橋梁施工中混凝土溫度裂縫的預(yù)防研究

(泰州市姜堰城市建設(shè)投資發(fā)展有限公司 江蘇 姜堰 225500)

混凝土的溫度裂縫較為普遍，在橋梁工程中混凝土的溫度裂縫幾乎無所不在。盡管我們在施工中采取各種措施，小心謹(jǐn)慎，但裂縫仍然時有出現(xiàn)。究其原因，我們對混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。

在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因：首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性；其次，在運營過程中，溫度變化對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，本文僅對施工中混凝土裂縫的成因和處理措施作初步探討。

一、裂縫的原因

混凝土產(chǎn)生裂縫有多種原因，除了溫度和濕度的變化外，還有混凝土的脆性和不均勻性、結(jié)構(gòu)不合理、原材料不合格(如堿骨料反應(yīng))、模板變形、基礎(chǔ)不均勻沉降等。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫。混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1/10左右，極限拉伸變形極小。.由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，運輸和澆筑過程中的離析，導(dǎo)致在同一塊混凝土中抗拉強度不均勻，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運營時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，有時溫度應(yīng)力可能超過其它外荷載所引起的應(yīng)力。因此，掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和混凝土施工溫度控制極為重要。

二、溫度應(yīng)力分析

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個階段：(1)早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天。這個階段的兩個特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力；(2)中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個時期中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大；(3)晚期：混凝土完全冷卻以后的運營時期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：(1)自生應(yīng)力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力；(2)約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。

這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項比較復(fù)雜的工作。在大多數(shù)情況下，需要依靠模型試驗或數(shù)值計算?；炷恋男熳兪箿囟葢?yīng)力有相當(dāng)大的松馳，計算溫度應(yīng)力時，必須考慮徐變的影響，具體計算本文不再細(xì)述。

三、溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施

為了減小溫度應(yīng)力，預(yù)防裂縫，一般可從溫度控制和改善混凝土約束條件兩個方面著手。溫度控制的措施有：(1)采用改善骨料級配，用干硬性混凝土，摻混合料，加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量；(2)拌合混凝土?xí)r用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度；(3)高溫天氣澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；(4)在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷卻水降溫；(5)規(guī)定合理的拆模時間，氣溫驟降時進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度；(6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫措施。改善約束條件的措施有：(1)合理地分縫分塊；(2)避免基礎(chǔ)過大起伏；(3)合理的安排施工工序，避免過大的高差和側(cè)面長期暴露.。此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加強養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫亦十分重要。由于貫穿裂縫出現(xiàn)后若要恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性十分困難，因此施工中應(yīng)以預(yù)防其發(fā)生為主。

值得重視的是，在混凝土的施工中，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模而引起早期裂縫。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時間，以免引起混凝土表面的早期裂縫?；蛟诓鸪０搴蠹皶r在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫海棉等，對于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。

加筋只是對一般鋼筋混凝土有影響，對大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小?；炷梁弯摻罨炷两Y(jié)構(gòu)的表面常常會發(fā)生細(xì)而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫，在混凝土中想要利用鋼筋來防止細(xì)小裂縫的出現(xiàn)很困難。雖然這種裂縫一般都較淺，但它對結(jié)構(gòu)的強度和耐久性仍有一定的影響。為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開裂，提高耐久性，正確使用外加劑也是防止開裂的措施之一。筆者在使用減水防裂劑實踐中總結(jié)出其主要作用為：(1)混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在六十年代就已被國際上所確認(rèn)；(2)水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%；(3)水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強度的條件下可減少15%的水泥用量，其體積用增加骨料用量來補充；(4)減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少沉縮變形；(5)提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，提高的混凝土抗裂性能；(6)混凝土在收縮時受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強度，大幅提高混凝土的抗裂性能；(7)摻加外加劑可使混凝土密實性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮；(8)摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加；(9)摻外加劑混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮.。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們在工程實踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實驗對比和研究，比單純的靠改善外部條件，可能會更加簡捷、經(jīng)濟(jì)。

四、結(jié)束語

本文對混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實踐上的初步分析，提出了現(xiàn)場混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施，僅供工程參考。