橋梁工程的大體積混凝土施工技術

徐高輝　黃　銘

摘要:本文分析了橋梁工程大體積混凝土裂縫產生的原因,提出了降低混凝土溫度應力、防止混凝土產生裂縫的施工控制措施,以及在構造設計上對大體積混凝土應采取的防裂措施。

關鍵詞:橋粱工程;大體積混凝土;裂縫;原因

1 前言

大型橋梁工程一些懸索橋錨碇、橋梁承臺和基礎結構采用了很大幾何尺寸的設計方案,龐大的混凝土體積達上萬立方米。其結構厚實、混凝土體積量大、工程條件復雜、施工技術要求高,以及水泥水化熱大易使結構產生溫度和收縮變形,出現橋梁大體積混凝土工程質量問題,給工程正常使用和耐久性帶來不同程度的危害。本文從設計、施工和質量管理等角度,研究如何保證大體積混凝土結構質量問題。

2 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1O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。

2.1 荷載引起的裂縫

大體積混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱為荷載裂縫,歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。產生原因有:

2.1.1 對結構進行計算時,計算模型不合理,結構受力假設與實際受力不符,荷載少算或漏算;內力與配筋計算錯誤,結構安全系數不夠;結構設計未考慮施工的可行性,設計截面不足;鋼筋設計偏少或布置錯誤,結構剛度不夠等。

2.1.2 施工時不加限制地堆放施工機具、材料;不了解預制結構受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖施工、擅自更改結構施工順序、改變結構受力模式;未對結構作疲勞強度驗算等。

2.1.3 在使用階段,超過設計荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊、發生大風、大雪、地震、爆炸等。

2.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮的性質,當外部環境或結構內部溫度發生變化,混凝土將發生變形,若變形遭到約束,則在結構內將產生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。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。

2.3 收縮引起的裂縫

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。

2.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于大體積混凝土質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生銹蝕反應,其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2倍,從而對周圍混凝土產生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫。

2.5 凍脹引起的裂縫

當大氣溫度低于零度時,吸水飽和的混凝土出現冰凍,游離的水轉變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產生膨脹應力;同時混凝土凝膠孔中的過冰水(結冰溫度在-78℃以下)在微觀結構中遷移和重分布,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強度降低,導致裂縫出現。

3 大體積混凝土施工質量控制措施

3.1 大體積混凝土配合比設計

3.1.1 原材料選用。由于水泥的用量直接影響著水化熱的多少及混凝土溫生,大體積混凝土應選用水化熱較低的水泥,如低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥等,并盡可能減少水泥用量。細骨料宜采用中砂,因為使用中砂比用細砂可減少水及水泥的用量。在可泵送情況下粗骨料,選用粒徑5-20mm連續級配石子,以減少混凝土收縮變形。使用摻合料,應用添加粉煤灰技術。在混凝土中摻用的粉煤灰不僅能夠節約水泥,降低水化熱,增加混凝土和易性,而且能夠大幅度提高混凝土后期強度,推移溫升峰值出現時間。

3.1.2 外加劑的使用。采用減水劑,試驗表明,在混凝土添加了膨脹劑之后混凝土內部產生的膨脹應力,可以抵消一部分混凝土的收縮應力,這樣,相應地提高混凝土抗裂強度。

3.2 溫控措施及施工現場控制

3.2.1 溫度預測分析。根據現場混凝土配合比和施工中的氣溫氣候情況及各種養護方案,采用計算機仿真技術對混凝土施工期溫度場和溫差進行計算機模擬動態預測,提供結構沿厚度方向的溫度分布及隨混凝土齡期變化情況,制定混凝土在施工期內不產生溫度裂縫的溫控標準,進行保溫養護優化選擇。

3.2.2 混凝土澆筑方案。采用延緩溫差梯度和降溫梯度的措施,在澆筑前經詳細計算安排分塊、分層澆筑次序、流向、澆筑厚度、寬度、長度、前后澆筑的搭接時間;控制混凝土入模溫度并加強振搗,嚴格控制振搗時間,移動距離和插入深度,保證振搗密實,嚴防漏振和過振,確保混凝土均勻密實;做好現場協調、組織管理,要有充足的人力、物力、保證施工按計劃順利進行,保證混凝土供應,確保不留冷縫;澆筑后對大體積混凝土表面較厚的水泥漿進行必要的處理,一般澆筑后3～4h內初步用木長刮尺刮平,初凝前用鐵滾筒碾壓2遍,再用木抹子搓平壓實,以控制表面龜裂;混凝土澆灌完后,立即采取有效的保溫措施并按規定覆蓋養護。

3.2.3 混凝土溫度監測。在混凝土內部、外部設置溫度測點,設置保溫材料溫度測點及養護水溫度測點,現場溫度監測數據由數據采集儀自動采集并進行整理分析。每一測點的溫度值、各測位中心測點與表層測點的溫差值,作為研究調整控溫措施的依據,防止混凝土出現溫度裂縫。

3.2.4 為反映溫控效果可在少數混凝土層中埋設應變計進行溫度應力檢測,應變計沿水平方向布置,檢測水平方向應力分量。

3.2.5 通水冷卻。采用薄壁鋼管在一些混凝土澆筑分層中帶沒冷卻水管,冷卻水管使用前進行試水,防止管道漏水和阻塞,根據混凝土內部溫度監測,控制冷卻水管進水流量及溫度。

4 構造設計上對大體積混凝土采取防裂措施

4.1 設計合理的結構形式,可以減少工程數量,減低水化熱。如可根據懸索橋錨碇受力特點,設計挖空非關鍵受力部分混凝土體積,利用土方壓重方案,來減少混凝土結構體積。

4.2 充分利用混凝土在基坑有側限條件,在混凝土中摻加微膨脹劑,使其在基坑約束下形成一定的預壓力,補償混凝土內部溫度、收縮產生的拉應力,從而有效的避免混凝土裂縫的產生。

4.3 大體積混凝土體積龐大,施工周期一般較長,依據結構受力情況可合理地確定混凝土評定驗收齡期,打破著正常標準28d的評定驗收齡期,改為60d或更多天,評定驗收齡期充分考慮混凝土的后期強度,從而減低設計標號,達到減少混凝土水泥用量減低水化熱的目的。

4.4 由于邊界存在約束才會產生溫度應力,采用改善邊界約束的構造設計,如遇有約束強的巖石類地基、較厚的混凝土墊層等時,可在接觸面上設滑動層來減少溫度應力。在外約束的接觸面上全部設滑動層,則可大大減弱外約束。

4.5 還應重視合理配筋對混凝土結構抗裂的有益作用,可采取增配構造鋼筋。配筋應盡可能采用小直徑、小間距,全截面含筋率控制在0.3%～0.5%之間。在混凝土表面增設金屬擴張網等有效措施,有效地提高混凝土抗裂性能。

5 結束語

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。