淺談40m部分預(yù)應(yīng)力薄壁箱梁混凝土裂縫控制技術(shù)

◆王 兵 邵恩賢 鄧小軍

(山東省交通工程監(jiān)理咨詢公司;山東省交通工程監(jiān)理咨詢公司;山東交通職業(yè)學(xué)院)

一、概述

濱州黃河公鐵兩用特大橋40m箱梁使用的是C60混凝土，它需要摻加除水泥外其它一些膠凝材料(如粉煤灰等);需要使用性能更優(yōu)的外加劑，以及低水膠比。也正是由于這些要求使混凝土薄壁箱梁在施工中更容易產(chǎn)生裂縫。這些裂縫的產(chǎn)生無疑是對箱梁混凝土的耐久性和橋梁使用壽命的一個極為不利的因素。為此，我們針對濱州黃河公鐵大橋40m部分預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的施工，一開始就對裂縫問題給予高度的重視，在許多方面做出了一些研究和探討及有益的嘗試，取得了較好的效果。

二、裂縫成因分析

1.濱州黃河公鐵兩用大橋40m箱梁使用的是C60混凝土，橋梁全長40.6m，混凝土方量為102.7m3，理論重量270 噸。

2.裂縫產(chǎn)生原因

(1)施工過程導(dǎo)致裂縫的原因:

由于周圍環(huán)境的相互作用，以及水及膠凝材料本身的反應(yīng)會使混凝土自身產(chǎn)生體積變化，體積變化受到內(nèi)部或外部的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果拉應(yīng)力大于混凝土當(dāng)時的抗拉能力，就會產(chǎn)生裂縫。一般有如下幾種現(xiàn)象:①塑性沉降;②塑性收縮;③自身收縮;④熱應(yīng)力裂縫;

(2)裂縫產(chǎn)生的形態(tài)與時間

首先分析裂縫是何時出現(xiàn)的。一般幾小時內(nèi)產(chǎn)生的裂縫叫塑性收縮，此時混凝土還沒有初凝，其走向一般環(huán)繞骨料，出現(xiàn)時一般密度較大，不貫穿;在幾天內(nèi)產(chǎn)生的裂縫，一般是由于溫度引起的體積變化，叫熱應(yīng)力裂縫，在預(yù)應(yīng)力張拉后一般會閉合;若是在幾周內(nèi)產(chǎn)生的裂縫，則是收縮引起的，或外部干燥引起的，叫干縮裂縫，在水平面上其方向是隨意的，在斜面上趨于與斜面垂直。

三、裂縫控制措施

(一)優(yōu)化混凝土配合比

1.配合比設(shè)計(jì)階段:盡量避免早強(qiáng)、超強(qiáng)。試配階段應(yīng)進(jìn)行抗裂性能的對比試驗(yàn)，并從中優(yōu)選性能良好的混凝土原材料和配比，還要混凝土彈模、不同齡期自由收縮和徐變試驗(yàn)。

改善混凝土配合比應(yīng)遵循的一般原則如下:

(1)選用質(zhì)量穩(wěn)定，并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥和集料等原材料，在混凝土中摻入礦物摻和料，并摻量合適。還要時刻了解原材料的變化，特別是粉煤灰、外加劑等的變化情況。經(jīng)過對多個廠家的水泥進(jìn)行比較，并對礦粉與粉煤灰進(jìn)行單摻、雙摻等分別進(jìn)行試驗(yàn)，最終確定了采用魯宏牌52.5普通硅酸鹽水泥、滕州電廠I級粉煤灰作為膠凝材料。

(2)控制膠凝材料的總用量，并設(shè)法將溫度高峰值朝后推，即推遲溫度峰值產(chǎn)生的時間。

(3)適當(dāng)降低混凝土的水膠比。但水膠比過小，則其抵御溫差的能力非常低，極易出現(xiàn)混凝土的早期開裂。所以不提倡一味的降低水膠比。

2.拌制混凝土?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行配合比

(1)拌制時，原材料及各種礦物摻和料、外加劑的計(jì)量要非常準(zhǔn)確，特別是原材料(砂、石)的含水率的變化。摻合料的充分分散是關(guān)系到混凝土的性能的關(guān)鍵。同時，拌合時間也要稍長一些，因?yàn)镃60混凝土比較脆弱，波動性較大。

(2)由于礦粉的細(xì)度比粉煤灰更大，因此，選用I級粉煤灰作為摻和料。但粉煤灰的比表面積也比水泥大若干倍，致使C60混凝土水化時釋放的熱量多;同時其溫度控制要求高，體內(nèi)溫升峰值控制困難，特別是箱梁這種大體積、薄壁混凝土結(jié)構(gòu)水化熱升高使溫差加大，更容易產(chǎn)生裂縫。特別是夏天，要對砂石料遮陽、降溫，水泥要提前進(jìn)貨、預(yù)留散熱時間或采用冰水拌和等其他降溫措施。

(3)施工時保證新澆混凝土能及時并有連續(xù)較長的養(yǎng)護(hù)時間。

(4)嚴(yán)格控制一些關(guān)鍵溫度:①控制混凝土的入模溫度，不宜超過28℃，不應(yīng)大于30℃;②混凝土的表面接觸物與混凝土的表面溫差不大于15℃;③混凝土的初始溫度和出機(jī)溫度宜控制在5℃ ～28之間。

(二)控制裂縫產(chǎn)生的另一個措施是良好的養(yǎng)護(hù)

1.養(yǎng)護(hù)材料:宜選擇粗麻布織物或土工布，濱州黃河公鐵大橋40m箱梁預(yù)制采用的是比較好的土工布與塑料薄膜相結(jié)合的措施。

2.養(yǎng)護(hù)開始時間:應(yīng)在澆注完畢后立即進(jìn)行覆蓋保溫。對于所有暴露的沒有模板覆蓋的表面包括箱內(nèi)底板頂面，在不影響混凝土表面質(zhì)地的情況下應(yīng)盡早安放養(yǎng)護(hù)物。箱梁頂板，在澆注完收漿抹平之后，應(yīng)開始覆蓋塑料薄膜及養(yǎng)護(hù)毯，并有足夠的重疊，以形成有效的防燥密封，然后立即澆濕(冬天除外)，并在整個養(yǎng)護(hù)期內(nèi)保持濕潤狀態(tài)。灑水養(yǎng)護(hù)采用噴霧器，濕養(yǎng)護(hù)應(yīng)不間斷，不得形成干濕循環(huán)，掌握適當(dāng)?shù)臅r間間隔，在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)保持表面潮濕，養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)到預(yù)應(yīng)力張拉為止。

3.拆模后的養(yǎng)護(hù)以澆水養(yǎng)護(hù)為主，當(dāng)側(cè)模拆除后均應(yīng)不間斷的澆水養(yǎng)護(hù)。

4.保溫養(yǎng)護(hù)。在混凝土水化熱出現(xiàn)之前，即應(yīng)采用蓬布等材料將梁體整個包裹嚴(yán)密，充分利用混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，利用大型風(fēng)扇將箱體內(nèi)的熱空氣抽排至箱體外的封閉空間，以達(dá)到降低內(nèi)外溫差的效果。

5.蒸養(yǎng)。蒸汽養(yǎng)生是冬天控制梁體溫升的一個好方法，但它必須嚴(yán)格，無論升溫、還是降溫。還應(yīng)特別注意升溫的最高幅度，最高值及間隔時間。由于40m箱梁體積大，很難達(dá)到上述要求，因此本工程未采取蒸養(yǎng)，而是采用在密封的蓬布養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)生若干火爐保溫。

(三)二次張拉的措施

為防止箱梁混凝土早期出現(xiàn)裂縫，我們在濱州黃河公鐵大橋40m箱梁預(yù)制時作了一些有益的嘗試，即對箱梁進(jìn)行二次張拉，即初張拉和終張拉。它的原理是混凝土早期溫度增長過程中，水化熱變化大，混凝土抗拉強(qiáng)度非常低，極易產(chǎn)生裂縫，此時我們采取初張拉，給其施加一定的壓應(yīng)力，以補(bǔ)償早期混凝土彈模及強(qiáng)度的不足，這樣可以有效的控制混凝土早期裂縫的出現(xiàn)。

初張拉越早越有利，但考慮到混凝土早期強(qiáng)度和彈性模量的不足，錨下應(yīng)力過大容易造成錨下局部開裂。根據(jù)對箱梁的溫度監(jiān)測，混凝土在澆注12h到48h時升到溫度最高值62℃，之后溫度開始下降，七天后接近環(huán)境溫度(20℃)。根據(jù)試驗(yàn)室對混凝土的早期強(qiáng)度增長情況統(tǒng)計(jì)，還有設(shè)計(jì)院對梁體本身及錨下應(yīng)力推算，我們控制初張拉時混凝土的強(qiáng)度不小于40MPa，彈模不小于20GPa，張拉控制力按箱箱梁腹板設(shè)計(jì)張拉力的30%控制。另外，由于內(nèi)模和變截面段混凝土收縮產(chǎn)生約束作用，為了保證初張拉的有效進(jìn)行，必須在內(nèi)模快速拆除之后方可進(jìn)行。

四、結(jié)束語

高標(biāo)號混凝土的薄壁箱梁施工裂縫是極易發(fā)生的，但采取合理的配合比，恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)方法后，也是可以避免的。濱州黃河公鐵大橋40m部分預(yù)應(yīng)力薄壁箱梁裂縫控制方法，取得了較好效果，值得在今后類似橋梁施工中予以推廣，對其他類型橋梁也有借鑒意義。