浅析商品混凝土在市政桥梁应用中裂缝产生的原因和控制措施.doc

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1、浅析商品混凝土在市政桥梁应用中裂缝产生的原因和控制措施浅析商品混凝土在市政桥梁应用中裂缝产生的原因和控制措施叶伟摘要:商品混凝土在市政桥梁工程中得到广泛应用,裂缝控制问题也是市政桥梁工程常常遇见的技术问题.本文结合市政桥梁工程实例,分析商品混凝土桥梁裂缝产生的原因,并提出防治裂缝的技术措施.关键词:商品混凝土;市政桥梁;裂缝;控制1前言商品混凝土由于能确保工程质量,减轻劳动强度,加快工程进度,同时可减少城市施工噪音,保护环境,实现城市文明施工,具有明显的经济效益和社会效益而被广泛推广,所以在市政桥梁工程施工中,尤其在城市中心区域施工中得到普遍欢迎,然而在钢筋混凝土结构领域,一个问题就是使用了商

2、品混凝土而带来桥梁结构的裂缝问题,且有日趋增多的趋势,是一个迫切需要解决的技术课题.近年来桥梁大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,通过大量的调查与实测研究证明这种裂缝是由于变形作用引起,包括水泥的水化热,气温变化,环境生产热的温度变形,塑性收缩,干燥收缩,碳化收缩等收缩变形及地基不均匀沉降变形.2商品混凝土桥梁裂缝的主要原因结构混凝土强度等级日趋提高,采用高强混凝土,导致水泥标号增加,水泥用量增加,水用量增加,且细骨料及粗骨料径偏小,砂率偏大等都使水化热及收缩增加.同时桥梁结构承受的约束作用分自约束和外约束两类.结构的变形如果是完全自由的变形达到最大值,则内应力为零,也就不可能产生任何裂

3、缝.如果变形受到约束,在全约束状态下则应力达到最大值,而变形为零.在全约束与完全自由状态的中间过程,即为弹性约束状态,亦即自由变形分解成为约束变形和实际变形.实际变形越大,约束应力越小;实际变形越小,约束应力越大.在约束状态下,结构首先要求有变形的余地,如结构能满足此要求,不再产生约束应力.如结构没有条件满足此要求,则必然产生约束应力,超过混凝土的抗拉强度,导致开裂.所以在工程设计中,根据结构所处的具体时空条件就应该加以灵活的应用.外荷载作用下结构的内力只与荷载及结构几何尺寸有关,但在变形作用条件下,结构的约束内力不仅与变形作用及结构几何尺寸有关,尚与结构刚度有关,这是约束内力与荷载内力的重要

4、区别.例如:对于一个单向简支桥梁的两端受到转动的约束,当梁沿截面高度为h,承受温差T时(如预制板两端支于屋架上弦),则单向板上的约束力矩M:撞圜2011年7月M:EIn式中:a混凝土的线膨胀系数.约束力矩不仅与温差和截面高度有关,而且与梁的抗弯刚度成正比,刚度越大,约束力矩越大,这适宜于裂缝出现及扩展阶段,当然应当考虑钢筋混凝土的抗弯刚度是变化的.当温差不断增加,钢筋混凝土构件进入极限状态时,裂缝充分发展,刚度下降并趋近于零时则力矩也趋近于零.所以,变形力矩不影响结构的极限状态,这一论断已为实验证实.但是裂缝影响使用(渗漏)及耐久性(钢筋锈蚀).任何尚未荷载作用的混凝土,它的组合材料包括水泥,

5、水,砂,石,外加剂及掺合料等组分相互物理化学作用硬化成为一种多空隙复合材料,由于初始温度收缩应力作用而形成内部许多微观裂缝,这种裂缝在外力作用下不断扩展,成为宏观裂缝,继续扩展对素混凝土迅速导致破坏.但是,对于钢筋混凝土,特别是有充分构造配筋的钢筋混凝土出现一定程度的裂缝,不会迅速导致破坏,只是限制裂缝宽度问题,使其不达到有害程度.因此,构造配筋显得十分重要,可以有效地控制裂缝的出现及分散裂缝.自从80年代初我国混凝土施工工艺出现泵送商品混凝土工艺.从过去的干硬性,低动性,现场搅拌混凝土转向集中搅拌,转向大流动性泵送浇注,水泥用量增加,水灰比增加,砂率增加,骨料粒径减小,用水量增加等导致收缩及

6、水化热增加.外加剂及掺合料种类繁多,只有强度指标缺乏对水化热及收缩变形影响的长期实验资料,有些试验资料并不严格,有许多外加剂严重的增加收缩变形,有的甚至降低耐久性.同时目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法,这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温度收缩变形的要求,泵送混凝土浇注的构件收缩量很大,因此经常出现收缩裂缝由于近来水泥活性和强度等级的增加,收缩量显着增加,并且拖延时间较长.影响收缩的因素很多,如水泥品种采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥水化热低了,但其收缩约大25%.众所周知,水灰比大,收缩将显着增加,同时抗拉强度降低.如水灰比为0.6的收缩比水灰比为0.4的收缩增加约40%.

7、有时尽管水灰比不变,增加用水量,同时增加水泥量即水泥浆量,如水泥浆量为0.2(水泥浆占混凝土总重量比例)比O.4时的收缩量增加约45%.减水剂可有效的降低水灰比及用水量,而粉煤灰具有圆珠润滑效应和火山灰效应,所以双掺技术对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收缩.根据泵送商品混凝土的收缩试验,其收缩值约在6810-4,有些由于施工质量问题,形成了中部骨料多,外部或上表面砂浆厚,从而形成极不均匀的收缩,砂浆和水泥浆的收缩比混凝土的收缩大约增加2-5倍.并且混凝土粗细骨料的含泥量和粉料含量都增加收缩.目前市场出现了很多新型的外加剂和掺合料,几乎没有进行体积变形稳定性方面的试验,而许多材料都有增加收缩的

8、特点,必须进行长时期准确的收缩试验,才能得到有利于控制裂缝的材料.虽然混凝土的桥梁配筋对于收缩值起一定的约束有利作用,但是与配筋率的高低有关,按目前桥梁构造配筋率的情况看来,降低收缩的影响是比较小的.所以,泵送商品混凝土对混凝土的均质性有很大的提高,但是对混凝土的裂缝控制的难度大大增加了.3裂缝防制措施(1)适当减少混凝土水灰比,降低混凝土坍落度,根据行业标准普通混凝土配合比设计规程JGJ厂I15596的要求,混凝土入泵的坍落度在泵送高度小于30m时选用100140mm,现场实测混凝土坍落度达到160180mm,超过较多.因此,与商品混凝土搅拌站联系后决定适当减少水灰比,把混凝土的坍落度控制在

9、140mm以内,以减少混凝土浇捣和振捣时表面浮浆过多.(2)适当延缓混凝土表面振捣器的振捣时问.商品混凝土由于掺入缓凝型减水剂,经测定混凝土的初凝时间在68h,适当延缓混凝土表面振捣时间,使混凝土获得初步沉实,减少振捣过程中石子下沉,使表面不会形成一层较厚的水泥砂浆层,根据现场施工的经验,合理的振捣时间应为混凝土浇筑后46h.(3)处理局部存在的砂浆层.由于混凝土的初凝时间与气候,温度有直接的关系,受现场条件的限制,混凝土振捣时间,振捣部位很难准确控制,某些部位仍可能出现较厚的水泥砂浆层.此外梁面也实际存在着一层较厚的水泥砂浆层.处理的办法是:在这些部位加洒O.52cm干净的石子,然后用木抹子

10、搓平,使石子与水泥砂浆结合形成一层细石混凝土;进行二次抹压,消除裂缝.由于泵送商品混凝土裂缝大部分产生于混凝土的初凝过程,因此在混凝土初凝后终凝前进行二次抹压,既能消除裂缝,又能减少收缩,避免再出现裂缝.(4)加强混凝土的早期养护.实践证明,混凝土养护不当也是引起混凝土开裂的一个主要原因,特别是掺缓凝剂的商品混凝土更应加强养护.因此,在混凝土终凝后应及时进行养护;采用麻袋或草袋覆盖并定时洒水,保持混凝土表面湿润是混凝土板养护的较好方法,以避免混凝土表面水份散失过快体积急剧收缩而引起裂缝.特别对于分两次浇混凝土的箱梁,在未浇顶板之前,由于顶板施工的需要,对腹板及底板的养生只能采用直接淋水的方法而

11、不能覆盖麻袋,因此在炎热天气下一有疏忽,淋水跟不上,混凝土表面就很快晒干导致出现收缩裂纹;或在冬天干燥寒冷的情况下加速混凝土表面散热导致混凝土内部温差增大从而产生裂纹.因此,夏天应保持湿润养生,冬天则要注意覆盖保温养生.总之,泵送商品混凝土由于其坍落度较大,初凝时问较长等特点,应严格控制水灰比,适当延缓混凝土表面振捣的时间,处理局部浮浆,加强混凝土养护,以防止混凝土表面出现裂缝.4工程实例某市政桥梁工程,采用普通钢筋现浇空心板梁结构.混凝土强度C30,施工配合比为:水泥:水:中砂:石子:高效缓凝减水剂(TW一4)=1:0.49:1.75:2.86:1.6%,采用泵送商品混凝土,混凝土入泵坍落度

12、实测值160180mmm.开始浇捣至次日上午5时浇捣完毕.有浇水养护,未覆盖.后在检查混凝土板面时,发现混凝土板面出现裂缝,裂缝形状不规则且长短不一,互不连贯,实测裂缝宽度0.51.5mm,深度0.530ram,白天浇捣的混凝土裂缝出现较普遍,夜间浇捣的混凝土裂缝出现相对较少.经表面观察及现场调查,裂缝的产生大多在混凝土浇筑初期,即浇捣后46h左右,敲开裂缝部位观察,产生裂缝部分大多为水泥浮浆层和砂浆层.因此,初步判定混凝土裂缝产生的原因是:混凝土坍落度偏大,表面经过振捣形成一层水泥含量较多,收缩性较大的水泥浮浆层及砂浆层一方面由于混凝土初凝时表面游离水分蒸发过快产生急剧的体积收缩,而此时混凝

13、土早期强度较低,而面层为砂浆层强度更低,不能抵抗这种变形应力而导致混凝土表面开裂,另一方面由于面层浮浆或砂浆的收缩值比基层混凝土大许多,而造成变形值不同导致面层开裂;白天浇捣的混凝土气温较高,水份蒸发较快,裂缝产生较多,夜间浇捣的混凝土,气温较低,水份蒸发相对较慢,裂缝产生较少.5结论与建议商品混凝土裂缝的成因较为复杂,有结构性裂缝和非结构性裂缝之分,并不是所有的裂缝都是危险的,但可能影响结构的耐久性.特别随着泵送商品混凝土的广泛应用,对混凝土的裂缝控制的难度大为增加,所以有必要采取合理的施工控制措施:(1)配制商品混凝土时,应严格控制水灰比和水泥用量,选择级配良好的石子,严格控制砂石含泥量,严禁在混凝土运输及入泵过程中随意加水,影响混凝土的强度及坍落度.(2)建议商品混凝土掺入适量(水泥用量10l5%)的磨细粉煤灰,这样可以提高混凝土的稳定性,抗渗性,和易性及可泵性,同时可以提高混凝土的抗裂性,并且能节约水泥,提高经济效益.此外,可使混凝土在泵送管道中增加润滑能力,从而提高输送管的使用寿命.(3)商品混凝土的施工必须制定合理的施工方案,要根据商品混凝土的特点结合气候,温度等综合考虑混凝土的施工工序,混凝土捣固要密实,表面避免浮浆,同时加强养护,防止混凝土产生裂缝.(作者单位:厦门市市政工程管理处)圆撞2011年7月