预应力桥梁砼裂纹产生原因及防治研究

摘 要:混凝土结构物的裂缝是不可避免的,详细分析了混凝土早期裂缝的起因及开裂机理,接合中铁大桥局多年的预应力桥梁的施工经验和武广高速铁路、向莆铁路等多座预应力连续梁桥对混凝土裂缝的成功防治,提出了预应力桥梁砼早期裂纹有效防治的可操作法。

关键词:混凝土;早期裂缝;预应力;温度湿度;养护;抗拉性能

1 预应力箱梁裂缝的种类及起因分析

1.1 收缩裂缝

1.1.1 沉陷裂缝

当外界湿度减小时,梁体水份就会蒸发,引起凝胶失水,失去水膜的胶粒由于水分引力作用,使胶粒间距变小,产生收缩,由此引起的裂缝就是沉陷裂缝。其一般在浇筑后几个小时就发生。砼浇筑后若不及时养护,几小时内在梁体顶板产生的裂缝就是沉陷裂缝。

1.1.2干缩裂缝

当砼内毛细水减少时,会引起毛细管内压力增大,使管壁受到压力,其压力随温度减小而增大,表现为体积的“干缩”。由于箱梁内部与外表温度不同,从而使内部与外表面干缩的速度也不一样,表面干缩比内部快,所以在外表面产生拉应力引起干缩裂缝。同时由于新的砼干缩比老的砼快,从而在接缝处新砼受老砼的约束,导致新面变化,在接缝的表面产生干缩裂缝(即施工缝)。

砼的干缩大小与水泥的品种、水泥的用量和单位用水量有关。在施工中水泥标号越高、水泥颗粒越细,水泥用量越多、单位用水量越大时,砼的收缩也越大。此外,砂石在砼中形成骨架,对受伤有一定的抑制作用。砂石愈干净、捣固愈密实,砼的收缩量也就愈小。

1.2 温度裂缝

连续箱梁在施工时受到来自与主墩临时混凝土固结支座的约束,也受到来自钢筋及预应力不均匀作用的外部约束,同时受到来自箱梁内部顶板、腹板、底板的截面厚薄不一的内部约束,在有外部及内部约束的情况下,砼在升温及降温过程中将产生温度应力(σt):

σt=R*αt*ΔTm*Ee R——约束度; αt——砼热胀系数(线膨胀系数);

ΔTm——温差 　Ee——砼的有效弹模。砼温度裂缝的引发条件是:σt≥ft(砼的抗拉强度)。为了减免砼温度引起的收缩裂缝,需要控制砼拉应力(σt)不大于砼抗拉强度ft,控制温差ΔTm显然是最为有效并最为可行的。在砼浇筑后的温升期中(3-5天内),砼处于塑性—弹性转变阶段,Ee较小,不容易发生问题,砼峰温过后,弹性模量逐渐增大,温度裂缝大多出现在浇筑后的7-20天内。

同时,连续梁在悬臂分块浇筑过程中,早已硬化的“老”砼块体可对新接浇块体的温度变形起到约束作用,并有可能在新块体中引发裂缝,这种由于新老痛温差所引发的温度裂缝,机制简明预防这种裂缝最有效可行的办法就是降低砼浇筑温度以减小温差。

1.3 预应力裂缝

预应力裂缝主要容易出现在端块锚下应力区以及梁底沿纵向预应力筋的纵向裂缝。张拉时砼的强度未达到,锚中局部应力由泊松效应产生横向环状拉应力,拉应力可以导致开裂;底板中部纵向预应力的泊松效应及施工过程中预应力管道周围砼的收缩不均匀,容易造成底板横桥向拉应力过大,导致底板纵向裂缝。

2 控制箱梁裂缝产生的措施

2.1 砼的质量控制

2.1.1 原材料的选择

(1)水泥的选择。水泥的品质影响水泥凝胶的组分、结构和数量,所以也影响水泥的毛细孔、凝胶孔德形状、尺寸和数量,并进而影响到砼的干缩性。水泥的干缩性可随下列因素而降低:a较低的C3A/SO3比;b较低的Na2O和K2O含量;c较高的C4AF含量。

(2)骨料的选择。砂石一般不与水泥浆起化学反应,它们在砼中主要起到骨架作用,因而可以降低水化热,大大减少砼由于水泥浆硬化而产生的收缩,并起到抑制裂缝发展的作用。

由于骨料在砼中起着重要作用,故砼中骨料应具有良好的颗粒级配,以尽量减小空隙率;砂石表面应干净,以保证与水泥浆更多地结合;应尽可能减少含有的杂质,以保证砼的耐久性。石子的粒径较大时,砼所需的水泥用量和用水量都减少,降低砼的水化热,同时砼的干缩也较小。但石子太大,砼的搅拌和其他操作在施工中都将发生困难,而且易产生离析。针对以上情况,在施工中选用两个级配,一种为5-16mm碎石,另一种为10-25mm粒径石子。

使用砂子过粗易使新拌砼产生泌水现象,影响砼的和易性;使用的砂子较细时,又会使砼粘聚性略大、保水性好、易于振捣,但干缩较大、表面容易产生干缩裂缝。结合施工经验,粗砂细度模数为2.6-2.9。

(3)外加剂的选择。箱梁钢筋较密,再加上有波纹管,因此要求砼的流动性大,和易性好,故使用减水剂、密实剂。减水剂可改善砼的和易性,减少水的用量,减慢水化初期水化热产生的速度,有利于改善砼的温度应力,减少开裂现象;密实剂可使各层砼连接较好,避免施工缝的出现。

(4)配合比的选择。配置砼就是在满足砼和易性、强度、耐久性及尽可能经济等四项基本要求下,比较合理地确定水泥、水、砂子、石子四者的用量比例关系及外加剂的比例。在确保砼的浇筑均匀、振捣密实的前提下,采用较少的拌合水量,较小的水灰比,较好的骨料级配以及较小些的坍落度,较低的拌合温度,都是有助于降低砼的干缩性的。

水泥在水化过程中要释放出一定的热量,而大体积混凝土结构断面较厚,表面系数相对较小,所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去,以至于越积越高,使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热,与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关,并随混凝土的龄期而增长。由于混凝土结构表面可以自然散热,实际上内部的最高温度,多数发生在浇筑后的最初3~5天。

2.1.2 混凝土的抗拉性能

砼温度裂缝的引发条件是:σt(温度应力)≥ft(砼的抗拉强度),砼的抗拉伸变形能力是制约砼裂缝的重要因素之一,但国内关于这方面的实验研究却不如压缩性那样充分。

混凝土受拉中的应力—应变关系线形有似于受压中的关系线性,如图所示:在拉应力增加到超过A点后,砼内部微裂缝逐渐增多、扩展,往往要出现塑性变形,在拉应力增加到极限强度ft(B点)时混凝土不一定立即破坏,而后是拉应力转而下降,直至C点混凝土才要断裂。有资料显示,混凝土的极限拉伸强度除相关混凝土强度之外还受粗骨料粒径形态影响。采用碎石的混凝土,其抗拉伸性可比卵石混凝土强。另有资料,骨料的最大粒径越大,抗拉性能越低。

2.2 箱梁的施工工艺控制

2.2.1养护

砼浇筑完成后即进行养生,能促进硬化作用得以充分发挥,防止干缩裂缝的出现。在施工中通常采用直接往砼表面浇水的方法,使砼表面保持绝对湿润,防止砼时干时湿,致使顶板开裂。

2.2.2混凝土的浇筑

连续箱梁的浇筑采用从顶板下料,先浇筑底板,再浇筑腹板,最后浇筑顶板的浇筑顺序浇筑,并分别采用不同的坍落度控制。底板和顶板控制在14-16cm之间,腹板控制在16-18cm之间。

砼的振捣以附着式为主,插入式振动棒为辅,且重视附着式振动器的设置。附着式振动器必须两边对称振动,控制振动时间。底板和顶板采用插入式振动棒捣固,要布点均匀,逐步振捣,尤其是注意锚头位置和新老混凝土接缝位置的振捣,不可过振或漏振,保证砼的质量,抑制裂缝的产生。梁体顶板在浇筑后要二次收浆,抹面拉毛,防止沉陷裂缝的出现。

2.3 预应力施工控制

预应力施工是一道关键工序,是保证整个梁体质量的重要环节,也将直接影响箱梁以后的承载力。施加预应力要求精度高,故在施工中易受各方面的不良影响,如锚头砼质量,锚下钢筋及弹簧筋的布置,张拉机具及施工人员的技术水平等。在施工中采取以下措施:①标定千斤顶、油表,使其处于良好的工作状态;②检查锚具、钢绞线的质量,杜绝不合格产品;③控制张拉时砼的强度(本桥张拉时强度不小于49.5Mpa)和弹性模量;④使工作锚与锚垫板贴近,并且夹片安装均匀、打紧;⑤加载卸载时要平稳、缓慢,不可过快产生冲击力;⑥张拉顺序须严格按照设计张拉顺序施工。

3 结语

混凝土裂缝本身是一个较复杂的问题,它涉及到混凝土的材性、构性及施工环境等各方面的问题。实际工程结构中的干缩变形和温度变形时而是相伴发生,外部约束和内部约束也时而是同时存在的,如果我们从根本上了解到制约砼裂缝的发生主要有三个基本要素:①砼收缩变形的大小;②砼抗拉性能的高低;③砼变形的约束条件,那么,有效地预防预应力混凝土裂缝的产生也是可操作的。

参考文献：

〔1〕 沙庆林 高速公路桥梁砼早期破坏现象及预防，人民交通出版社，2001年

〔2〕 公路工程质量通病防治指南，人民交通出版社，2002年

〔3〕 王国清，公路工程质量问题及防治措施百问〔M〕，人民交通出版社，2002年

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