大体积混凝土矩形桥墩温度应力裂缝浅析

美国混凝土学会的定义:任何现浇混凝土, 其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题, 即最大限度减少开裂影响的, 即称为大体积混凝土。

日本建筑学会的标准的定义是:结构断面最小尺寸在80cm以上;水化热引起混凝土内的最高温度和外界气温之差, 预计超过25℃的混凝土, 称为大体积混凝土。

我国《混凝土结构工程施工及验收规范》认为, 建筑物的基础最小边尺寸在1 m~3 m范围内就属大体积混凝土。

大体积混凝土结构的截面尺寸较大, 裂缝一般在混凝土浇注短期内形成, 此时设计荷载尚未作用于结构上, 因此由外荷载引起裂缝的可能性很小。但由于水泥的水化作用是放热反应, 大体积混凝土自身又具有一定的保温性能, 因此其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多, 而在混凝土升温峰值过后的降温过程中, 内部降温速度又比其表层慢得多, 在这些过程中, 混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界约束的作用而在混凝土内产生的温度应力, 是相当复杂的。一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时, 混凝土就会出现裂缝。

本文将根据某桥矩形桥墩裂纹出现的实际情况, 对大体积混凝土矩形桥墩出现温度应力裂缝问题进行探讨, 以资参考。

1 裂缝出现情况介绍

某桥墩身为C40钢筋混凝土矩形结构, 设计混凝土标号C40, 墩身截面为6.1×1.5 m和6.1 m×2.0 m两种, 属于大体积混凝土施工。墩身施工采用强度等级5 2 5号普通水泥, 水泥用量377kg/m 3。墩身内设置循环水装置, 施工完毕后检查墩身均存在不同程度裂缝。

2 温度应力裂缝产生的原因

水泥水化热引起的温度应力和温度变形是大体积混凝土产生裂缝的主要原因, 水泥在水化过程中产生大量的热量, 每克水泥放出的热量约达502.42J/g (120cal/g) , 因而使混凝土内部的温度升高3 0℃左右, 有时更高, 它在1 d~3 d放出的热量是总热量的一半。当混凝土内部与表面温差过大时, 就会产生温度应力和温度变形。当这种温度应力超过混凝土内外的约束力时, 就会产生裂缝。而混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥用量有关:在一定尺寸范围内, 混凝土结构尺寸越大, 温度应力也愈大, 因而, 引起裂缝的可能性也愈大。另外, 由于混凝土是脆性非均质合成材料, 抗拉强度只是抗压强度的十分之一, 国内外曾进行过一些试验研究。例如苏联布拉茨克和克拉斯诺雅尔斯克水电站的试验表明混凝土轴向拉伸应变值变化范围为0.5×10-4~1.0×10-4。法国鲍斯进行的轴向拉伸试验, 在抗拉强度为2.0 5 M P a时, 局限拉伸值为0.9×1 0-4。美国卡普兰在轴向拉伸试验中极限拉伸值为0.81×10-4。前苏联齐斯克列里提出当轴向抗拉强度为1.2MPa时, 极限拉伸为0.7×10-4。我国对混凝土的极限抗拉强度也作过不少研究, 极限拉伸值为 (0.58~0.8) ×10-4, 极限拉伸很小, 抗裂能力很弱 (收缩变形超过极限拉伸5~1 0倍) 。因而由水化热引起的大体积混凝土的结构应力状态, 极易使大体积矩形桥墩产生裂缝。

3 大体积混凝土内部温度变化的规律

水泥水化热产生引起的理论砼最高温度Tmax=mc×Q/C P或T=mc×C/10+FA/5 0 (取两者最大值) ;Q为每千克水泥的水化热量;C为砼比热容;P为砼质量密度;F A为每立方米砼中掺粉煤灰数量, 如图1所示。

大体积混凝土升温较快, 升温速度大致为1℃/h~3℃/h, 温升高峰期一般出现在浇注之后的2 d~4 d, 然后持续一段时间开始降温如图1所示。

一次连续浇注完成的大体积混凝土矩形桥墩, 最高温度一般出现在墩高方向中部偏下部位。

温度最高水化热随层厚而异, 层厚小的最高温度比层厚大的低;上部比下部温度要低;混凝土水化热高温持续也比较短, 这是因为内部所蓄的热量在外界介质传递时, 所受的传热阻力与该部位距离混凝土表面的距离成正比, 因此厚度愈小, 散热愈快, 相对温度值要低。

混凝土内部温度变化趋势服从“升温—峰值—持续—降温”的规律, 如图3所示。

4 温度应力裂缝预防及处理

温度应力裂缝发生时间一般在矩形桥墩拆模前, 裂缝位置大多在模板的接缝下方近处, 方向基本是水平向, 间断、不连续, 厚度大的矩形墩身裂缝更明显。矩形墩裂缝一般出现在长边的面, 而且裂缝有对映性。温度应力裂缝的宽度大小不一, 受温度变化影响较为明显, 冬季较宽, 夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细, 而冷缩裂缝的粗细变化不太明显, 如图4所示。

4.1 温度应力裂缝预防措施

(1) 尽量选用低热或中热水泥, 如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。

(2) 减少水泥用量, 将水泥用量尽量控制在450kg/m3以下。

(3) 降低水灰比, 一般混凝土的水灰比控制在0.6以下。

(4) 改善骨料级配, 掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量, 降低水化热。

(5) 改进混凝土现场的拌制工艺, 采用二次投料新工艺, 即砂浆裹石或净浆裹石搅拌新工艺。

(6) 在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂, 改善混凝土拌合物的流动性、保水性, 降低水化热, 推迟热峰的出现时间。

(7) 大体积混凝土的温度应力与结构尺寸相关, 混凝土结构尺寸越大, 温度应力越大, 因此要合理安排施工工序, 分层厚度不大于3 0 c m, 以利于散热, 减小约束。

(8) 在大体积混凝土内部设置冷却管道, 通冷水或者冷气冷却, 减小混凝土的内外温差。

(9) 浇筑混凝土前宜在基岩或老混凝土上铺设5 m m左右的砂垫层或使用沥青等材料涂刷。

(10) 在温度较高的情况下进行施工, 可以在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖, 以减少阳光对其的辐射, 同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水。如在冬季进行施工, 因为要防止早期混凝土被冻问题, 所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热, 对原材料应视气温高低进行加热。

(11) 加强混凝土养护, 混凝土浇筑后, 及时用湿润的草帘、麻片等覆盖, 并注意洒水养护, 适当延长养护时间, 保证混凝土表面缓慢冷却。在寒冷季节, 混凝土表面应设置保温措施, 以防止寒潮袭击。

(12) 混凝土中配置少量的钢筋或者掺入纤维材料将混凝土的温度裂缝控制在一定的范围之内。

4.2 温度应力裂缝处理措施

4.2.1 灌浆封堵法

灌浆封堵法是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中, 胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体, 从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。

4.2.2 嵌缝封堵法

嵌缝法通常是沿裂缝凿槽, 在槽中嵌填塑性或刚性止水材料, 以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等;常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

5 结语

对于大体积混凝土矩形桥墩因温度应力产生的混凝土裂缝, 应以预防为主, 为此需要精心施工, 掌握住它的基本规律, 并根据实际采取有较措施, 会使施工质量得到很好的保证。以上各项技术措施并不是孤立的, 而是相互联系、相互制约的, 施工中必须结合实际、全面考虑、合理采用, 才能起到良好的效果。

通过不断改进对大体积矩形桥墩温度控制方法的施工实践证明, 在优化配合比设计, 改善施工工艺, 做好温度监测工作及加强养护等方面采取有效技术措施, 坚持严谨的施工组织管理, 完全可以控制大体积混凝土矩形桥墩温度裂缝的发生。

摘要：大体积混凝土矩形桥墩因温度应力产生裂缝是建筑施工难于解决的工程实际问题。本文对某桥矩形桥墩因温度应力产生裂缝的原因进行了探讨分析, 并针对具体情况提出了一些预防、处理措施。

关键词：大体积混凝土,矩形桥墩,温度应力,裂缝

参考文献

[1] 叶琳昌, 沈义.大体积混凝土施工[M].中国建筑工业出版社, 1987.

[2] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社, 2001.

[3] 鞠丽艳.混凝土裂缝抑制措施的研究进展[J].混凝土, 2002, 5.

[4] 鞠丽艳, 张雄.混凝土裂缝防治的两种新方法[J].施工技术, 2002, 7.