大型箱涵裂縫控制綜合措施初探

摘要:混凝土作為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)最主要的建筑材料，具有其他一般建筑材料無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是，混凝土極易出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題一直困擾著建筑業(yè)者。本文針對(duì)大型箱涵結(jié)構(gòu)，從根本上對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析進(jìn)而總結(jié)出控制裂縫的有效綜合措施。

關(guān)鍵詞:箱涵;混凝土;裂縫控制;綜合措施

一般大型箱涵工程從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)說(shuō)屬于薄壁結(jié)構(gòu)，施工并不困難，但是要達(dá)到優(yōu)良工程的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并非易事，因?yàn)殇摻罨炷料浜壮霈F(xiàn)裂縫，而裂縫可能引起滲漏，影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)箱涵中的污水會(huì)通過(guò)裂縫侵入周邊環(huán)境中，容易引起鋼筋銹蝕繼而可能影響承載能力、構(gòu)筑物安全。

一、裂縫控制的機(jī)理

眾所周知，混凝土裂縫是由混凝土的收縮所產(chǎn)生的，而收縮的過(guò)程是一個(gè)包含多種因素的復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。綜合起來(lái)混凝土的收縮變形主要有澆筑初期(終凝前)的塑性收縮變形、混凝土干縮變形、硬化混凝土收縮變形、混凝土自縮變形以及溫度下降引起的冷縮變形等五種。因此控制裂縫的最終目的是為盡量減小以上五種混凝土收縮變形量，以控制裂縫的開(kāi)展。

1.塑性收縮變形

塑性收縮發(fā)生在混凝土(或漿體)處于塑性狀態(tài)期間，其持續(xù)的時(shí)間較短，大約1～2h，開(kāi)始于混凝土表面光澤消失時(shí)，結(jié)束于混凝土凝結(jié)時(shí)。因此在混凝土塑性收縮階段，混凝土具有足夠的塑性性能，即使發(fā)生塑性收縮，也不會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力。關(guān)鍵在于當(dāng)混凝土剛開(kāi)始硬化時(shí)，混凝土開(kāi)始形成強(qiáng)度，而相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施沒(méi)有及時(shí)跟上，混凝土表面水分的蒸發(fā)，必然加劇塑性收縮裂縫的開(kāi)展。進(jìn)一步的研究表明:水分蒸發(fā)是新拌混凝土表面形成塑性收縮裂縫最重要的影響因素，建議新拌混凝土的蒸發(fā)速度接近1kg/m2·h時(shí)，就應(yīng)采取預(yù)防措施以減少塑性收縮開(kāi)裂的可能性。

2.混凝土干縮變形

干燥收縮是水泥基混凝土的固有特征，是無(wú)法避免的，雖然它已經(jīng)被工程界普遍接受，但是干縮現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理目前還不完全統(tǒng)一，主要有毛細(xì)管張力學(xué)說(shuō)、表面吸附學(xué)說(shuō)和夾層水學(xué)說(shuō)三種觀點(diǎn)。所幸的是混凝土干縮產(chǎn)生的原因是完全統(tǒng)一的，即混凝土的干縮是由混凝土內(nèi)部溫、濕度場(chǎng)變化所致。一些文獻(xiàn)給出了考慮混凝土相對(duì)濕度與溫度場(chǎng)變化的混凝土結(jié)構(gòu)徐變、溫度和干縮應(yīng)力的計(jì)算模式，采用有限元方法進(jìn)行求解，可以比較精確地計(jì)算出混凝土內(nèi)部干縮應(yīng)力。但是其中有關(guān)濕度系數(shù)的公式是基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出的，實(shí)際施工過(guò)程中很難把握，同時(shí)從客觀上講，人們對(duì)其濕度場(chǎng)及其干縮應(yīng)力了解得不多，特別是確定濕度系數(shù)的有關(guān)參數(shù)及邊界條件往往不易確定。所以，目前國(guó)際上通用的幾種常見(jiàn)的計(jì)算模式為CEB-FIP、BP-2、ACI209和我國(guó)“混凝土收縮與徐變的試驗(yàn)研究”專題協(xié)作組提出的估算公式等。從這些經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)看，影響混凝土干縮的因素為環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、混凝土配合比、養(yǎng)護(hù)方法、結(jié)構(gòu)的表面積以及結(jié)構(gòu)的配筋率等，綜合起來(lái)起主要作用的因素為相對(duì)濕度、混凝土配合比、養(yǎng)護(hù)方法。除此之外，人們比較關(guān)心的是干縮出現(xiàn)的時(shí)間和影響程度，有關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為，對(duì)于NSC來(lái)說(shuō)，干縮一般開(kāi)始于混凝土澆搗、養(yǎng)護(hù)2d后才出現(xiàn)。120d后混凝土干縮一般影響的深度為40～60mm，所以對(duì)于箱涵來(lái)說(shuō)，水分蒸發(fā)、干燥過(guò)程是由外向內(nèi)、由表及里逐漸發(fā)展的，把水平筋放在豎向筋的外側(cè)有利于防止收縮裂縫的開(kāi)展。

3.硬化混凝土收縮變形

硬化混凝土收縮變形又稱化學(xué)收縮，水泥的水化反應(yīng)使混凝土的強(qiáng)度得到發(fā)展，同時(shí)，伴隨著放熱和水泥漿體的體積減小。一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)收縮大部分發(fā)生在混凝土硬化前且數(shù)值較小，因此對(duì)于普通混凝土(NSC)一般可不予考慮;同時(shí)從機(jī)理上來(lái)分析，一方面，水化反應(yīng)的進(jìn)行，必須有充足的水分存在，一部分提供化學(xué)反應(yīng)，一部分填充凝膠孔。資料表明只有當(dāng)混凝土水灰比大于0.42時(shí)水泥才能充分水化。另一方面，當(dāng)混凝土不間斷地保持濕養(yǎng)護(hù)，毛細(xì)孔里總是充滿水分，水化反應(yīng)就不會(huì)不斷地進(jìn)行，使強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，而熱量也隨著產(chǎn)生，水化水泥漿體的體積則繼續(xù)減小。所以采用濕養(yǎng)護(hù)時(shí)，水灰比可以適當(dāng)?shù)臏p小，相應(yīng)的混凝土收縮量也會(huì)有一定程度的減小。

4.混凝土自縮變形

自收縮定義為:“混凝土初凝后水泥水化引起膠凝材料宏觀體積的減小，自收縮不包括因物質(zhì)的損失或侵入，溫度的變化或外部力量或限制物的應(yīng)用引起的體積變形”。自收縮可存在于任何水膠比的混凝土中，一般來(lái)說(shuō)自收縮是水泥繼續(xù)水化作用引起的收縮，它與干燥收縮是兩個(gè)不同的概念，但是可以看出，自收縮是引起高性能混凝土(HPC)產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。對(duì)于NSC來(lái)說(shuō)，可以不予考慮，施工過(guò)種中，減小混凝土自收縮的最佳措施就是及時(shí)并充分地澆水養(yǎng)護(hù)。但值得注意的是:按照規(guī)范推薦的干縮測(cè)定方法，所測(cè)得的收縮值實(shí)際上是干縮和自收縮之和，因?yàn)樽允湛s主要發(fā)生在混凝土硬化的早期，一般認(rèn)為混凝土在開(kāi)始凝結(jié)后的幾天或十幾天內(nèi)即可完成，所以自收縮和干縮發(fā)生的時(shí)間在一定范圍內(nèi)是重合的。

5.溫度下降引起的冷縮變形

眾所周知，混凝土水化熱和外界環(huán)境溫度變化共同作用，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)變化，繼而影響混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形，但是對(duì)于箱涵這樣的薄壁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，混凝土水化熱的影響一般比較小，并且可以根據(jù)現(xiàn)行的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推算;同時(shí)外界環(huán)境溫度變化基本上也可以預(yù)知的，因此溫度場(chǎng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)收縮的影響完全可以確定。

二、控制裂縫的措施

對(duì)于NSC來(lái)說(shuō)，當(dāng)混凝土的W/C大于0.40時(shí)，干縮變形占據(jù)了混凝土總收縮變形的絕大部分，且隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷加大，可以認(rèn)為混凝土總的收縮變形近似等于混凝土的干縮變形，這也就是現(xiàn)有規(guī)范只有混凝土干縮測(cè)試和試驗(yàn)方法的主要原因;同時(shí)根據(jù)國(guó)外20多年的長(zhǎng)期干縮試驗(yàn)資料，在混凝土配合比、環(huán)境和荷載條件有很大變動(dòng)的范圍，通常兩周僅完成20年干縮的20%～25%，3個(gè)月完成50%～60%，1年完成其75%～80%。因此箱涵裂縫控制的重點(diǎn)在于控制干縮裂縫的產(chǎn)生，其具體控制措施如下:研究表明，采用雙摻技術(shù)不但有利于混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)，提高混凝土的抗?jié)B性，也相應(yīng)減少其收縮值，當(dāng)粉煤灰的摻量為15%時(shí)，混凝土的收縮值下降了14.5%;當(dāng)摻量為30%時(shí)，則下降了24.8%。由此可見(jiàn)摻入一定量的粉煤灰有利于防裂，因此綜合考慮摻入不大于30%的雙摻量。

水膠比是影響干縮的重要因素，研究表明:水膠比對(duì)混凝土7d內(nèi)的收縮影響并不大，而且表現(xiàn)為水膠比越大，其收縮越小;而在后期，則存在臨界的水膠比，當(dāng)水膠比大于0.47時(shí)，水膠比的變化并不影響它們的干縮值，但當(dāng)水膠比小于0.47時(shí)，則隨水膠比的減小而干縮值不斷減小，但是水膠比對(duì)收縮影響的幅度不大，因此綜合考慮箱涵混凝土的和易性等方面，初步確定混凝土水膠比要小于0.47，因箱涵結(jié)構(gòu)都在地面以下，坍落度控制在14cm以下，一般為12cm。

如果溫度場(chǎng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)收縮的影響和相對(duì)濕度變化引起混凝土的收縮變形較大時(shí)，上述的裂縫綜合防治措施就不起作用，因此有必要界定裂縫綜合防治措施的使用范圍，即混凝土結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力是否超過(guò)混凝土的抗拉應(yīng)力，進(jìn)一步分析并采取相應(yīng)的措施。