橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與防治

橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與防治隨著國家建設(shè)投資的發(fā)展，市政工程的投入進(jìn)一步加大，各類橋梁在市政工程的應(yīng)用日益廣泛，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越多，而且主要應(yīng)用于主要受力部分，但是，相應(yīng)暴露出來的問題也越來越多，其中，大體積混凝土的裂縫問題，尤為特別。我國一般混凝土配合比制定規(guī)范規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)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(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)外對機(jī)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(guān)裂縫的研究尚不充分。我們應(yīng)對此加以重視，防止危害結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生。另外關(guān)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。而關(guān)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(jìn)行分析，探討裂縫出現(xiàn)的原因及控制措施。1大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因大體積混凝土結(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。大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應(yīng)力要由混凝土本身來承當(dāng)。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(nèi)部升高。〔可達(dá)70℃左右，甚至更高〕。尤其關(guān)于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因為混凝土內(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)度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫?；炷猎诳諝庵杏步Y(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ臓顩r下的這種自發(fā)變形，受到外部約束時〔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。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。如果外界溫度的下降過快，會造成很大的溫度應(yīng)力，極其容易引發(fā)混凝土的開裂[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(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。2大體積混凝土裂縫的控制理論研究說明大體積混凝土產(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，我們關(guān)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〔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(xì)發(fā)熱速率越快，但是不影響最終發(fā)熱量。因此我們在大體積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。我們應(yīng)該充分利用混凝土的后期強(qiáng)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向混凝土施加制定荷載，因此將試驗混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的齡期向后推遲至56d或者90d是合理的[3]。這是基于這一點(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m3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℃。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，提升抗?jié)B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(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。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(chǎn)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(nèi)部產(chǎn)生壓力，以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力。減水緩凝劑，并應(yīng)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(dá)到減少水化熱的目的。在骨料的選擇上應(yīng)該選取粒徑大強(qiáng)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。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(fā)生部位如孔洞四周以及轉(zhuǎn)角處布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承當(dāng)拉應(yīng)力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。為了避免裂縫的出現(xiàn)，在制定中利用中低強(qiáng)度底水泥充分利用混凝土的后期強(qiáng)度。在工程結(jié)構(gòu)制定中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。關(guān)于混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值，因為保護(hù)層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫?；炷潦┕ぐɑ炷恋纳a(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑和溫度及表面保護(hù)，是保護(hù)大體積混凝土溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而熱應(yīng)力的控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)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(wěn)定溫度。在溫度較高的狀況下進(jìn)行施工，我們一定要注意降低混凝土澆筑時的溫度?？梢栽谑┕がF(xiàn)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(nèi)部通入冷卻循環(huán)水，采納循環(huán)法保溫養(yǎng)護(hù)，以便加快混凝土內(nèi)部的熱量散發(fā)?；炷帘砻鎽?yīng)該覆蓋一些織物進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，這樣不但可以降低混凝土內(nèi)外溫差，防止表面產(chǎn)生裂縫，還可以防止混凝土突然降溫產(chǎn)生貫穿裂縫，并且還可以使水泥順利水化，防止產(chǎn)生濕度裂縫。為了及時掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度變化值，可以在混凝土內(nèi)埋設(shè)一定量的測溫點(diǎn)，從而可以更好的了解混凝土的溫度變化狀況，一旦內(nèi)外溫差超過同意值25℃，好及時采用措施。如果是在冬季進(jìn)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(yīng)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(wěn)定溫度一定較低，往往超過同意溫差，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(yīng)該對基礎(chǔ)及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預(yù)熱，對原材料應(yīng)視氣溫凹凸進(jìn)行加熱。加熱石料時應(yīng)避免過熱和過分干燥，最高溫度不應(yīng)超過75℃。另外還要注意運(yùn)輸中的保溫、澆筑過程中減少熱量的損失以及保溫養(yǎng)護(hù)。關(guān)于混凝土裂縫，應(yīng)以預(yù)防為主，為此需要精心制定、施工，但是由于目前采納的防止裂縫的安全系數(shù)較小，而實際狀況有復(fù)雜多變，所以實際工程中還是不免出現(xiàn)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。關(guān)于表面裂縫因為其對結(jié)構(gòu)應(yīng)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用鑿除裂縫，可以用風(fēng)鎬、風(fēng)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(shè)1～2層的鋼筋后再持續(xù)澆筑新混凝土。對比較嚴(yán)重的裂縫可以采用水泥灌漿和化學(xué)灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬