橋梁混凝土施工溫度與裂縫因素研究

劉尚俊

(廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

橋梁工程建設(shè)過程中，混凝土是主要的構(gòu)件，在橋梁施工中起著主導(dǎo)作用。盡管工程建筑水平在不斷提升，混凝土施工技術(shù)及混凝土的裂縫控制水平也有了極大的提升，但是混凝土裂縫問題在橋梁施工中仍然非常普遍。通過對橋梁工程混凝土施工的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土溫度應(yīng)力的變化是導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的最主要因素，做好混凝土溫度應(yīng)力的控制工作至關(guān)重要。

1 橋梁工程中混凝土施工裂縫出現(xiàn)的原因

混凝土施工中，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的原因多種多樣，其中溫度和濕度的變化、混凝土的脆性和不均勻性、結(jié)構(gòu)不合理等是主要因素。

1.1 水化熱的因素

通常情況下，混凝土在硬化的過程中，水泥容易釋放出大量的水化熱，這些水化熱的產(chǎn)生逐漸使得混凝土內(nèi)部的溫度上升，引發(fā)混凝土表面的拉應(yīng)力。水泥在釋放出水化熱之后，既然有升溫的過程，就必然會有降溫的過程。在后期降溫時(shí)，會受到基礎(chǔ)以及舊混凝土的約束，又會在混凝土內(nèi)部形成拉應(yīng)力[1]。值得注意的是，水泥水化熱導(dǎo)致的升溫與許多因素有關(guān)，如單位體積的水泥種類、水泥用量、混凝土結(jié)構(gòu)的截面尺寸等。

1.2 氣溫變化因素

混凝土在進(jìn)行澆筑施工的時(shí)候，施工環(huán)境中的溫度變化也是裂縫產(chǎn)生的重要影響因素。混凝土澆筑的溫度受到環(huán)境溫度的影響，會發(fā)生相應(yīng)程度的變化，當(dāng)環(huán)境溫度下降的幅度過大時(shí)，混凝土內(nèi)外層的溫差逐漸加大，溫度預(yù)應(yīng)力隨之產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。如果混凝土澆筑在高溫環(huán)境下進(jìn)行，混凝土的散熱將會受到嚴(yán)重的影響，這樣一來就容易使得混凝土內(nèi)部的溫度急劇上升，導(dǎo)致其長時(shí)間保持在高溫狀態(tài)。

1.3 收縮變形因素

混凝土發(fā)生水化熱作用之后，體積會發(fā)生一定的變化，也就是混凝土出現(xiàn)變形。縱觀各大橋梁混凝土施工的實(shí)際情況，變形主要以收縮變形為主，極少會出現(xiàn)膨脹變形的情況。對于混凝土的收縮變形，涉及到的原因比較復(fù)雜，最主要的原因是混凝土內(nèi)部空隙水蒸發(fā)現(xiàn)象導(dǎo)致產(chǎn)生毛細(xì)管引力。混凝土收縮變形進(jìn)行水飽和操作之后可以實(shí)現(xiàn)恢復(fù)，理想情況下能夠恢復(fù)到之前的體積，但是干濕情況的變化會影響到混凝土的質(zhì)量控制[2]。

2 混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力分析

通過對橋梁工程建設(shè)中混凝土施工的分析，發(fā)現(xiàn)混凝土溫度應(yīng)力的形成過程可以分為三個(gè)階段，分別是早期階段、中期階段和后期階段。

早期階段，從混凝土澆筑完成之后直到水泥發(fā)熱結(jié)束，這段時(shí)間大約持續(xù)一個(gè)月左右。早期階段的溫度應(yīng)力有兩個(gè)主要特征：一個(gè)是水泥出現(xiàn)水化熱現(xiàn)象，釋放出大量熱量；另一個(gè)是混凝土上彈性模量急劇變化，正因?yàn)閺椥阅Ａ康牟粩嘧兓炷羶?nèi)部形成一定的殘余應(yīng)力[3]。

中期階段，指的是水化熱作用完成至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度的時(shí)間段內(nèi)。這一階段引發(fā)混凝土溫度應(yīng)力的主要原因是混凝土自身的冷卻以及外界氣溫環(huán)境的變化。中期階段形成的溫度應(yīng)力和早期階段形成的殘余應(yīng)力相互疊加，而這一階段彈性模量不會出現(xiàn)明顯的變化。

后期階段溫度應(yīng)力的形成主要是指混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。這一階段的溫度應(yīng)力主要是由環(huán)境溫度變化引起的，與早期階段和中期階段形成的殘余應(yīng)力相互疊加，形成后期階段的溫度應(yīng)力。

3 橋梁混凝土施工中溫度控制與裂縫防治

3.1 材料的控制

要控制好橋梁混凝土施工中的裂縫，首先要做的就是控制好混凝土的材料，通過對材料的控制來控制混凝土水化熱升溫。在實(shí)際混凝土施工過程中，應(yīng)當(dāng)盡可能地選用水化熱較低的水泥，控制好水泥的用量，且可以在混凝土中摻入適當(dāng)?shù)牡V粉和粉煤灰，還可以對混凝土骨料進(jìn)行優(yōu)化處理。另外，應(yīng)優(yōu)化混凝土配合比。通常情況下，混凝土配合比的設(shè)計(jì)可以對水灰比、砂率以及拌合用水量進(jìn)行控制，如水灰比控制在0.42左右，砂率控制在40%左右，拌合用水量控制在175 kg/m3左右[4]。

3.2 溫度的控制

(1)可以從材料上著手，改善骨料級配，用干硬性混凝土，摻混合料。(2)在進(jìn)行混凝土攪拌的時(shí)候，可以在攪拌之前的一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加水處理，實(shí)現(xiàn)降低混凝土澆筑溫度的目的。(3)如果混凝土澆筑的時(shí)間在熱天，要盡可能地降低澆筑的厚度，有利于澆筑層面散熱[5]。(4)埋設(shè)水管，在混凝土澆筑過程中通入冷水，以便實(shí)現(xiàn)降溫。(5)氣溫如果下降的幅度很大，則要進(jìn)行表面保溫處理，這樣可以避免混凝土表面產(chǎn)生急劇的溫度梯度。(6)如果施工時(shí)間處于冬季，外部環(huán)境的氣溫比較低，則應(yīng)采取保溫措施，對長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫處理。

3.3 改善約束條件

約束條件的改善包括很多方面，有合理地進(jìn)行分縫和分塊，也有防止大體積混凝土基礎(chǔ)起伏過大，還有改善混凝土的性能等。當(dāng)然，橋梁工程混凝土在施工過程中，拆模的時(shí)間要控制好，不能過早也不能過晚，避免混凝土構(gòu)件表面的拉應(yīng)力導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。一般情況下，在拆除模板之后，需要在其表面覆蓋一些輕型保溫材料。

3.4 分層分塊澆筑

橋梁工程混凝土施工過程中，在連續(xù)澆筑混凝土的時(shí)候，要控制好混凝土的厚度，最佳范圍宜在30～50 cm范圍內(nèi)。無論是實(shí)施分層澆筑還是進(jìn)行推移澆筑，都必須控制好間歇時(shí)間。在前一層混凝土初凝之前要完成下一層的混凝土澆筑。初凝時(shí)間的把握有一定的難度，所以要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)檢測。如果因?yàn)樘厥馇闆r的存在而錯(cuò)過了初凝時(shí)間，則需要進(jìn)行施工縫處理。混凝土的澆筑應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“由低至高”的原則，保證混凝土量的充足，做好二次搗鼓作業(yè)。

3.5 外加劑的使用

橋梁工程混凝土施工過程中，比較常見的外加劑如粉煤灰，它對水泥水化熱作用的降低具有重要的作用。在混凝土中加入15%～20%比例的粉煤灰，可以降低水泥的水化熱效應(yīng)，幅度可達(dá)20%左右[6]。除了粉煤灰這一傳統(tǒng)的外加劑之外，還有減水劑、緩凝劑、防水劑、防凍劑等。在具體的施工中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況選用外加劑，既要考慮施工成本，又要考慮施工效率，還要考慮施工質(zhì)量，同時(shí)還要防止對周圍環(huán)境造成的污染。

4 結(jié)語

在橋梁工程建設(shè)中，混凝土施工非常關(guān)鍵，控制好混凝土施工的質(zhì)量實(shí)際上就是控制好橋梁工程的施工質(zhì)量。因此，在混凝土施工之前，一定要對各種可能引發(fā)裂縫出現(xiàn)的因素進(jìn)行分析研究，通過對這些因素的分析，著眼于整個(gè)橋梁工程的施工，提出相應(yīng)的措施。從控制好施工溫度、優(yōu)化混凝土配合比、采用科學(xué)的施工工藝以及合理使用外加劑等方面出發(fā)，降低裂縫的發(fā)生概率，減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，從而提升混凝土施工的質(zhì)量，最終提高橋梁工程的施工質(zhì)量，延長橋梁工程的使用壽命，保證其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的充分發(fā)揮。