[12-11 16:59:29] 来源：http://www.tmgc8.com 桥梁工程 阅读：3576次
裂缝,是建筑施工混凝土结构中相当普遍的现象,是长期困扰着工程技术人员的一个技术难题。实践证明,裂缝是不可避免的,但可以把它控制在无害范围之内。本文主要分析混凝土裂缝与施工温度的控制关系,加强对施工温度的控制。
关键词:混凝土 裂缝 温度
1 工程概况
某高速公路新建工程周家村桥,桥梁采用2-10m预应力混凝土空心板梁桥,薄壁式桥台,桥台结构分别为桩基、承台和桥台,单个桥台尺寸为,长17.165m,宽0.5m、高3.5m。台身钢筋结构布置为Φ12,钢筋间距15cm×20cm。施工过程中,在台身混凝土中间部位出现一些竖向裂缝,这些裂缝日后对桥台的耐久性产生重要的影响,究其主要原因,对施工过程中混凝土温度应力的变化重视不够是主要原因之一。因此本文仅对施工中混凝土温度裂缝的成因和处理措施加以初浅探讨。
2 裂缝的成因
混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,多种因素相互影响。主要是温度和湿度的变化,混凝土原材料不合格,施工工艺质量低劣,外部荷载等。混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时,即产生温度裂缝。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升。在表面引起拉应力。后期在降温过程中,又在混凝土内部出现拉应力,气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。混凝土是一种脆性材料,由于原材料不均匀,水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一混凝土构件中抗拉强度是不均匀的,存在很多抗拉能力很低、易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土边缘部位如果结构内出现拉应力,则必须依靠混凝土承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是施工中混凝土由最高温度冷却至运转时期的稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其他外荷载所引起的应力,因此掌握温度应力的变化规律对施工极为重要。
3 温差、变形及温度应力
混凝土在凝固过程中,由于水泥水化,释放大量水化热,使混凝土内部温度逐步上升。对尺寸小的结构,由于散热较快,温升不高,不致引起严重后果;大部分水化热将积蓄在浇筑块内,使块内温度达30～50℃,甚至更高。由于内外温差的存在,随着时间的推移,砼内部温度逐渐下降而趋于稳定,与多年平均气温接近。混凝土的温度变化过程,可分为如下图所示的三个阶段,即温升期、冷却期(或降温期)和稳定期。显然,混凝土内的最高温度Tmax等于混凝土浇筑入仓温度Tp与水化热温升值Tr之和。由Tp到Tmax是温升期,由Tmax到稳定温度Tf是降温期,之后混凝土体内温度围绕稳定温度随外界气温略有起伏。Tmax与Tf之差称混凝土体的最大温差,记为△T。很明显,要确定Tmax,须先根据水泥品种和用量,确定水泥水化热引起的温升Tr,同时还须确定混凝土的入仓温度Tp。
刚浇筑的注块其内温呈均匀分布,温度为T1,由于基础对塑性混凝土的变形无约束,故无应力产生。由于温升过程时间不长,可将注块温升视为绝热温升,其内温均匀上升至T2,温度发生T2-T 1的变化,记为△T,相应的温度应变为εT=α△T。
由于升温过程注块尚处于塑性状态,变形自由,故无温度应力发生。事实上只有降温结硬的混凝土在接近基础面部分才受到刚性基础的双向约束,难以变形。冷却收缩时注块对基础产生挤压,基础对混凝土则产生大小相等、方向相反的拉应力,当此拉应力大于混凝土的抗拉强度,则将引起贯穿裂缝。温度变化引起变形εT为基础的约束应力产生的变形εσ所抵消,表现为紧贴基础部位无变形发生,根据变形相容条件有:
εT εσ=α△T (1-μ)σ/E=0 σ=-Eα△T/(1-μ)
式中:σ——温度应力;
εT、εσ——分别为浇筑块温升引起的应变和基础约束产生的应变;
μ——混凝土的泊桑比,可取0.16～0.2;其余符号同前。
显然,对于注块混凝土,E、α、μ均为常量,温度应力的大小只决定于温度变差△T。
4 温度的控制
4.1 控制温度和改善约束条件 ①改善骨料级配;②拌和混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;③热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;④规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度变化;⑤施工中长期暴露的混凝土薄壁结构,在寒冷季节采用保温措施。www.tmgc8.com
4.2 改善约束条件的措施 合理地安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。改善混凝土的性能,提高抗裂能力。防止表面干缩,特别是保证混凝土的质量对防止裂缝十分重要,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防其贯穿性裂缝的发生为主。在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑混凝土早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现温度冲击现象。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力。此时,表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加拉应力,与水化热应力叠加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如塑料薄膜,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率低,在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力,由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7～15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100～200kg/cm2。因此,在混凝土中想利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难,如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。
5 防止施工工艺质量低劣引发的裂缝
在混凝土结构浇筑、拆模,若施工工艺不合理,施工质量低劣,容易产生各种裂缝,裂缝的宽度因产生的原因而异。
比较常见的有:①混凝土震捣过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易浇筑数小时后发生裂缝,既塑性收缩裂缝。②混凝土搅拌运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土塌落度过低,使得混凝土出现不规则的收缩裂缝。③混凝土保护层过厚或上层钢筋被踩压变位,使承受负弯矩的受力钢筋保护层加厚,导致构件的有效高度减少,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。④用泵送混凝土施工时,为了保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,导致混凝土结硬化时收缩量的增加,使得混凝土出现不规则裂缝。⑤混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不当,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。⑥施工模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于侧向压力的作用,使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。⑦施工时拆模过早,混凝土强度不足,使构件在自重或施工荷载作用下,产生裂缝。⑧施工前对支架压实不足,或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝。以上问题在施工中应加以注意,可以避免裂缝的发生。
6 混凝土的早期养护
混凝土的早期养护至关重要,主要在于保持适宜的温度条件,以达到两个方面的效果。一方面使混凝土免受不利温、湿度的侵袭,防止有害的冷缩和干缩;一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。从理论上分析新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余,但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或妨碍水泥的水化反应,表面混凝土最容易直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后最初七天是养护的关键,在施工中应着重加以重视。
7 结束语
桥梁混凝土施工裂缝牵涉到诸多方面,如设计疏忽、施工低劣、监理不严等,均可能使桥梁出现裂缝。因此须严格按照国家技术标准,进行设计、施工,同时在具体施工过程中要多观察,结合各种预防措施,进一步加强质量管理,有效控制混凝土施工裂缝。
参考文献:
[1]天津大学、同济大学、东南大学主编:混凝土结构.中国建筑工业大学,1998年.
[2]赵国藩等编著.钢筋混凝土结构的裂缝控制(第一版).海洋出版社,1991年2月.
[3]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.中国电力出版社,1999年.
