薄壁臺(tái)裂縫成因分析

趙志航

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

薄壁臺(tái)裂縫成因分析

趙志航

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院)

摘 要:探討了鋼筋混凝土薄壁式橋臺(tái)產(chǎn)生豎向裂縫的原因及防治措施，并對(duì)裂縫的處理提出了建議。

關(guān)鍵詞:薄壁式橋臺(tái);裂縫;成因;分析

在鋼筋混凝土薄壁式橋臺(tái)施工過(guò)程中或完工初期，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)量不等、長(zhǎng)度和寬度不同的豎向裂縫。為解決類(lèi)似問(wèn)題，設(shè)計(jì)上采取了加密鋼筋、加大鋼筋直徑以及提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)等措施加以解決，但實(shí)踐證明情況并沒(méi)有得到改善。這些裂縫的存在雖然目前乃至以后一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響其結(jié)構(gòu)功能及承載能力，但是這些裂縫如不能停止發(fā)展或得到妥善處理，必將對(duì)構(gòu)造物的耐久性造成不利影響，特別是當(dāng)構(gòu)造物受到有害氣、液體侵蝕或處于潮濕、冰凍環(huán)境及沿海地區(qū)這一矛盾顯得更為突出。

1 裂縫狀況

鋼筋混凝土薄壁式橋臺(tái)臺(tái)身厚度多數(shù)為50～70 cm，高度大于2 m，長(zhǎng)度均大于10 m(可視為直立大面積混凝土厚板)，且中間不設(shè)置伸縮縫。施工方式采用現(xiàn)澆混凝土施工，置于淺基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)之上。

裂縫由基礎(chǔ)或承臺(tái)頂部開(kāi)始，由下而上延伸。裂縫寬度不等，一般在0.1～0.5 mm之間，下寬上窄，長(zhǎng)度約為構(gòu)造物高度的1/3～2/3;也有少數(shù)通縫現(xiàn)象，但均發(fā)生在高度較矮的構(gòu)造物上，這時(shí)構(gòu)造物高度一般小于3 m。構(gòu)造物越長(zhǎng)，裂縫的數(shù)量越多，裂縫間距在3 m左右，通常兩橋臺(tái)的裂縫位置相互對(duì)應(yīng)。

2 裂縫產(chǎn)生的原因

鋼筋混凝土裂縫不外乎以下幾種:即沉縮裂縫、溫度裂縫、干縮裂縫、化學(xué)作用裂縫和結(jié)構(gòu)性裂縫結(jié)構(gòu)性;裂縫又分為應(yīng)力裂縫和施工因素裂縫。鋼筋凝土薄壁式橋臺(tái)的豎直裂縫形成歸為溫度影響、混凝土收縮及特定的施工因素等共作用的結(jié)果。

黑龍江省地處我國(guó)北方，近幾年干旱、高溫和干燥的氣候時(shí)間較多。受工期及氣候限制，構(gòu)造物的現(xiàn)澆混凝土施工往往在溫和干燥時(shí)候施工。對(duì)這一情況設(shè)計(jì)和施工方面沒(méi)充分估計(jì)到，因此對(duì)策措施就不十分全面。

2.1 設(shè)計(jì)上考慮混凝土熱期施工、水化和干縮的影響不充分

在高溫條件下澆筑混凝土，由于忽視降溫措施，使?jié)仓炷翜囟绕?。另外，這些構(gòu)造物大體積混土特性比較明顯，由于其內(nèi)部水泥水化熱導(dǎo)致的混凝土升溫是不能忽視的，它給熱期施工的混凝土起到溫上加溫的效果?；炷恋木€脹系數(shù)為1.0×10-6℃，較高溫度的現(xiàn)澆混凝土在硬化時(shí)將產(chǎn)生較大的溫差，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大的收縮，嚴(yán)重時(shí)中午澆筑的混凝土晚上即可因收縮而開(kāi)裂，一般混凝土收縮值在0.03%～0.04%時(shí)就會(huì)引起開(kāi)裂。

硬化后的混凝土在干燥時(shí)的收縮率為0.05% ～0.06%，水灰比大的混凝土收縮更大。當(dāng)混凝土的收縮率為0.05%時(shí)，6 m長(zhǎng)的構(gòu)件會(huì)收縮3 mm，處于受約束的構(gòu)件則會(huì)開(kāi)裂;彈性模量約2.1×105MPa的混凝土在應(yīng)變0.05%時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)于混凝土極限拉應(yīng)力3倍的應(yīng)力，為此，素混凝土4.5～6.1 m應(yīng)設(shè)置一條收縮縫以防止開(kāi)裂。

由于上述的溫差和干縮共同導(dǎo)致的混凝土開(kāi)裂單靠所配置的鋼筋去解決是十分困難的。更主要的因素是這些混凝土是澆筑在已成品的基礎(chǔ)和承臺(tái)上，當(dāng)混凝土降溫及收縮時(shí)受到基礎(chǔ)和承臺(tái)的約束，其內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，因而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。由于在這個(gè)過(guò)程中受約束的是結(jié)構(gòu)物下部，其上部仍處于自由狀態(tài)，因此其產(chǎn)生的裂縫是由下而上、并且下寬上窄。

2.2 混凝土澆筑施工環(huán)境溫度高而對(duì)策措施不全面

關(guān)于熱期混凝土施工溫度限制以前強(qiáng)調(diào)的不多。在這方面日本規(guī)定是宜低于30℃，并不得高于35℃;美國(guó)規(guī)定是不得高于32℃;我國(guó)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定》:混凝土的澆筑溫度應(yīng)控制在32℃以下，宜選用在一天溫度較低的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。上述原則被有些施工部門(mén)忽視或突破。鋼筋混凝土薄壁式橋臺(tái)(墩)這種結(jié)構(gòu)大體積混凝土的特性較為明顯，雖然可不必采取在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)冷水管用以降低大體積混凝土內(nèi)由于水泥水化熱而升高溫度的措施，即使沒(méi)有突破上述規(guī)定而在溫度較高時(shí)澆筑混凝土?xí)r也應(yīng)采取相應(yīng)的降低施工環(huán)境溫度的措施，這一點(diǎn)并沒(méi)使所有施工部門(mén)引起注意，給結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生留下隱患。

熱期澆筑混凝土尤其是氣候干燥地區(qū)的成型后混凝土養(yǎng)護(hù)是極其重要的，養(yǎng)護(hù)工作質(zhì)量不高不但降低強(qiáng)度、快速蒸發(fā)還會(huì)產(chǎn)生塑性收縮裂縫。由于這些構(gòu)造物的施工均在干旱之年的炎熱干旱之季，成形后的混凝土養(yǎng)護(hù)普遍受到了不良影響，混凝土初凝后要連續(xù)保持7 d潮濕狀態(tài)的規(guī)范要求很難保證，并且間斷灑水養(yǎng)護(hù)又形成干濕循環(huán)，極易形成收縮裂縫。

2.3 水泥用量過(guò)多

由于薄壁式臺(tái)厚度相對(duì)小，高度較大，鋼筋設(shè)置又較密，給混凝土澆筑搗實(shí)增加了難度，易使薄壁臺(tái)出現(xiàn)蜂窩、麻面、露筋甚至爛根的事件，以至有些構(gòu)造物不得不推倒重來(lái)。施工部門(mén)為克服上述現(xiàn)象，通常都增大新拌混凝土的流動(dòng)性?；炷涟韬臀锏牧鲃?dòng)性隨著溫度的升高而減小，溫度升高10℃坍落度大約減小20～40 mm，熱期施工這一矛盾更為突出。為了解決上述問(wèn)題，保證混凝土拌和物能有令人滿(mǎn)意的流動(dòng)性，就必須增加水泥漿用量，進(jìn)而導(dǎo)致水和水泥用量的加大。水泥用量的加大直接結(jié)果就是水化熱加強(qiáng)而導(dǎo)致混凝土升溫，這就為溫差裂縫的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。而水和水泥的用量增多，又增大了混凝土收縮的可能性。

總之，薄壁橋臺(tái)的豎向裂縫產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果。同樣形式的構(gòu)造物在施工時(shí)避開(kāi)了高溫下施工混凝土，而其他相應(yīng)措施也比較完善的情況下并沒(méi)有發(fā)生豎向裂縫。

3 預(yù)防措施

3.1 設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土薄壁式橋臺(tái)尺寸較大，是大體積混凝土特性較明顯的大面積混凝土板，混凝土溫度變形和收縮變形對(duì)其影響是極不利的，更主要的是在高溫干燥環(huán)境下施工，其變形又受基礎(chǔ)和承臺(tái)的約束，極易產(chǎn)生裂縫。為防止裂縫的產(chǎn)生，首先要在設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)措施。

(1)設(shè)定施工要求

設(shè)計(jì)文件中應(yīng)強(qiáng)調(diào)這種結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中一些必須滿(mǎn)足的要求，尤其要強(qiáng)調(diào)高溫、干燥、低溫等惡劣環(huán)境下的施工具體要求。面對(duì)目前中小橋涵施工隊(duì)伍較雜、技術(shù)水平參差不齊的現(xiàn)實(shí)，這種強(qiáng)調(diào)是必要的。

設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮北方地區(qū)熱期施工混凝土的客觀現(xiàn)實(shí)，在我國(guó)北方地區(qū)由于氣候季節(jié)及施工過(guò)程各種因素的約束，這種結(jié)構(gòu)的施工很容易被安排在高溫的夏季進(jìn)行。

(2)設(shè)置抗裂鋼筋和伸縮縫

設(shè)置抗裂鋼筋和伸縮縫是防止鋼筋混凝土開(kāi)裂的一般做法。配置分布均勻的細(xì)鋼筋比同樣含鋼量的大間距粗鋼筋更有好的效果。設(shè)置伸縮縫主要是放松基礎(chǔ)約束的一種措施。伸縮縫的設(shè)置可每隔3～6 m設(shè)置一道。伸縮縫的長(zhǎng)度可由基礎(chǔ)和承臺(tái)頂表面開(kāi)始至臺(tái)身頂部(不含臺(tái)帽)。這既可保證橋涵下部的整體受力特性，又可防止臺(tái)身裂縫的產(chǎn)生。

有研究資料表明:混凝土結(jié)構(gòu)自身收縮程度與其體積和表面積之比值成反比關(guān)系，這一特性在混凝土齡期14 d以前尤為明顯。也就是說(shuō)，對(duì)于薄壁式鋼筋混凝土橋臺(tái)來(lái)說(shuō)，其厚度較小者比較大者易因混凝土收縮而產(chǎn)生開(kāi)裂，橋臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮鋼筋配置、伸縮縫設(shè)置及施工難易等因素，厚度70 cm優(yōu)于50 cm。

3.2 施工

(1)避開(kāi)高溫下施工

高溫下施工現(xiàn)澆混凝土既有很多潛在的不利因素又增加施工過(guò)程的內(nèi)容和施工成本，因此在做施工組織計(jì)劃時(shí)盡量使薄壁式構(gòu)件現(xiàn)澆施工避免在高溫干燥季節(jié)時(shí)進(jìn)行。如果客觀條件不允許，具體施工時(shí)也應(yīng)避開(kāi)一日之內(nèi)的高溫時(shí)間，而在一日內(nèi)溫度最低時(shí)進(jìn)行，如可在夜間進(jìn)行。

(2)采取降溫措施

在高溫下現(xiàn)澆混凝土應(yīng)有全面的組織計(jì)劃、準(zhǔn)備工作充分、施工設(shè)備有足夠的備件并事前做好檢修及保養(yǎng)，保證連續(xù)進(jìn)行;從拌和機(jī)到入倉(cāng)的傳遞時(shí)間及澆筑時(shí)間要盡量縮短，并盡快開(kāi)始養(yǎng)護(hù)。澆筑及拌和場(chǎng)地應(yīng)遮蔭以降低模板、鋼筋、拌和機(jī)械、骨料、水泥的溫度，不得使用剛出廠的水泥;在澆筑前可在模板、鋼筋和地基上噴水以降溫，但在澆筑時(shí)不能有附著水;用冷水或有條件亦可用冰水拌和混凝土;也可結(jié)合大體積混凝土施工的一些要求進(jìn)行施工，并適當(dāng)加快澆筑后混凝土的散熱。

(3)降低水泥水化熱升溫及改善混凝土品質(zhì)

降低水泥水化熱的常規(guī)措施是:選用礦渣或火山灰質(zhì)早期低熱水泥;利用混凝土后期增長(zhǎng)強(qiáng)度，減少早期升溫;摻粉煤灰混合料減少水泥用量;摻減水劑等外加劑復(fù)合使用，防止高溫下坍落度的損失，避免增加水和水泥的用量;如泵送必須采用較大坍落度時(shí)，必須使用高效減水劑，這樣大流動(dòng)拌和物坍落度會(huì)持續(xù)2 h以上，同時(shí)高效減水劑會(huì)降低拌和過(guò)程中骨料之間的撞擊，降低拌和時(shí)產(chǎn)生熱量;改善骨料級(jí)配，配制流動(dòng)性好的混凝土;所用砂粒徑不能太細(xì)，并嚴(yán)格控制其含泥量;合理安排工序分層澆筑;留置后澆帶減小約束應(yīng)力。多種措施并用則會(huì)起到較好的效果。

(4)加強(qiáng)熱期混凝土施工的養(yǎng)護(hù)

混凝土的養(yǎng)護(hù)是混凝土施工中的重要環(huán)節(jié)，而在高溫干燥環(huán)境中施工混凝土?xí)r這一環(huán)節(jié)更應(yīng)注意并要有詳細(xì)周到的落實(shí)措施。通常情況下，環(huán)境及表面溫度在32℃、相對(duì)濕度10%、風(fēng)速11～12 m/s時(shí)，其蒸發(fā)速度相當(dāng)于環(huán)境溫度及表面溫度為21℃、相對(duì)濕度70%、無(wú)風(fēng)時(shí)的50倍，由此可見(jiàn)在高溫干燥時(shí)澆筑混凝土其養(yǎng)生條件之惡劣。

養(yǎng)護(hù)的具體方法很多，但不管何種方法應(yīng)至少滿(mǎn)足7 d連續(xù)保持所養(yǎng)護(hù)構(gòu)造物處于潮濕狀態(tài)的規(guī)范要求，有條件時(shí)應(yīng)延長(zhǎng)這一過(guò)程。不能使所養(yǎng)護(hù)構(gòu)造物處于時(shí)干時(shí)濕的干濕循環(huán)狀態(tài)，使構(gòu)造物表面溫度變化劇烈。如有可能濕養(yǎng)期間采取遮光和擋風(fēng)措施，以控制溫度和干熱風(fēng)的影響。

中圖分類(lèi)號(hào):U445

C

1008-3383(2011)06-0172-02

收稿日期:2011-03-17