铁路桥梁工程大体积混凝土裂缝成因及防治措施

2022-09-11

1 工程概况和裂缝分布

1.1 工程概况

某桥位于赣江流域, 系地形、水文、通航控制设计, 桥位河段为Ⅳ级航道, 双孔通航, 通航净宽不小于45m。该桥共有墩台21个, 其中13号, 14号, 15号主墩位于赣江主河床, 墩台为变截面 (56m) 连续梁水中圆端 (锥) 形实心墩柱, 原设计长度为22m, 后考虑水中承台需要水下爆破将承台高度调整了4m, 长度变更为18m, 同时为节省一套模板, 将15号墩柱变更为与14号墩一样的结构尺寸, 墩柱直径增加4 0 c m (墩颈处从360cm增加到400cm) , 护面钢筋主筋为Ф16, 间距为15cm~20cm之间, 箍筋为Ф12, 混凝土设计标号为C30, 设计方量为400m2左右。采用双壁吊箱钢围堰施工。

1.2 原材料及混凝土配合比选用

15号墩柱分两段浇筑, 已施工的第一段为10.5m, 方量210m2。水泥为32.5级普通硅酸盐水泥, 水泥用量为430kg/m3, 水灰比为0.4;粗骨料为某江河卵石, 0.5cm~3.15cm, 含泥量小于5%, 压碎值小于15%;细骨料为某江河中砂, 含泥量小于5%, 细度模数2.63;外加剂为UNF-3A缓凝高效减水剂, 用量0.8%。

设计配合比为:

水泥:中砂:卵石:水:外加剂=1∶1.54:2.75∶0.40:0∶008。

施工配合比为:

水泥∶中砂∶卵石∶水∶外加剂=1∶1.57∶2.76∶0.34∶0.008。

含水率:砂子:4.5%;卵石:0.6%。

混凝土坍落度为:1 6 0 m m, 1 6 5 m m, 170mm, 混凝土的和易性良好。混凝土采用自动配料强制式机械拌和, 混凝土输送方式为泵送, 串桶距混凝土面高度在1.5m以内。

1.3 施工情况及裂纹分布情况

施工当天气温:中午为14℃, 夜间温度为8℃左右, 3月8日继续下雨河水上涨, 并且墩柱下面14m被水淹没, 3月9日天气转晴, 最高温度约17℃, 3月10日受冷空气影响, 下起冰雪, 气温急剧下降到0℃左右, 气候反常。3月9日凿毛顶部混凝土, 下午开始松开墩柱上部模板螺栓, 下部从11日开始拆除模板, 15日拆除完毕。11日拆模后, 发现墩柱出现裂纹。21日对裂纹进行了探测, 检测了3个代表性的点 (分别做了记号) , 记录如下: (1) 号点:深度9.8mm, 长度为6m, 宽度为0.32mm; (2) 号点:深度7.8mm, 长度为6m, 宽度为0.26mm; (3) 号点:深度6.0mm, 长度为5m, 宽度为0.18mm。探测方法为破检, 采用百分尺 (游标卡尺) , 放大镜。裂纹分布走向:墩柱正面、背面水平裂缝与垂直裂缝交错, 两侧面主要出现长度为2m~6m不等的水平裂缝。

2 裂缝成因分析

2.1 原材料及混凝土配合比

通过核查相关原材料的试验资料, 水泥、卵石、中砂、水及外加剂均为合格材料, 水泥的安定性、骨料的碱合性的重要指标均符合要求。由于水泥的用量直接影响了水化热的产生, 通过分析, 该配合比中的水泥标号偏低、用量略偏大。

2.2 施工工艺

(1) 没有采取措施降低水泥的水化热, 如在混凝土内部埋设冷却水管等。

(2) 混凝土浇筑过快:本次浇筑的混凝土为210m3, 总的浇筑时间约为9h, 平均每小时浇筑混凝土23.3m3。

(3) 没有对混凝土入模和浇筑后及拆模时的温度进行监测。混凝土内部温度过高时, 没有采取有效措施降温;拆模时没有重视对温度的测量, 据当时的作业工人描述, 拆模时模板的对拉螺杆还很烫手, 3月11日拆模时, 气温为0℃左右, 内外温差较大而导致裂缝。

4) 钢模拼接不严密, 拆模后, 发现混凝土表面有局部少量的错台现象, 而且横向裂缝基本上发生在模板接缝位置附近处。由于接缝不严密, 造成混凝土外面局部温度较低, 内外温差过大, 而导致裂缝。

2.3 养护

3月10日受冷空气影响, 下起冰雪, 天气急剧下降到0℃左右, 11日拆模后, 没有采取有效的措施进行覆盖保温, 温度梯度急剧变化, 这也是产生温缩裂缝的原因之一。

3 控制裂缝的对策

3.1 水泥的选用

选用水化热较低的掺混合材料的硅酸盐水泥, 如:矿山渣水泥、火山灰质水泥。

3.2 重新选配混凝土配合比

在保证混凝土具有良好工作性的情况下, 应尽可能地降低混凝土的单位用水量, 采用“三低 (低砂率、低坍落度、低水胶比) 二掺 (掺高效减少剂和高性能引气剂) 一高 (高粉煤灰掺量) ”的设计准则, 生产出高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值的抗裂混凝土。水泥由R32.5号改为R42.5号, 降低水泥用量, 可以考虑掺用适量的粉煤灰, 降低水泥用量。

3.3 降低混凝土的入模温度

浇筑混凝土时最好不要让混凝土在太阳下直接曝晒, 施工过程中应对碎石洒水降温, 保证水泥库通风良好, 自来水可预先放入地下蓄水池中降温。

3.4 加强施工中的温度控制

为及时掌握混凝土内部温升与表面温度的变化值, 在混凝土内埋设看十个测温点, 呈L型布置, 每个测温点埋设测温管两根, 一根管底埋置于混凝土的中心位置, 测量混凝土中心的最高温升, 另一根管底距表面100mm, 测量混凝土的表面温度, 测温管均露出混凝土表面100mm。用100的红色水银温度计测温, 以方便读数。第1天~第5天每2h测温1次, 第6天后每4h测温1次, 测至温度稳定为止。从已有施工经验的测温情况看, 混凝土内部温升的高峰值一般在3.5d内产生, 3d内温度可上升到或接近最大温升, 内外温差值在20℃左右。

3.5 降低水化热

在混凝土内部埋设冷却水管, 通入循环冷却水, 强制降低混凝土的水化热温度。

3.6 采用切实可行的施工工艺

根据泵送大体积混凝土的特点, 采用“分段定点, 一个坡度, 薄层浇筑, 循序推进, 一次到顶”的方法。这种自然流淌形成斜坡混凝土的方法, 能较好地适应泵送工艺, 避免混凝土输送管道经常拆除、冲洗和接长, 从而提高泵送效率, 简化混凝土的泌水处理, 保证上下层混凝土浇筑间隔不超过初凝时间。根据混凝土泵送时自然形成一个坡度的实际情况, 在每个浇筑带的前后布置两道振动器, 第一道布置在混凝土出料口, 第二道布置在混凝土坡脚处, 以确保下部混凝土密实, 随着浇筑的推进, 振动器也相应跟上, 以确保整体混凝土的施工质量。由于大体积泵送混凝土表面水泥浆较厚, 故浇筑结束后须在初凝前用铁滚筒碾压数遍, 打磨压实, 以闭合混凝土的收缩裂缝。