贛江泰和特大橋施工裂縫形成原因及控制措施

劉曉燕　黃婧

摘 要:針對贛江泰和特大橋施工過程中,荷載產生的裂縫、溫度變化產生的裂縫、混凝土收縮引起的裂縫、施工工藝質量引發的裂縫和施工材料引起的裂縫做了較全面的分析和總結,并提出了相應的控制預防措施。

關鍵詞:贛江泰和特大橋裂縫控制措施

中圖分類號:TB21 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0065-02

近年來,我國在交通基礎建設方面得到了高速發展,特別是大跨度預應力混凝土梁橋的應用。在混凝土橋梁的建造和使用過程中,有關因出現裂縫而影響工程質量,甚至導致橋梁垮塌的現象頻頻發生,鋼筋混凝土出現裂縫的問題經常困擾著橋梁工程技術人員。其實,現代科學和大量的工程實踐證明:只要采取一定的設計手段和施工措施,很多裂縫是可以預防甚至控制、避免的。贛江泰和特大橋裂縫的種類就其產生的原因,大致可分為:荷載產生的裂縫、溫度變化產生的裂縫、混凝土收縮引起的裂縫、施工工藝質量引發的裂縫、施工材料引起的裂縫。下面就針對贛江泰和特大橋的施工裂縫產生原因作較為全面的分析和總結,并且從中探究出控制贛江泰和特大橋裂縫的有效方法來指導工程實踐。

1贛江泰和特大橋工程概況

贛江泰和特大橋地處江西省泉州至南寧國家高速公路石城至吉安段,起于石城縣東南10km處的贛閩省界五里亭,與福建境內永安至寧化高速公路相接,途經石城縣、寧都縣、興國縣和泰和縣,終于泰和縣以北11km處的石頭山,與大廣高速公路及泉南高速公路吉安至蓮花段相連,全長190.719km。橋梁全長1900.20m,其中主跨為(48+4×80+48)m6跨變截面預應力混凝土箱型連續梁,全聯長417.20m,橫截面為單箱單室箱型截面,箱梁頂寬10m,底寬5.2m,橋面全寬11.3m。主橋為(100+155+100)m,采用懸澆梁施工,左、右幅各有懸澆段19節,合龍段1節。

2贛江泰和特大橋施工裂縫的種類及控制措施

2.1 荷載產生的裂縫及控制措施

贛江泰和特大橋在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫。歸納起來主要有彎曲裂縫、剪切裂縫、斷開裂縫、扭曲裂縫和局部應力引起的裂縫[1]。例如此橋梁若干橋臺的1/3處出現明顯的貫通橋臺的水平裂縫,發生在橋臺(超過4m位置)的薄壁臺中,據此裂縫的發生位置分析得出,橋臺的1/3處作為橋臺懸臂梁模擬壓力受力時的最大彎矩點,多數由于橋梁臺后填土較高,土質為液性低黏性土,類似軟土地基,排除設計缺陷和施工期間發生的可能,應該在橋面板安裝后,在車輛活荷載及軟土自然下沉作用下共同引起臺背軟基滑移,導致橋臺受力模型擬為簡支梁,橋臺1/3處的裂縫實際為剪力縫。上述水平裂縫若貫通則極易引起混凝土突然開裂,鋼筋在長期屈服應力狀態下受力,不僅會大大縮減結構使用年限,同時存在很大的安全隱患。在施工過程中,如果一旦出現斜裂縫,就應立即加強觀察。如裂縫發展緩慢并只限制在受拉區,裂縫寬度在限值以內,此時的斜裂縫還被允許;如果裂縫不斷發展或者裂縫超出受拉區,則不論其寬度和長度的大小,都應及時施加必要的加固處理。

控制荷載裂縫的措施有以下幾點。

(1)贛江泰和特大橋在建造時期,要正確恰當放置施工使用器械和材料;在受力的預制結構不明了的情況下,嚴格控制結構的活動情況;要按照圖紙的設計和規定的施工程序施工;另外還要針對結構做施工機具振動條件下的疲勞強度驗算等。

(2)橋梁在荷載作用下常常由于應力集中而產生裂縫,為了避免贛江泰和特大橋此類裂縫的產生,施工階段不得隨意在橋梁結構中鑿槽、開洞、設置牛腿等。

2.2 溫度變化產生的裂縫及控制措施

溫度是影響產生粗裂縫的重要原因之一,主要出現在鋼筋配備薄弱的位置。與溫度引起的內應力及約束應力的大小與溫差有關,特別是與晝夜間的變化關系最大,當然溫度變化的速度(例如冷卻的速度)也是關鍵,橋梁上嚴重損害的裂縫往往發生在氣候條件最差的時候。贛江泰和特大橋多數表現為橋的薄壁臺和耳墻部位中,發生的數量和位置均無明顯規律,與橋臺高度也沒有呈現量的關系,另外,由于橋臺橫向長度較長,高速公路單幅長度有的甚至達到20m,盡管預留了沉降縫,但是受溫度變化的影響依然存在,施工期間便產生了此類非結構裂縫。

控制溫度裂縫的措施有以下幾點。

(1)通過減小混凝土內外溫差、降低水泥水化熱來防止混凝土由于收縮和膨脹產生的溫度應力超過混凝土強度,可以有效的防止產生溫度裂縫。提高骨料的級配,使用干硬性的混凝土或者添加混凝土添加劑等措施,可以降低水泥的使用量;使用冷水攪拌混凝土,冷卻的碎石可以降低混凝土澆筑時的溫度;若果在混凝土澆筑時環境溫度較高,可以降低澆筑厚度,通過澆筑表層散熱;可以將通過冷水的水管埋設在混凝土中來降低溫度;統一恰好的拆模時間,規定合理的拆模時間,為避免混凝土表面發生急劇的溫度變化,在氣溫驟降時應對表面保溫;遇寒冷季節,施工中長期暴露的混凝土澆筑體表面或薄壁結構應采用保溫措施。

(2)保證合理地安排施工工序,防止高差超標和側面長期暴露;為避免基礎過大起伏應合理分縫分塊。另外,可以通過改善混凝土的性能,提高抗裂能力,防止表面收縮。這對防止裂縫的產生有十分重要的作用,由于出現貫穿裂縫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裂縫的發生為主。

(3)新澆筑混凝土早期拆模很容易導致溫度沖擊現象。在混凝土澆筑初期,水化熱的散發會在表面引起相當大的拉應力,此時,表面溫度必定過高,如為了提高模版的周轉率而在此時拆除模板,混凝土表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,從而在表面附加拉應力,加上水化熱應力,再加上混凝土干縮,表面產生過大的拉應力,極易產生裂縫。當混凝土溫度高于氣溫時應考慮拆模時間,避免溫度超標導致混凝土表面產生早期裂縫。但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料(如塑料薄膜),可以有效防止早期裂縫的產生。

2.3 混凝土收縮引起的裂縫及控制措施

混凝土的收縮包括兩點:(1)水泥的水化產物在凝固反應后體積變小。(2)混凝體的體積會隨著硬化過程中水分的蒸發而減小。因為混凝土由外到里逐層干燥,內部形成含水分布階梯,造成外表收縮程度大,內里收縮程度小的收縮不均勻。進而導致混凝土的外表承受拉力,內部承受壓力的現象。如果外表拉力大過混凝土抗拉強度時,就容易出現收縮裂縫。

贛江泰和特大橋多處在Ｔ梁、箱梁腹板與頂底板交接位置,因硬化前沉實不均勻產生混凝土表面順腹板方向的裂縫。發生在施工過程中的收縮裂縫主要是塑性收縮裂縫,混凝土在澆注后的4h～5h內水泥水化反應尤為激烈,水分急劇蒸發,混凝土失水導致收縮,同時骨料下沉,在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。

控制收縮裂縫的措施主要有以下幾種。

(1)統一規定水泥種類、標號及用量。礦渣、快硬、低熱等水泥混凝土收縮性較高,普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大,則混凝土收縮越大,且發生收縮時間越長。故應根據構件厚度選擇水泥品種。

(2)采用合適的骨料品種。骨料中石英、石灰巖、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低;而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑越大砂率越高收縮越小,而含水量越大,表現為水泥漿量越大坍落度越大收縮越大。

(3)減少用水量,從而減小水灰比。

(4)合理選用外加劑和摻合料。外摻劑保水性越好,混凝土收縮越小。

(5)養護措施正確。正確的早期養護尤為重要,可以促使混凝土的水花反應加速,產生強度較高的混凝土。高濕度、低溫度的長時間養護過程,可以使混凝土的收縮減小。還有整齊的養護方式同樣可以減少混凝土的收縮。養護過程中濕度和溫度是影響混凝土收縮最重要因素。澆注后立即覆蓋,澆水保濕,同時保溫、防風,可較好地控制混凝土收縮裂縫。

(6)環境濕度越小收縮越大;早期養護時間越長,收縮越小;混凝土暴露面越大,收縮越大;風速越大,收縮越大。

(7)振搗利用機械進行操作。機械振機械振搗混凝土的收縮性比手工小。振搗最好在5～15秒/次,具體時間長短根據機械本身性能判斷。時間過短,容易造成振搗不夠密實,今兒混凝土凝固不均勻或者強度不夠;時間太長,造成分層,粗骨料沉入底層,細骨料留在上層,強度不均勻,上層易產生收縮裂縫。

2.4 施工工藝質量引發的裂縫及控制措施

在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中,如果不按照規定的施工方法和質量要求進行施工,可能出現各種方向和不同程度的裂縫。裂縫的位置、寬度和方向手產生原因的影響。

控制施工工藝質量引發的裂縫的措施主要有以下幾點。

(1)嚴格控制混凝土震搗速度,過快容易使得流動性降低。如在混凝土硬化前沉實不足硬化后沉實過大,澆筑數小時后容易產生塑性收縮裂縫。

(2)正確恰當的規定混凝土攪拌和運輸的時間,水分的蒸發會隨著時間增長而增多,降低混凝土的塌落度,混凝土容易出現不規則的收縮裂縫。

(3)嚴格控制混凝土保護層厚度,厚度過大或上層鋼筋被踩壓變位,易使承受負彎矩的受力鋼筋保護層加厚,導致構件的有效高度減少,形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。

(4)在混凝土分層或分段澆筑時,按規范處理接頭部位,防止在新舊混凝土和施工縫之間出現裂縫。

(5)施工時嚴格控制拆模時間,若拆模過早,混凝土強度不足,容易使構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。

(6)施工前保證支架壓實充足,支架剛度滿足要求。

2.5 施工材料引起的裂縫及控制措施

混凝土的主要成分有水泥、粗細骨料、水、礦物摻合料和外加劑。若其組成成分的出廠質量不合格,混合時比例、順序發生錯誤,都會造成結構出現裂縫。例如水泥出廠強度不足或水泥受潮、過期,都會導致混凝土強度不足而產生裂縫。

如下是幾種比較常見的裂縫形成原因。

(1)水泥安定性不合格。因水泥生產中原料未燒透,成品中殘留游離的氧化鈣、氧化鎂,若其含量超標。由于氧化鈣、氧化鎂在凝結過程中水化速度很慢,在水泥結硬后仍然繼續起水化作用,可引起已硬化的水泥石內部產生張力,嚴重者使混凝土開裂或崩潰。

(2)當水泥中堿性氧化物含量較高(超過0.6%),同時又使用含有堿活性的砂、石骨料,可能導致堿骨料反應,引起混凝土開裂。

(3)混凝土粗細骨料的粒徑大小、級配、雜質含量、空隙率都會嚴重影響混凝土的強度,若級配不良孔隙率大都將導致水泥和拌和水用量過大,影響混凝土的強度,使混凝土收縮加大。如果使用超出規定的特細砂,后果更加嚴重。

(4)砂石中云母的含量較高,將削弱水泥與骨料的粘結力,降低混凝土強度。砂石中含泥量高,不僅將造成水泥和拌和水用量加大,而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗滲性。砂石中有機質和輕物質過多,將延緩水泥的硬化過程,降低混凝土強度,特別是早期強度。

保證混凝土材料合格,改進現澆混凝土的施工工藝,根據混凝土主要技術指標及現場施工條件,選擇合適的水泥和集料,并嚴格控制水灰比,就可以有效地防止由于施工材料質量問題引發的裂縫。

3結語

贛江泰和特大橋施工裂縫的原因復雜而繁多,涉及到荷載、材料、溫度、施工環境、管理等多方面的因素,甚至多種因素相互影響。因此必須嚴格按照國家技術標準進行設計,規范施工,認真總結經驗,采用科學的施工方法、先進的施工工藝以及合格的建筑材料,加強混凝土養護,防止出現混凝土橋梁施工裂縫是可以做到的。

參考文獻

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