預應力橋梁砼裂紋產生原因及防治研究

摘 要:混凝土結構物的裂縫是不可避免的，詳細分析了混凝土早期裂縫的起因及開裂機理，接合中鐵大橋局多年的預應力橋梁的施工經驗和武廣高速鐵路、向莆鐵路等多座預應力連續梁橋對混凝土裂縫的成功防治，提出了預應力橋梁砼早期裂紋有效防治的可操作性方法。

關鍵詞:混凝土;早期裂縫;預應力;溫度濕度;養護;抗拉性能

中圖分類號:TU997文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01030201

1 預應力箱梁裂縫的種類及起因分析

1.1 收縮裂縫

1.1.1 沉陷裂縫

當外界濕度減小時，梁體水份就會蒸發，引起凝膠失水，失去水膜的膠粒由于水分引力作用，使膠粒間距變小，產生收縮，由此引起的裂縫就是沉陷裂縫。其一般在澆筑后幾個小時就發生。砼澆筑后若不及時養護，幾小時內在梁體頂板產生的裂縫就是沉陷裂縫。

1.1.2干縮裂縫

當砼內毛細水減少時，會引起毛細管內壓力增大，使管壁受到壓力，其壓力隨溫度減小而增大，表現為體積的“干縮”。由于箱梁內部與外表溫度不同，從而使內部與外表面干縮的速度也不一樣，表面干縮比內部快，所以在外表面產生拉應力引起干縮裂縫。同時由于新的砼干縮比老的砼快，從而在接縫處新砼受老砼的約束，導致新面變化，在接縫的表面產生干縮裂縫(即施工縫)。

砼的干縮大小與水泥的品種、水泥的用量和單位用水量有關。在施工中水泥標號越高、水泥顆粒越細，水泥用量越多、單位用水量越大時，砼的收縮也越大。此外，砂石在砼中形成骨架，對受傷有一定的抑制作用。砂石愈干凈、搗固愈密實，砼的收縮量也就愈小。

1.2 溫度裂縫

連續箱梁在施工時受到來自與主墩臨時混凝土固結支座的約束，也受到來自鋼筋及預應力不均勻作用的外部約束，同時受到來自箱梁內部頂板、腹板、底板的截面厚薄不一的內部約束，在有外部及內部約束的情況下，砼在升溫及降溫過程中將產生溫度應力(σt):

σt=R*αt*ΔTm*Ee

R——約束度;

αt——砼熱脹系數(線膨脹系數);

ΔTm——溫差;

Ee——砼的有效彈模。砼溫度裂縫的引發條件是:σt≥ft(砼的抗拉強度)。為了減免砼溫度引起的收縮裂縫，需要控制砼拉應力(σt)不大于砼抗拉強度ft，控制溫差ΔTm顯然是最為有效并最為可行的。在砼澆筑后的溫升期中(3-5天內)，砼處于塑性—彈性轉變階段，Ee較小，不容易發生問題，砼峰溫過后，彈性模量逐漸增大，溫度裂縫大多出現在澆筑后的7-20天內。

同時，連續梁在懸臂分塊澆筑過程中，早已硬化的“老”砼塊體可對新接澆塊體的溫度變形起到約束作用，并有可能在新塊體中引發裂縫，這種由于新老痛溫差所引發的溫度裂縫，機制簡明預防這種裂縫最有效可行的辦法就是降低砼澆筑溫度以減小溫差。

1.3 預應力裂縫

預應力裂縫主要容易出現在端塊錨下應力區以及梁底沿縱向預應力筋的縱向裂縫。張拉時砼的強度未達到，錨中局部應力由泊松效應產生橫向環狀拉應力，拉應力可以導致開裂;底板中部縱向預應力的泊松效應及施工過程中預應力管道周圍砼的收縮不均勻，容易造成底板橫橋向拉應力過大，導致底板縱向裂縫。

2 控制箱梁裂縫產生的措施

2.1 砼的質量控制

2.1.1 原材料的選擇

(1)水泥的選擇。

水泥的品質影響水泥凝膠的組分、結構和數量，所以也影響水泥的毛細孔、凝膠孔德形狀、尺寸和數量，并進而影響到砼的干縮性。水泥的干縮性可隨下列因素而降低:a較低的C3A/SO3比;b較低的Na2O和K2O含量;c較高的C4AF含量。

(2)骨料的選擇。

砂石一般不與水泥漿起化學反應，它們在砼中主要起到骨架作用，因而可以降低水化熱，大大減少砼由于水泥漿硬化而產生的收縮，并起到抑制裂縫發展的作用。

由于骨料在砼中起著重要作用，故砼中骨料應具有良好的顆粒級配，以盡量減小空隙率;砂石表面應干凈，以保證與水泥漿更多地結合;應盡可能減少含有的雜質，以保證砼的耐久性。石子的粒徑較大時，砼所需的水泥用量和用水量都減少，降低砼的水化熱，同時砼的干縮也較小。但石子太大，砼的攪拌和其他操作在施工中都將發生困難，而且易產生離析。針對以上情況，在施工中選用兩個級配，一種為5-16mm碎石，另一種為10-25mm粒徑石子。

使用砂子過粗易使新拌砼產生泌水現象，影響砼的和易性;使用的砂子較細時，又會使砼粘聚性略大、保水性好、易于振搗，但干縮較大、表面容易產生干縮裂縫。結合施工經驗，粗砂細度模數為2.6-2.9。

(3)外加劑的選擇。

箱梁鋼筋較密，再加上有波紋管，因此要求砼的流動性大，和易性好，故使用減水劑、密實劑。減水劑可改善砼的和易性，減少水的用量，減慢水化初期水化熱產生的速度，有利于改善砼的溫度應力，減少開裂現象;密實劑可使各層砼連接較好，避免施工縫的出現。

(4)配合比的選擇。

配置砼就是在滿足砼和易性、強度、耐久性及盡可能經濟等四項基本要求下，比較合理地確定水泥、水、砂子、石子四者的用量比例關系及外加劑的比例。在確保砼的澆筑均勻、振搗密實的前提下，采用較少的拌合水量，較小的水灰比，較好的骨料級配以及較小些的坍落度，較低的拌合溫度，都是有助于降低砼的干縮性的。

2.1.2 混凝土的抗拉性能

砼溫度裂縫的引發條件是:σt(溫度應力)≥ft(砼的抗拉強度)，砼的抗拉伸變形能力是制約砼裂縫的重要因素之一，但國內關于這方面的實驗研究卻不如壓縮性那樣充分。

混凝土受拉中的應力—應變關系線形有似于受壓中的關系線性，如圖所示:

在拉應力增加到超過A點后，砼內部微裂縫逐漸增多、擴展，往往要出現塑性變形，在拉應力增加到極限強度ft(B點)時混凝土不一定立即破壞，而后是拉應力轉而下降，直至C點混凝土才要斷裂。有資料顯示，混凝土的極限拉伸強度除相關混凝土強度之外還受粗骨料粒徑形態影響。采用碎石的混凝土，其抗拉伸性可比卵石混凝土強。另有資料，骨料的最大粒徑越大，抗拉性能越低。

2.2 箱梁的施工工藝控制

2.2.1養護

砼澆筑完成后即進行養生，能促進硬化作用得以充分發揮，防止干縮裂縫的出現。在施工中通常采用直接往砼表面澆水的方法，使砼表面保持絕對濕潤，防止砼時干時濕，致使頂板開裂。

2.2.2混凝土的澆筑

連續箱梁的澆筑采用從頂板下料，先澆筑底板，再澆筑腹板，最后澆筑頂板的澆筑順序澆筑，并分別采用不同的坍落度控制。底板和頂板控制在14-16cm之間，腹板控制在16-18cm之間。

砼的振搗以附著式為主，插入式振動棒為輔，且重視附著式振動器的設置。附著式振動器必須兩邊對稱振動，控制振動時間。底板和頂板采用插入式振動棒搗固，要布點均勻，逐步振搗，尤其是注意錨頭位置和新老混凝土接縫位置的振搗，不可過振或漏振，保證砼的質量，抑制裂縫的產生。梁體頂板在澆筑后要二次收漿，抹面拉毛，防止沉陷裂縫的出現。

2.3 預應力施工控制

預應力施工是一道關鍵工序，是保證整個梁體質量的重要環節，也將直接影響箱梁以后的承載力。施加預應力要求精度高，故在施工中易受各方面的不良影響，如錨頭砼質量，錨下鋼筋及彈簧筋的布置，張拉機具及施工人員的技術水平等。在施工中采取以下措施:①標定千斤頂、油表，使其處于良好的工作狀態;②檢查錨具、鋼絞線的質量，杜絕不合格產品;③控制張拉時砼的強度(本橋張拉時強度不小于49.5Mpa)和彈性模量;④使工作錨與錨墊板貼近，并且夾片安裝均勻、打緊;⑤加載卸載時要平穩、緩慢，不可過快產生沖擊力;⑥張拉順序須嚴格按照設計張拉順序施工。

3 結語

混凝土裂縫本身是一個較復雜的問題，它涉及到混凝土的材性、構性及施工環境等各方面的問題。實際工程結構中的干縮變形和溫度變形時而是相伴發生，外部約束和內部約束也時而是同時存在的，如果我們從根本上了解到制約砼裂縫的發生主要有三個基本要素:①砼收縮變形的大小;②砼抗拉性能的高低;③砼變形的約束條件，那么，有效地預防預應力混凝土裂縫的產生也是可操作的。