摘要:隨著國家建設(shè)投資的發(fā)展,市政工程的投入進一步加大,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,尤為突出。本文通過現(xiàn)場施工管理,從設(shè)計,施工的角度,分析了造成橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土裂縫的原因,并提出如何預(yù)防,檢查和處理大體積混凝土裂縫的主要的技術(shù)措施。
0 引言
在橋梁建造和使用過程中,大體積混凝土裂縫經(jīng)常出現(xiàn)。大體積混凝土的裂縫是由于大體積混凝土內(nèi)部應(yīng)力和外部荷載作用,以及溫度變化等因素作用下形成的。一般正常大氣條件下,荷載組合i作用下寬度小于0.2mm的裂縫,荷載組合ⅱ、ⅲ作用下寬度小于0.25 mm的裂縫以及處于嚴(yán)重暴露情況下,寬度小于0.1mm的裂縫都屬于正常的工作裂縫。超出以上范圍的裂縫屬于非正常裂縫,終究會影響結(jié)構(gòu)物的耐久性。并且有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下,不斷擴展,不但會影響大體積混凝土表面的美觀、減小鋼筋的大體積混凝土保護層厚度,而且易引發(fā)大體積混凝土面層剝落,加速鋼筋的銹蝕,降低大體積混凝土的抗凍性及耐久性,嚴(yán)重時甚至發(fā)生垮塌事故,所以必須加以控制。
1 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: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(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擔(dān)。
1.1 荷載引起的裂縫 大體積混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫,歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生原因有:①對結(jié)構(gòu)進行計算時,計算模型不合理,結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實際受力不符,荷載少算或漏算;內(nèi)力與配筋計算錯誤,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠;結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮施工的可行性,設(shè)計截面不足;鋼筋設(shè)計偏少或布置錯誤,結(jié)構(gòu)剛度不夠等。②施工時不加限制地堆放施工機具、材料;不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設(shè)計圖施工、擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序、改變結(jié)構(gòu)受力模式;未對結(jié)構(gòu)作疲勞強度驗算等。③在使用階段,超過設(shè)計荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊、發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。
1.2 溫度變化引起的裂縫 混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì),當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化,混凝土將發(fā)生變形,若變形遭到約束,則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫的特征主要是表面裂縫的走向一般無規(guī)律性,深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行;裂縫寬度大小不一,受溫度變化的影響熱細冷寬。
1.3 收縮引起的裂縫 大體積混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的,塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因,另外還有自身收縮和碳化收縮。收縮裂縫產(chǎn)生的主要原因是由于混凝土快速干燥,混凝土內(nèi)水分的蒸發(fā)速率大于其泌水速率,在固體顆粒水面產(chǎn)生毛細管張力,混凝土自體收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土本身的抗拉強度而產(chǎn)生裂縫。收縮引起的裂縫是不規(guī)則斜裂縫,在鋼筋以上,似龜紋,常開始出現(xiàn)在現(xiàn)澆混凝土后數(shù)周或數(shù)月之間。
1.4 地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫 基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有:
1.4.1 由于混凝土在塑性狀態(tài)下其基礎(chǔ)、支架等有不均勻沉降,使局部混凝土變形受約束而產(chǎn)生裂縫。
1.4.2 由于重力作用使混凝土中較重顆粒下沉而使水泥漿上浮,當(dāng)這種下沉受到鋼筋、模板作用時就會產(chǎn)生裂縫。1.5 鋼筋銹蝕引起的裂縫 由于大體積混凝土質(zhì)量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng),其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2倍~4倍,從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫。
1.6 凍脹引起的裂縫 當(dāng)大氣溫度低于零度時,吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍,游離的水轉(zhuǎn)變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力;同時混凝土凝膠孔中的過冰水(結(jié)冰溫度在一78℃以下)在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強度降低,導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。
2 大體積混凝土裂縫的控制措施
2.1 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?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。
2.2 大體積混凝土的骨料控制 在骨料的選擇上應(yīng)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。
2.3 優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)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(fā)生部位如孔洞周圍以及轉(zhuǎn)角處布置一些斜筋,從而讓鋼筋代替混凝土承擔(dān)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),在設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值,因為保護層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫。
2.4 大體積混凝土的施工 混凝土施工包括混凝土的生產(chǎn)、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(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??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。
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(yīng)該具有較高的澆筑溫度?;炷翝仓囟仍诙臼┕r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)視氣溫高低進行加熱。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℃。另外還要注意運輸中的保溫、澆筑過程中減少熱量的損失以及保溫養(yǎng)護。
綜上所述,雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫,但是大量的科學(xué)研究以及成功的工程實例都表明:只要我們在設(shè)計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)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(jié)構(gòu)的裂縫的產(chǎn)生。