淺談橋面系混凝土網裂的控制

周慧文

橋梁在公路工程建設中占有非常重要的地位。然而在今天,盡管我們在設計、施工、養護中采取各種措施,但裂縫仍然時有出現。現在公路發達的德國、美國、日本等國也在研究這一課題,但由于各個國家的具體情況不一樣,裂縫的原因也是千差萬別,各有不同。在我國,這項工作也在一直的研究和探討中,處于我國中部地區的山西,以能源為經濟支撐點,所以,超限運輸給橋面造成巨大的破壞,這是人為造成的,是可控的;我們從技術角度探討和分析中發現,橋面混凝土對溫度變化的適應能力是其造成網裂的主要原因之一。

在橋面混凝土施工過程中,對溫度變化的適應能力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因:首先,由于公路工程在施工中,混凝土從拌和、運輸、澆筑、養生有一個過程,需要一個時間周期,常常出現溫度裂縫,影響到結構的整體性和耐久性。其次,在運營及養護過程中,溫度變化對結構的破壞具有不容忽視的影響。根據固體強度理論,裂縫的擴展是結構物破壞的初始階段,裂縫會引起整體構造承載力和強度下降,有些裂縫雖然沒有達到使結構物受力狀態改變的危險程度,但裂縫本身提供了進入混凝土內部的入口,可能引起滲漏、保護層剝落、鋼筋腐蝕、混凝土碳化等,加上精神作用和美觀方面的原因,習慣的概念是不允許結構物出現裂縫的,我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫,因此僅對施工中橋面混凝土裂縫的成因和處理措施進行探討。

1 成因

環境溫濕度的變化、物件兩面的溫濕之差、反復凍融、表面加熱,是混凝土產生裂縫的主要原因之一。

混凝土具有熱脹冷縮和濕脹干縮的特性。當環境溫度和混凝土溫度有較大差別時,表層的混凝土發生較大膨脹或收縮,而內部的混凝土的膨脹或收縮較小,這種差異將導致表層混凝土的開裂,比如烈日暴曬下的混凝土表層的裂縫。除了劇烈的溫差導致混凝土開裂外,較溫和的溫度周期性變化也會使混凝土出現裂縫。與環境溫度相比,環境濕度的作用也不小。由于環境濕度小于混凝土濕度而引起的混凝土干縮裂縫是非常常見的。這種干縮裂縫產生的原因是混凝土中的水向環境中散失,從而在混凝土中產生毛細管張力,當這種力的作用超過了混凝土的抗拉強度時混凝土就出現裂縫。這種裂縫一般是表面裂縫,對混凝土的承載力影響不大,但對混凝土的使用性能有較大影響。其次,混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,由于受到基礎或老混凝土的約束,又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時,即會出現裂縫。許多混凝土的內部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發生劇烈變化。如養護不周、時干時濕,表面干縮形變受到內部混凝土的約束,也往往導致裂縫。在鋼筋混凝土中,拉應力主要是由鋼筋承擔,混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內或鋼筋混凝土的邊緣部位如果結構內出現了拉應力,則須依靠混凝土自身承擔。一般設計中均要求不出現拉應力或者只出現很小的拉應力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩定溫度,往往在混凝土內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可超過其他外荷載所引起的應力,因此掌握溫度應力的變化規律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

2 解析

自 20世紀 60年代以來,國內外多座混凝土橋梁因溫度應力造成結構裂損,甚至倒塌。如:德國對 Jagst橋腹板檢查中發現,通車 5年就出現嚴重裂縫,經估算溫度應力高達 2.6MPa。美國對Champigny箱形梁橋溫度應力的變化進行觀測時,1 d內應力變化高達 20%,如果按梁的頂板底溫差考慮,相當于溫差 10℃,由其產生的最大下翼緣拉應力達 3.92 MPa。橋面板表面與下翼之間的溫差可達 2℃～33℃。根據溫度應力的形成過程可分為以下三個階段:1)早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約 30 d。這個階段的兩個特征:a.水泥放出大量的水化熱;b.混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內形成殘余應力。2)中期:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止,這個時期中,溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起,這些應力與早期形成的殘余應力相疊加,在此期間混凝土的彈性模量變化不大。3)晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起,這些應力與前兩種的殘余應力相疊加。

3 措施

3.1 控制溫度的措施

1)施工中改善骨料級配,減少混凝土中的水泥用量;2)在混凝土中埋設水管,混凝土表溫過高時通入冷水降溫;3)拌合混凝土時嚴格控制水和集料的溫度,以降低混凝土的澆筑溫度;4)拆模時的溫度要合理,氣溫驟升驟降時要進行表溫保持,以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度;5)運營中長期暴露的混凝土澆筑塊表面,在炎熱的季節要灑水降溫,在寒冷季節采取保溫措施。

3.2 改善措施

1)按設計要求合理地分塊;2)設計時基礎縱坡不宜過大起伏;3)合理的安排施工流程,做好銜接工作。

此外,還可以通過使用外加劑改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養護,防止表面干縮,特別是保證混凝土的質量對防止裂縫是十分重要的,應特別注意避免產生貫穿裂縫,出現后要恢復其結構的整體性是十分困難的,因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發生為主。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,我們在工程實踐中多進行這方面的實驗對比和研究,比單純的靠改善外部條件,可能會更加簡捷、經濟。在混凝土澆筑初期,常出現“溫度沖擊”現象。由于水化熱的散發,表面引起相當大的拉應力,此時表面溫度亦較氣溫為高,此時拆除模板,表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,有導致裂縫的危險,但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料,如泡沫海綿等,對于防止混凝土表面產生過大的拉應力,具有顯著的效果。

4 養生

冬期采用一層地膜上蓋再生棉再加一層塑料布方法養生。熱期不宜單獨使用專用養護膜覆蓋法養護高強度混凝土,灑水濕養護應不間斷,避免形成干濕循環?；炷翝仓?表面應立即覆蓋清潔的塑料膜,初凝后撤去塑料膜,用浸濕的粗麻布等儲水材料覆蓋,經常灑水,保持潮濕狀態最少 7 d。干熱大風天氣注意澆筑時及時覆蓋灑水,防止出現裂縫。根據氣溫條件采取控溫措施,并按要求測定澆筑后混凝土表面和內部溫度,將內外溫差控制在 25℃以內,可采用鼓風機等向箱內吹送空氣,使箱內混凝土內外空氣循環,以降低箱內熱量聚集,并適量補充箱內水分,澆筑后 24h內保持箱內存水 1cm左右。

5 結語

雖然現階段學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論,但對于具體的預防和改善措施意見還是比較統一,具體施工中要靠我們多觀察、多比較,出現問題后多分析、多總結。大量工程實踐所提供的經驗都說明,裂縫是不可避免的,只有針對性進行預防,控制其可能出現的裂縫不超出可容許程度或無損于混凝土工程質量水平,是較為科學的方法。

[1] 韓國華.混凝土橋梁裂縫的成因分析及處理方法[J].山西建筑,2009,35(2):309-310.