℃左右,甚至更高)尤其對于大體積混凝土來講,這種現象更加嚴重。因為混凝土內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,使混凝土內部產生壓應力,表面產生拉應力,當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產生裂縫。

  1.2混凝土的收縮

  混凝土在空氣中硬結時體積減小的現象稱為混凝土收縮。混凝土在不受外力的情況下的這種自發變形,受到外部約束時(支承條件、鋼筋等),將在混凝土中產生拉應力,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硬過程中產生的體積變化,后期主要是混凝土內部自由水分蒸發而引起的干縮變形。

  1.3外界氣溫濕度變化的影響

  大體積混凝土結構在施工期間,外界氣溫的變化對防止大體積混凝土裂縫的產生起著很大的影響。混凝土內部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結構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外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快,會造成很大的溫度應力,極其容易引發混凝土的開裂[1].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,也會導致混凝土裂縫的產生。

  2、大體積混凝土裂縫的控制

  2.1大體積混凝土中水泥的品種及用量

  理論研究表明大體積混凝土產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,我們對于橋梁中的大體積混凝土應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礦物成分的不同。水泥礦物中發熱速率最快和發熱量最大的是鋁酸三鈣(C3A),其他成分依次為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)另外,水泥越細發熱速率越快,但是不影響最終發熱量。因此我們在大體積混凝土施工中應盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。我們應該充分利用混凝土的后期強度,以減少水泥的用量。因為大體積混凝土施工期限長,不可能28d向混凝土施加設計荷載,因此將試驗混凝土標準強度的齡期向后推遲至56d或者90d是合理的[3].這是基于這一點,國內外很多專家均提出類似的建議。這樣充分利用后期強度則可以每m3混凝土減少水泥40Kg~70Kg左右,混凝土內部的溫度相應降低4℃~7℃。

  2.2摻加外加料和外加劑

  在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰后,可以增加混凝土的密實度,提高抗滲能力,改善混凝土的工作度,降低最終收縮值,減少水泥用量。要降低大體積混凝土的水泥水化熱引起的內部溫升,防止結構出現溫度裂縫,利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。外加劑可以從以下幾個方面來選擇。UFA膨脹劑,它可以等量替換水泥。并且是混凝土產生適度的膨脹。一方面保證混凝土的密實度,另一方面使混凝土內部產生壓力,以抵消混凝土中產生的部分拉應力。減水緩凝劑,并應保證一定的坍落度。這樣可以延緩水化熱的峰值期并改善混凝土的和易性,降低水灰比以達到減少水化熱的目的。

  2.3大體積混凝土的骨料控制

  在骨料的選擇上應該選取粒徑大強度高級配好的骨料。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。

  2.4優化大體積混凝土的設計

  雖然大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少,我們還是可以在裂縫易發生部位如孔洞周圍以及轉角處布置一些斜筋,從而讓鋼筋代替混凝土承擔拉應力,這樣可以有效的控制裂縫的發展。為了避免裂縫的出現,在設計中利用中低強度底水泥充分利用混凝土的后期強度。在工程結構設計中要特別注意降低結構的約束度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應當盡量取較小值,因為保護層的厚度愈大愈容易發生裂縫。

  2.5大體積混凝土的施工

  混凝土施工包括混凝土的生產、運輸、澆筑和溫度及表面保護,是保護大體積混凝土溫度裂縫的關鍵環節。而熱應力的控制手段主要是控制混凝土的內外溫差△T:

  △T=Tp+Tr-Tf

  式中:Tp—起始澆筑溫度;Tr—水泥水化溫升;Tf—天然或人工冷卻后澆筑塊的穩定溫度。

  在溫度較高的情況下進行施工,我們一定要注意降低混凝土澆筑時的溫度。可以在施工現場對堆在露天的砂石用布覆蓋,以減少陽光對其的輻射,同時對澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向混凝土中添加冰水。以上這些措施都可以有效的降低混凝土的入模溫度。在混凝土的內部通入冷卻循環水,采用循環法保溫養護,以便加快混凝土內部的熱量散發。混凝土表面應該覆蓋一些織物進行保溫、保濕養護,這樣不但可以降低混凝土內外溫差,防止表面產生裂縫,還可以防止混凝土驟然降溫產生貫穿裂縫,并且還可以使水泥順利水化,防止產生濕度裂縫。為了及時掌握混凝土內部溫升與表面溫度變化值,可以在混凝土內埋設一定量的測溫點,從而可以更好的了解混凝土的溫度變化情況,一旦內外溫差超過允許值25℃,好及時采取措施。

  如果是在冬季進行施工,因為要防止早期混凝土被凍問題,所以要求混凝土澆筑時應該具有較高的澆筑溫度。但另一方面,正是由于天氣寒冷,混凝土穩定溫度一定較低,往往超過允許溫差,不能防止混凝土裂縫要求。所以,混凝土澆筑溫度在冬季施工時一般以5℃~10℃為宜,在澆筑混凝土以前還應該對基礎及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預熱,對原材料應視氣溫高低進行加熱。加熱石料時應避免過熱和過分干燥,最高溫度不應超過75℃。另外還要注意運輸中的保溫、澆筑過程中減少熱量的損失以及保溫養護。

  2.6大體積混凝土的裂縫檢查與處理

  對于混凝土裂縫,應以預防為主,為此需要精心設計、施工,但是由于目前采用的防止裂縫的安全系數較小,而實際情況有復雜多變,所以實際工程中還是難免出現一些裂縫。大體積混凝土的裂縫分為三種:表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對于表面裂縫因為其對結構應力、耐久性和安全基本沒有影響,一般不作處理。對深層裂縫和貫穿裂縫可以采取鑿除裂縫,可以用風鎬、風鉆或人工將裂縫鑿除,至看不見裂縫為止,鑿槽斷面為梯形再在上面澆筑混凝土。限裂鋼筋,在處理較深的裂縫時,一般是在混凝土已充分冷卻后,在裂縫上鋪設1~2層的鋼筋后再繼續澆筑新混凝土。對比較嚴重的裂縫可以采取水泥灌漿和化學灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度在0.5mm以上時,對于裂縫寬度小于0.5mm時應采取化學灌漿。化學灌漿材料一般使用環氧-糠醛丙酮系等漿材。

  3、結束語

  綜上所述,雖然大體積混凝土很容易產生裂縫,但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明:只要我們在設計、施工工藝、材料選擇以及后期的養護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響,還是完全可以避免危害結構的裂縫的產生。

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