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      軟基地帶公路建設(shè)中箱涵(通)側(cè)壁裂縫原因分析及防治措施

      2010-04-04 03:16:35李海濤肖斌旺
      城市道橋與防洪 2010年1期
      關(guān)鍵詞:箱涵骨料水泥

      李海濤,肖斌旺

      (浙江大成建設(shè)集團有限公司,浙江杭州310012)

      1 工程背景

      浙江省某高速公路工程處杭嘉湖平原,全線地形平坦,設(shè)計為100 km/h的雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn),路線全長8.7 km,路基寬為26 m。工程沿途經(jīng)過多處河流、魚塘、暗浜等。地質(zhì)情況為:表層填土約0.5 m,其下是亞砂土層厚約23 m。亞砂土砂性較重,具有一定的滲水性,又具有一定的粘性。本路段地基地下水位接近地表,致使亞砂土含水量很大,強度很低,經(jīng)實測地基承載力(地表1m以下)僅達(dá)到 60~70kPa。其中 K6+400~K9+827段共有箱涵(通)5道,箱涵尺寸為4 m×3 m或4 m×3.5 m,側(cè)壁厚為32 cm或34 cm,混凝土標(biāo)號為C30,為常見薄壁結(jié)構(gòu)。

      2 箱涵側(cè)壁裂縫成因分析

      根據(jù)以往類似地質(zhì)條件下工程經(jīng)驗,箱涵(通)在混凝土成形后,在側(cè)壁通常產(chǎn)生裂縫,一般是左、右幅箱體的中部(L/2)側(cè)壁上,形態(tài)為豎直裂縫,縫寬約為1 mm,這給結(jié)構(gòu)物的外觀質(zhì)量造成了較大程度的影響??偨Y(jié)以往的經(jīng)驗,箱涵側(cè)壁產(chǎn)生裂縫的因素主要有以下幾種:

      (1)混凝土收縮引起的裂縫。

      在工程施工過程中,混凝土收縮引起的裂縫是最常見的。其中塑性收縮和縮水收縮(干縮)是造成混凝土收縮的主要原因。

      塑性收縮發(fā)生在施工過程中。在混凝土澆筑4~5 h左右時,水泥的水化熱反應(yīng)激烈,分之鏈逐漸形成,出現(xiàn)泌水和急劇蒸發(fā),混凝土失水收縮,同時骨料因自重下沉,因此時混凝土尚未硬化,稱為塑性收縮。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。

      縮水收縮(干縮)是在混凝土硬結(jié)后,隨著表層水份逐步蒸發(fā),濕度逐步降低,混凝土體積減少的過程。因混凝土表層水份損失快,內(nèi)部水份損失慢,因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮,表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土和鋼筋的約束,造成表面混凝土承受拉力,當(dāng)表面混凝土承受的拉力超過其抗拉強度時,便產(chǎn)生收縮裂縫。

      影響混凝土收縮變形的主要因素有:

      a.水泥用量、細(xì)度及品種:水泥用量越多,干縮越大。水泥的細(xì)度越大,混凝土的用水量越多,干縮越大。使用火山質(zhì)硅酸鹽水泥時,混凝土干縮較大;而使用粉煤灰硅酸鹽水泥時,混凝土干縮較小。

      b.骨料規(guī)格與質(zhì)量:骨料的粒徑越大、級配越好,則水泥與水的用量越少,混凝土的干縮越小。骨料中的含泥量及泥塊含量越少,則水泥與水的用量越少,混凝土的干縮越小。針、片狀骨料含量越少,混凝土的干縮越小。

      c.水灰比:水灰比越大,混凝土內(nèi)毛細(xì)孔隙率越多,混凝土的干縮越大。一般用水量每增加1%,混凝土的干縮率增加2%~3%。

      d.養(yǎng)護條件:養(yǎng)護時保持濕度越高、養(yǎng)護時間越長,則有利于推遲混凝土干縮的產(chǎn)生與發(fā)展,可避免產(chǎn)生早期干縮裂縫。

      e.振搗方式:機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。振搗時間應(yīng)根據(jù)機械性能決定,一般以5~15 s/次為宜。時間太短,振搗不密實,形成混凝土強度不足或不均勻;時間太長,造成分層,粗骨料沉入底層,細(xì)骨料留在上層,強度不均勻,上層易發(fā)生收縮裂縫。

      (2)地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫。

      由于地基基礎(chǔ)不均勻沉降,使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力,超出結(jié)構(gòu)的抗拉能力,造成結(jié)構(gòu)開裂。基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有:

      a.地基地質(zhì)差異太大,或者在相同的地質(zhì)條件下地基處理后處理結(jié)果不理想;這樣造成地基的承載能力有較大的差異,在荷載的作用下地基不同的壓縮產(chǎn)生不均勻沉降。

      b.結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況比較一致的條件下,各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時,有可能引起不均勻沉降。在施工過程中主要表現(xiàn)在路面還未施工時,在各個箱涵節(jié)段上重載車輛行駛的頻率差異較大,引起各部分基礎(chǔ)荷載差異和在涵背回填時壓路機振動對涵體產(chǎn)生的荷載。

      (3)溫度變化引起的裂縫。

      混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì),當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化,混凝土將發(fā)生變形,若變形遭到約束,則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。根據(jù)本工程的實際情況,在施工過程中引起溫度變化主要因素有:

      a.施工過程中的天氣變化:突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降,但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。

      b.水化熱:混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱,致使內(nèi)部溫度高,內(nèi)外溫差大,致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)根據(jù)實際情況,盡量選擇水化熱低的水泥品種,限制水泥單位用量,減少骨料入模溫度,降低內(nèi)外溫差,或采用薄層連續(xù)澆筑。

      (4)施工材料質(zhì)量引起的裂縫。

      混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

      a.水泥

      水泥安定性不合格,水泥中游離的氧化鈣含量超標(biāo)。氧化鈣在凝結(jié)過程中水化很慢,在水泥混凝土凝結(jié)后仍然繼續(xù)起水化作用,可破壞已硬化的水泥石,使混凝土抗拉強度下降。

      水泥出廠時強度不足,水泥受潮或過期,可能使混凝土強度不足,從而導(dǎo)致混凝土開裂。

      當(dāng)水泥含堿量較高(例如超過0.6%),同時又使用含有堿活性的骨料,可能導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)。

      b.砂、石骨料

      砂石的粒徑、級配、雜質(zhì)含量。

      砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大,將導(dǎo)致水泥和拌和水用量加大,影響混凝土的強度,使混凝土收縮加大,如果使用超出規(guī)定的特細(xì)砂,后果更嚴(yán)重。砂石中云母的含量較高,將削弱水泥與骨料的粘結(jié)力,降低混凝土強度。砂石中含泥量高,不僅將造成水泥和拌和水用量加大,而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗?jié)B性。砂石中有機質(zhì)和輕物質(zhì)過多,將延緩水泥的硬化過程,降低混凝土強度,特別是早期強度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),體積膨脹2.5倍。

      c.拌和水

      拌和水中氯化物等雜質(zhì)含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。

      (5)施工工藝質(zhì)量引起的裂縫。

      在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、起模過程中,若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣,容易產(chǎn)生各種裂縫,特別是細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異,比較典型常見的有:

      a.混凝土振搗不密實、不均勻,出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞,導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點。

      b.混凝土澆筑過快,混凝土流動性較低,在硬化前因混凝土沉實不足,硬化后沉實過大,容易在澆筑數(shù)小時后發(fā)生裂縫,既塑性收縮裂縫。

      c.混凝土攪拌、運輸時間過長,使水分蒸發(fā)過多,引起混凝土塌落度過低,使得在混凝土出現(xiàn)收縮裂縫。

      d.混凝土初期養(yǎng)護時急劇干燥,使得混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)收縮裂縫。

      e.混凝土分層或分段澆筑時,接頭部位處理不好,易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。如混凝土分層澆筑時,后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑,引起層面之間的水平裂縫;采用分段現(xiàn)澆時,先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好,新舊混凝土之間粘結(jié)力小,或后澆混凝土養(yǎng)護不到位,導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。

      f.施工時模板剛度不足,在澆筑混凝土?xí)r,由于側(cè)向壓力的作用使得模板變形,產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。

      g.施工時拆模過早,混凝土強度不足,使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。

      h.施工質(zhì)量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料計量不準(zhǔn),結(jié)果造成混凝土強度不足和其他性能(和易性、密實度)下降,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

      3 箱涵側(cè)壁裂縫防治措施

      在分析、了解裂縫產(chǎn)生的原因和機理的前提下,在工程施工過程中,針對產(chǎn)生裂縫的原因采取了有針對性的措施,具體如下:

      (1)收縮引起的裂縫

      針對收縮裂縫產(chǎn)生的機理,為減少收縮裂縫,在施工時采取的主要方法有:

      a.在挑選水泥時,為減少混凝土的收縮性,采用了收縮性較低的42.5#水泥,并且對骨料和集料的規(guī)格和質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格限制,以達(dá)到控制水泥用量減少收縮裂縫的效果。

      b.在配合比試驗時,盡可能降低水灰比,以達(dá)到減少干縮的效果。

      c.加強對混凝土的養(yǎng)護,養(yǎng)護在混凝土終凝后立即進(jìn)行。養(yǎng)護采用灑水覆蓋的方法,以達(dá)到減少干縮的效果。

      d.在施工時做到控制水灰比、避免長時間的攪拌、控制下料速度、加強振搗工作、控制混凝土每層厚度。

      (2)地基基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫

      由于強度很低,經(jīng)實測地基承載力僅達(dá)到6 0~70 kPa,遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的地基承載力120~160 kPa,必需進(jìn)行強化處理。地基處理不當(dāng)容易出現(xiàn)地基各個部分承載力不均勻,使箱涵(通)產(chǎn)生不均勻沉降,從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。在這種情況下,本工程采取對策是采用粉噴樁進(jìn)行地基處理,并在施工過程中做到按工藝要求嚴(yán)格控制。分析以往工程中粉噴樁的施工問題,水泥與地基土的結(jié)合強度在室內(nèi)試驗中是符合要求的,但實際施工中粉噴樁往往出現(xiàn)質(zhì)量缺陷問題,究其原因根本上就是水泥粉與地基土的結(jié)合不均勻造成的。為了保證粉噴樁加固地基的質(zhì)量,粉噴樁施工過程實行每0.5 m噴粉一次,盡量做到噴粉均勻,并且嚴(yán)格做到整樁復(fù)攪,進(jìn)一步使水泥粉與地基土攪拌均勻。這樣每根粉噴樁的質(zhì)量就有了保障(從取芯試驗可明顯看出),從而箱涵(通)處的軟基處理就達(dá)到了較為理想的目的。

      由于本工程所處位置地基基礎(chǔ)較差,雖然地基經(jīng)過處理,但是如果箱涵每節(jié)長度太長,發(fā)生不均勻沉降和產(chǎn)生收縮裂縫的概率還是很高。而從設(shè)計圖紙上看,有四個箱涵長度從36 m至48 m不等,但伸縮縫均僅在中心線處設(shè)置一道,其半幅的長度達(dá)20 m左右,左、右幅涵體過長極易發(fā)生不均勻沉降和產(chǎn)生收縮裂縫,采取對策是增加伸縮縫,在左、右幅涵體中部增設(shè)伸縮縫一道,減小涵體的連續(xù)長度。增設(shè)伸縮縫具體設(shè)置為:側(cè)壁與頂板鋼筋斷開,并采用2~3 cm厚軟木板設(shè)縫,為了涵體內(nèi)側(cè)的混凝土表面的美觀,在設(shè)置軟木板時使木板與涵體內(nèi)側(cè)表面留空隙3 cm(固定木板),待混凝土澆筑后采用切割機割縫處理(縫深達(dá)到木板,寬4 mm)。

      針對在各個箱涵節(jié)段上重載車輛行駛的頻率差異較大,引起各部分基礎(chǔ)荷載差異,在實際操作過程中,采用控制施工車輛從各節(jié)箱體上均勻通過的辦法。

      針對在涵背回填時壓路機振動對涵體產(chǎn)生的荷載引起的裂縫,采取對策是涵背回填采用碎石、砂材料及水沖密實法進(jìn)行施工?;靥顣r分層厚度按20 cm控制,保證回填密實度;且在涵體兩側(cè)同時對稱進(jìn)行,使涵體受力均衡。碎石水沖砂,既滿足涵背回填高密實度要求,又避免了常規(guī)方法施工時碾壓設(shè)備對涵體的較強外力作用和一般回填材料對涵體的損傷。

      (3)溫度變化引起的裂縫

      針對由于施工過程中的天氣變化引起的溫度裂縫,采取的措施是:

      首先,關(guān)注天氣預(yù)報,混凝土澆筑安排在天氣較好的時間施工。

      其次,混凝土采用大型設(shè)備集中攪拌,保證在相對較短的時間內(nèi)完成混凝土的攪拌工作,并且在工作面上安排足夠的振搗工,以達(dá)到盡快完成澆筑工作的目的。

      針對水泥的水化熱引起的溫度裂縫,采取的措施是:

      第一,采用水化熱較低的水泥品種,并在配合比設(shè)計時盡量降低水泥用量,盡可能的降低水化熱產(chǎn)生的數(shù)量。

      第二,采用鋼模板施工,這樣即加快了熱量傳導(dǎo)的速度又增加了模板的剛度和強度,同時又保證了混凝土的外觀光潔度,達(dá)到一舉四得的效果。

      (4)施工材料質(zhì)量引起的裂縫

      針對由于配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格,可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的情況,采取的措施是:

      a.首先,采用國家免檢品牌,并嚴(yán)格控制水泥存放時間,杜絕使用剛出廠的水泥;經(jīng)常檢查水泥罐,避免因水泥罐損壞造成的水泥受潮;對進(jìn)場的水泥進(jìn)行每批次的抽檢,決不使用不合格的水泥。

      b.對進(jìn)場的骨料和砂進(jìn)行嚴(yán)格檢查,杜絕不合格的材料進(jìn)場。

      c.施工攪拌混凝土的水采用飲用水。

      (5)施工工藝質(zhì)量引起的裂縫

      針對施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣,容易產(chǎn)生各種裂縫的情況,采取的措施是:

      a.編制合理的施工工藝,并報請監(jiān)理工程師審批;同時對進(jìn)場施工的人員進(jìn)行技術(shù)交底和培訓(xùn),使每個施工人員對自己的崗位技能及操作規(guī)程了然于胸。

      b.對各工序執(zhí)行技術(shù)員旁站和交接檢、互檢制度,每道工序合格后方可進(jìn)入下一道工序。

      c.編制完善的應(yīng)急預(yù)案,并組織全體人員進(jìn)行學(xué)習(xí),以防患于未然。

      d.加大對工程的投入,如采用鋼模板施工等。

      4 結(jié)語

      本工程在箱涵(通)施工過程中,由于采取上述防治裂縫措施,經(jīng)質(zhì)監(jiān)站、業(yè)主對工程所有箱涵(通)檢驗,無一處出現(xiàn)裂縫,取得了良好效果,對類似工程的實施具有一定參考價值。同時也說明,通過結(jié)合工程實際,全面深入分析質(zhì)量缺陷發(fā)生原因,采取有針對性的措施、方法,可解決工程質(zhì)量通病。

      [1]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].人民交通出版社.

      [2]葛勇,張寶生.建筑材料[M].中國建筑工業(yè)出版社.

      [3]楊文淵,等.橋梁施工工程師手冊[M].人民交通出版社.

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