智慧梁場預(yù)制箱梁裂縫產(chǎn)生的原因及防治措施

夏友軍，王 慧

(1.湖北交投雙柳長江大橋有限公司,湖北 武漢 431400; 2.湖北交通職業(yè)技術(shù)學院,湖北 武漢 430079)

智慧梁場集成附著振搗、智能液壓技術(shù)、智能移動臺座、集控蒸養(yǎng)技術(shù)、智能張拉壓漿結(jié)合流水生產(chǎn)線工藝技術(shù),從而提高生產(chǎn)效率,加快生產(chǎn)進程。采用智能蒸養(yǎng)裝置使用預(yù)制梁體在高溫中進行養(yǎng)護,縮短養(yǎng)護時間,梁體在升降溫速率過快,容易產(chǎn)生裂縫,梁體出現(xiàn)裂縫缺陷,可能導致報廢處理,造成重大經(jīng)濟損失。在預(yù)制箱梁生產(chǎn)過程中,應(yīng)加強灑水、保濕養(yǎng)護及采取相關(guān)措施,減小梁體與環(huán)境溫度差,讓混凝土表面溫度與環(huán)境溫度慢慢相適應(yīng),從而改善梁體混凝土溫度應(yīng)力裂縫,提高智慧梁場預(yù)制箱梁的合格率具有重要意義[1]。

1 工程概況

1.1 智慧梁場概況

1號智慧預(yù)制梁場總占地面積約52 567.4 m2(含生活區(qū)),負責邾城西互通寶龍互通的箱梁預(yù)制,預(yù)制箱梁2 483片,根據(jù)施工組織計劃,制梁工期為20個月,考慮到各方面影響因素,有效制梁工期按19個月,每個月按照25 d計算。每天需生產(chǎn)N=2 483/19/25≈5.3片,布置6條生產(chǎn)線,設(shè)置移動制梁臺座24個,設(shè)置存梁臺座49個(存梁時間3個月)。智慧預(yù)制梁場包括鋼筋場及環(huán)形生產(chǎn)線,環(huán)形生產(chǎn)線制梁區(qū)布置6條生產(chǎn)線,按生產(chǎn)工序劃分為鋼筋下料加工區(qū)、鋼筋綁扎區(qū)、橫移修整區(qū)、內(nèi)模存放區(qū)、混凝土澆筑區(qū)、蒸汽養(yǎng)護區(qū)、張拉區(qū)、存梁區(qū)。生產(chǎn)線分兩個廠區(qū)布置,中心間距按6.2 m,8 m設(shè)置,各廠區(qū)各設(shè)置一條回流軌道。綜合考慮內(nèi)模安拆空間、龍門吊跨徑等因素,30 m制梁區(qū)配置長度168 m、寬度46 m封閉式廠房1座,內(nèi)設(shè)2.5 m寬安全監(jiān)控平臺(主要用于桁車、布料機操作人員觀察使用及參觀、巡檢使用),內(nèi)設(shè)置6臺22 m跨徑10 t桁車,用于鋼筋骨架吊裝、內(nèi)模安裝、自行式臺座橫移、混凝土澆筑作業(yè)(見圖1,圖2)。

智慧梁場箱梁預(yù)制工序依次為:胎架上鋼筋綁扎(波紋管安裝),整體吊裝至移動底座(內(nèi)模安裝),底座帶鋼筋縱向移入合模澆筑區(qū)澆筑,帶模養(yǎng)生,強度達到50%后,拆模縱移至蒸養(yǎng)房繼續(xù)蒸養(yǎng),蒸養(yǎng)分為靜停、升溫、恒溫、降溫4個階段,強度和彈模滿足要求后移動至張拉區(qū)進行張拉,張拉完成后進行壓漿和養(yǎng)生,并將梁轉(zhuǎn)運至存梁區(qū)[2-3]。

1.2 箱梁預(yù)制情況

智慧預(yù)制梁場于3月28日首件梁開始至5月6日共生產(chǎn)互通主線橋30 m箱梁11片。基本生產(chǎn)情況如下:2號線生產(chǎn)2片(Z29-2,Z22-3),5號線生產(chǎn)2片(Z29-3,Z25-2),6號線生產(chǎn)7片(Z26-3,Z26-2,Z26-4,Z29-4,Z25-3,Z25-4,Z22-2)。全部生產(chǎn)記錄表見表1。

表1 箱梁11片生產(chǎn)記錄表

1.3 裂縫發(fā)現(xiàn)情況

4月26日上午,左幅25-4箱梁蒸養(yǎng)完成,監(jiān)理單位在養(yǎng)護室內(nèi)巡查外觀質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)外側(cè)腹板有豎向裂縫4條,發(fā)現(xiàn)該情況后,迅速對存梁場共8片箱梁進行了外觀檢查,初步檢查發(fā)現(xiàn)左幅26-2外側(cè)腹板有豎向裂縫2條,左幅29-3外側(cè)腹板有豎向裂縫4條。

4月27日上午,監(jiān)理單位會同建設(shè)單位到智慧箱梁預(yù)制場進行裂縫問題調(diào)查,現(xiàn)場對左幅25-4箱梁裂縫數(shù)量及分布位置進行了仔細檢查,發(fā)現(xiàn)外側(cè)腹板有豎向裂縫多條,其中2條裂縫長度從翼板根部貫穿至底板。同時,針對4月27日蒸養(yǎng)完成的左幅22-2箱梁外觀進行了檢查,發(fā)現(xiàn)裂縫8條,分布形式為起于翼板根部的腹板豎向裂縫,長度20 cm～30 cm。根據(jù)相關(guān)情況,建設(shè)組織項目總工、試驗室主任、工區(qū)負責人、梁場施工負責人等相關(guān)人員進行了集中討論,要求項目部暫停箱梁生產(chǎn),迅速對所有箱梁外觀進行全面檢查,包括對已經(jīng)出現(xiàn)外側(cè)腹板裂縫的箱梁,打開堵頭板檢查箱室內(nèi)是否有裂縫,對發(fā)現(xiàn)的裂縫進行標記,測量寬度、深度、長度,詳見表2。

表2 裂縫調(diào)查統(tǒng)計表

2 梁體裂縫產(chǎn)生的原因排查

2.1 原材料及配合比調(diào)查情況

水泥:自2023年3月16日—4月25日,累計進場8批次水泥,各批次指標均檢測合格,滿足GB 175—2007通用硅酸鹽水泥規(guī)范要求。其中批號為P.O42.5-23-DS053,P.O42.5-23-DS052澆筑5片箱梁,有2片開裂,3片未見開裂,可見梁體開裂與水泥質(zhì)量無關(guān)。

粉煤灰:3月11日、4月10日共計進場2批次粉煤灰,檢測指標均滿足GB/T 1596—2014用于水泥和混凝土中的粉煤灰規(guī)范要求,且11片梁板混凝土均有摻入,但只有4片開裂,可見梁體開裂與粉煤灰無關(guān)。

礦渣粉:項目部采購編號為C23-2-107的礦渣粉,11片梁板混凝土均有摻入,但只有4片開裂,可見梁體開裂與粉煤灰無關(guān)。

外加劑:外加劑使用同一批次且檢測合格。

細集料:細度模數(shù)在2.5～2.8之間,質(zhì)量相對穩(wěn)定;含泥量在0.2%～2.5%之間,滿足JTG/T 3650—2020公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范要求。

粗集料:粗集料含泥量在0%～0.2%之間、針片狀含量(質(zhì)量分數(shù))在1.0%～6.5%之間,滿足JTG/T 3650—2020公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范要求。

施工配合比執(zhí)行情況:通過對拌合站生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行核查,4片有裂縫的梁板施工配合比拌合站數(shù)據(jù)均保持一致,詳見表3。

表3 預(yù)制箱梁混凝土施工配合比臺賬

坍落度、擴展度:坍落度在180 mm～200 mm之間、擴展度在450 mm～510 mm之間,均滿足配合比設(shè)計要求。

張拉前混凝土抗壓強度:張拉前,同條件養(yǎng)護試件強度均達到設(shè)計強度的90%,滿足設(shè)計文件要求。

發(fā)現(xiàn)箱梁出現(xiàn)裂縫后,監(jiān)理單位對水泥、碎石、砂重新取樣進行了檢測,各種原材檢測指標均符合規(guī)范要求。據(jù)統(tǒng)計,砂、石拌和誤差未超2%,水泥、粉煤灰、礦粉、減水劑、水拌和誤差未超1%,均滿足規(guī)范要求。

2.2 裂縫檢測及鋼筋保護層檢測情況

經(jīng)中心實驗室對產(chǎn)生裂縫的梁體及鋼筋保護層進行檢測,檢測裂縫位置及鋼筋保護層情況如圖3,表4所示。

表4 裂縫測試結(jié)果統(tǒng)計表

通過對梁體及鋼筋保護層進行檢測、統(tǒng)計情況,分析梁體的裂縫數(shù)量和位置與鋼筋保護層厚度合格率沒有必然聯(lián)系。

2.3 預(yù)制箱梁設(shè)備工裝情況

設(shè)備地基原因分析:地基、軌道沉降,可能會造成臺座變形,可能引起梁體開裂。排查情況:1)對每條生產(chǎn)線地基進行鉆芯取樣,通過芯樣觀察,混凝土下部無脫空。2)在澆筑前后,分別采用水準儀測量臺座鋼梁、地面、鋼軌觀測點標高,臺座監(jiān)測點間距1.5 m,通過前后對比,沉降值1 mm～3 mm,為均勻沉降,對梁體影響較小。

行走軌道原因分析:軌道接頭有錯臺,行走過程顛簸抖動。排查情況:1)通過現(xiàn)場觀察,軌道表面無明顯凸起或錯臺,行走過程平順,且速度緩慢,起步采用低速起步。2)一般在移梁時,梁體混凝土(22 h)強度25 MPa左右,不易產(chǎn)生裂紋。

軌道臺座原因分析:軌道局部不平順,臺座下沉。排查情況:2號線、5號線張拉前,跨中附近梁底脫空2 mm～5 mm,但脫空梁體均未產(chǎn)生裂縫,即在足夠強度下梁底脫空并不致裂紋。

2.4 預(yù)制箱梁工藝工序情況

拆模工藝工序原因分析和排查情況:拆模和鑿毛2 h,靜停4 h,發(fā)現(xiàn)未灑水養(yǎng)護,可能導致表面干裂。

蒸養(yǎng)工藝工序原因分析和排查情況:1)拆模后鑿毛2 h,靜停4 h,此時段為降溫過程;升溫4 h,此過程為升溫過程;恒溫8 h,溫度48 ℃±2 ℃;降溫4 h～6 h,溫度由48 ℃±2 ℃降至與室外環(huán)境溫度相差不超15 ℃,降溫升溫速率過快可能導致溫度應(yīng)力裂縫。2)蒸養(yǎng)室內(nèi)降溫過程中,濕度較低,可能導致混凝土表面干裂。3)發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)室內(nèi)兩端環(huán)境溫度比中間環(huán)境溫度低10 ℃,造成梁體縱向溫度差,可能導致產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫[4-5]。

自然養(yǎng)護工藝工序原因分析和排查情況:出蒸養(yǎng)室后,至壓漿結(jié)束期間,現(xiàn)場人工養(yǎng)護,存在養(yǎng)護不及時情況,可能導致混凝土表面出現(xiàn)干裂。

2.5 溫度監(jiān)測情況

為了揭示大體積混凝土箱梁在高溫蒸養(yǎng)全過程中的溫度變化規(guī)律,精細化控制高溫蒸養(yǎng)過程中的溫度和蒸汽輸送,確保梁體高溫蒸養(yǎng)中的質(zhì)量,指導預(yù)應(yīng)力張拉工序,揭示預(yù)制箱梁工藝工序控制情況,通過埋設(shè)溫度傳感器等手段監(jiān)測箱梁從澆筑開始的全過程溫度變化,選取左29-3梁作為檢測對象,溫度傳感器埋設(shè)如圖4所示,在端部附近、1/4截面和跨中截面下底板、上頂板布置溫度傳感器。

埋設(shè)點溫度曲線見圖5,分析如下:

1)截面內(nèi)部在養(yǎng)護過程中溫度變化趨勢一致,根據(jù)測試當天氣溫條件,環(huán)境溫度在15 ℃左右時,混凝土水化熱在12 h左右達到峰值,溫度達到第一個峰值,蒸養(yǎng)時間應(yīng)避開混凝土水化的高峰期,以有效避免高溫蒸汽養(yǎng)護帶來的“熱損傷”風險。

2)箱梁頂板、腹板和底板區(qū)域溫度分布存在差異,在拆外模之前頂腹板交接處、腹板溫度最高,底板次之,頂板溫度最低(頂板覆蓋水養(yǎng)的結(jié)果);蒸養(yǎng)開始前頂腹板交接處與底板最大溫差為12 ℃左右;此時混凝土抗拉強度較低,存在一定的開裂風險。

3)在高溫蒸汽養(yǎng)護中,頂腹板交接處在整個過程中溫度最高,最高48.32 ℃(在降溫階段),腹板次之,底腹板交接處溫度最低;在蒸養(yǎng)過程中蒸養(yǎng)初期梁板內(nèi)部溫差逐漸減小,恒溫4 h左右梁體溫度達到同步,此時溫差1.14 ℃。隨后溫差逐漸增大,在蒸養(yǎng)結(jié)束時溫差為9.23 ℃;在蒸養(yǎng)結(jié)束5 h后達到最大值10.46 ℃;蒸汽養(yǎng)護13 h左右(降溫階段1 h左右)箱梁內(nèi)部各點溫度測值達到最高峰,頂板平均最高溫為47.98 ℃,腹板最高溫為46.87 ℃,底板平均最高溫為47.06 ℃。此時梁體內(nèi)部各點溫度相差不大。

4)梁板內(nèi)部最高溫度(頂腹板交界處)高于梁體表面溫度,最大溫差21.79 ℃,發(fā)生在蒸養(yǎng)結(jié)束后5 h,在蒸養(yǎng)結(jié)束后的7 h內(nèi),溫差均大于15 ℃。此時梁板與外界溫差較大,超過控制值時間較長,存在開裂風險。

5)鑒于梁板發(fā)生裂縫的概率(4/11),分析了4片梁生產(chǎn)期間的溫度變化,在生產(chǎn)期間氣溫變化幅度較大,最低氣溫僅10 ℃,一方面存在氣溫影響,混凝土內(nèi)部溫差較大。

3 結(jié)論及原因分析

經(jīng)綜合分析,初步判斷預(yù)制箱梁生產(chǎn)過程中梁體與外部環(huán)境的溫度不同,升降溫速率過快,導致混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫。根據(jù)上述對原材料、混凝土配合比、鋼筋保護層、設(shè)備工裝、工藝工序、溫度監(jiān)測等排查情況,智慧梁場預(yù)制箱梁出現(xiàn)梁體裂縫分析原因如下:1)拆模前未根據(jù)環(huán)境溫度情況及時進行養(yǎng)護,梁體內(nèi)水化熱與環(huán)境溫度相差大,拆模后產(chǎn)生了溫縮裂縫。2)拆模后蒸養(yǎng)前靜停時間段內(nèi)未采取對梁進行保濕養(yǎng)護措施,養(yǎng)護不夠全面及時產(chǎn)生了溫縮裂縫。3)蒸養(yǎng)室內(nèi)兩端溫度與中間環(huán)境溫度存在約10 ℃差異,造成梁體縱向溫度差,產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫。4)拆模時間控制不嚴謹,過早產(chǎn)生拉裂,過遲產(chǎn)生溫縮裂縫。

4 防治措施

針對原因分析情況,避免梁體與外部環(huán)境的溫度不同,升降溫速率過快,導致混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫,建議采取以下措施:

1)拆模前在梁頂覆蓋土工布及時灑水養(yǎng)護,同時,利用預(yù)應(yīng)力管道注水降溫,減小梁體與環(huán)境溫度差,并在拆除內(nèi)模后向箱室內(nèi)灑水養(yǎng)護。

2)在拆外模板時,先使模板脫離混凝土面5 cm～10 cm左右,讓混凝土表面溫度與環(huán)境溫度慢慢相適應(yīng)。

3)混凝土預(yù)制梁在端頭鑿毛完成后,在箱梁進入蒸養(yǎng)室前,先將室內(nèi)加濕并將溫度調(diào)整至與混凝土面溫度基本一致。

4)混凝土預(yù)制梁蒸養(yǎng)完成后進入扎拉區(qū)時采取噴霧養(yǎng)護,注意水溫與混凝土表面溫差不宜超過15 ℃。張拉、壓漿,后期進入存梁區(qū)后進行噴淋養(yǎng)護措施。

5)加強對梁體的溫度和應(yīng)力監(jiān)測,做好總結(jié)分析,持續(xù)指導現(xiàn)場優(yōu)化工藝流程。