空心薄壁高桥墩裂缝防治技术

2010-09-06任波,王优

黑龙江交通科技 2010年9期

任波,王优

(济源市公路管理局)

随着我国高速公路的发展,桥梁的跨径越来越大,尤其在峡谷地区桥墩也多采用高大的空心薄壁桥墩,一些桥墩高达 100m以上,且为柔性墩。由于桥墩高度高,截面尺寸大,施工中易受外界环境影响,因此,面对如此高度的空心薄壁墩,如何高质量完成其建设任务,避免和减少墩身混凝土裂缝的出现,成为设计和施工人员所必须考虑的问题之一。

1 裂缝产生的原因

混凝土裂缝问题一直是工程界最为关心的课题之一,因为它的出现涉及钢筋的腐蚀及结构功能的丧失和结构外观的磨损,针对空心薄壁高桥墩分析裂缝可能产生的原因,我们进行了仔细研究论证,最终认为大致可分为设计原因和混凝土自身原因两大类。

1.1 设计原因

依据传统设计规范按结构承载强度进行配筋,其受力裂缝和收缩裂缝多可同时得到控制;只是受力配筋兼顾收缩配筋,未对收缩配筋做充分考虑,一旦超出一定范围,则仍有可能出现收缩裂缝,在出现裂缝的空心墩中,都曾出现过竖向收缩裂缝,起因之一就是构造配筋不足,以往空心墩的结构设计,习惯上注重按承载强度进行受力配筋,而对因温度、湿度引起的收缩变形问题,则往往考虑不足;空心墩结构形式一般为底部混凝土体积较大,且为梯形渐变结构形式;因此桥墩混凝土凝结固化时内部水化热及水化热温差梯度较大,而养护时,内部通常采取灌水养护,外壁采用洒水养护,容易造成由于内外温度和湿度不一而引起混凝土收缩不均,进而导致收缩裂缝。

1.2 混凝土自身原因

混凝土自身原因产生的裂缝类型很多,归纳起来有：干缩、温度、施工原因、化学作用等。国际预应力混凝土学会认为,凡是混凝土一次浇筑的最小尺寸大于 0.6m,且水泥用量大于 400kg/m3时,应当考虑水化散热慢或其他降温措施;国家建筑部门认为混凝土结构物实体最小尺寸大于或等于 1m的大体积混凝土中,水化热量的散失与最小尺寸平方成反比,所以内部散热十分缓慢。一道厚 1.5m;两侧暴露在较冷的空气中的混凝土墙,散失 95%的水化热量需要一周时间;如果墙厚达 15m,散失 95%的水化热,则需要 2年时间。因此,如果控制混凝土内部温度升高和温度变化速度,就可能减少或避免出现裂缝,基于这点建设者充分考虑混凝土及其组成材料的特性,从水泥品种、成分、单位体积水泥用量、骨料、拌和水量、外加剂等方面综合考虑,并多次调试混凝土配比,并以配合比和施工环节降低水泥水化热,从而达到减少或避免大体积混凝土出现裂缝的目的。

2 裂缝的防治

2.1 结构设计

(1)混凝土裂缝分散性很大,难以正确计算,对其也缺乏统一认识,因此在混凝土结构钢筋设计中往往是基于对裂缝机理分析,并结合经验而在配筋构造上进行限制,以满足一般情况下裂缝控制的需要。如：某大桥空心薄壁墩,其墩底部为 1050cm×800cm×105cm(长 ×宽 ×高)的矩形薄壁混凝土结构,底部为 30m为薄壁梯形渐变段,然后室壁厚均等的薄壁区段,类似这种高大空心墩是依靠其结构形状、质量和强度来承受荷载的,因此为保证混凝土结构性能满足设计条件和耐久性,设计者从结构受力,结构构造以及外部因素影响等多方面进行充分论证,并结合分析研究外地类似大桥空心墩设计及裂缝产生的原因,而改变以往传统的设计思路,增加了新的可靠性设计元素,为避免或减少混凝土裂缝提供了设计保障。

①确保最小钢筋面积(As,min)：由于墩底受压,因此横向湿缩缝不会出现,而多是因受压或湿缩而引起的竖向裂缝。横向箍筋正是为满足这种要求布设的,但其数量应能保证钢筋应力即使在因混凝土开裂而增大后仍不超越屈服强度,能使裂缝充分分散,数量多而宽度小,从而避免出现“非控制性”的不可容许的少数宽缝。

②保证钢筋最大间距：除控制最小钢筋面积之外,还要控制空心墩中的箍筋间距。箍筋间距可以影响裂缝距离,设计中依次在传统空心墩设计的基础上,增加箍筋数量,减小钢筋间距。

③保证钢筋直径：一般情况下可以代替控制荷载裂缝时的钢筋最大间距,对于由约束收缩(干缩、湿缩)引起的裂缝必须限制钢筋直径。

④建议增设混凝土防裂网,该钢筋网与混凝土共同作用受力,改善混凝土工作性能,以避免或分散混凝土裂缝。

(2)合理选择混凝土标号。

在能满足结构强度的同时,降低墩身混凝土设计标号,以减少水泥用量,并与承台混凝土设计标号一致,减少温差收缩不一致引起的内部应力以及约束应力引起的约束裂缝。

2.2 混凝土原材料及配合比

混凝土的水化热大小与水泥成分、单位体积、水泥用量、骨料、拌和水量密切相关。但水泥成分、骨料性质、用水量究竟对水化热有多大影响,还没有一个定量的概念。因此应尽量选用低水化热水泥,但不同品牌的水泥产生的热量是不相同的;粉煤灰的掺入可以减少水泥用量,降低水化热产生的总量;弹性模量较低的粗骨料,有利于混凝土抗拉性能的发挥;适当的外加剂可以改善混凝土工作性能,降低用水量。因此,在混凝土混合料中,掺和外加剂,降低水灰比,是降低水泥水化热的有效措施。

(1)混凝土原材料。

①水泥。水泥除其发热量和使用量是决定混凝土裂缝的重要原因外,其干缩性也是决定混凝土干缩裂缝的重要原因。不同的水泥,甚至是同一品种、同一强度的水泥,只是由于生产厂家不同,其发热值、干缩值都有可能相差很大。

②细集料。要求级配良好、质地坚硬、颗粒洁净、细度模数在 2.3～3.1之间,不要用粘性砂,特别控制砂的含泥量在2%以内,因此,桥墩施工全部应采用质量稳定,性能良好的中砂。

③粗集料。带有棱角,有麻面的碎石较有利于提高混凝土的抗拉伸性能,同时可减少混凝土的干缩性和冷缩性。

④外加剂。合理、科学地使用外加剂,可以使混凝土的和易性得到很大改善,有助于混凝土的浇筑均匀和振捣密实,因此既能提高混凝土的均匀性和密实性,也提高了混凝土的抗拉性和抗裂性,而混凝土的水泥用量和拌和水量又可相应减少。采用缓凝剂,一是可以减少用水量,二是可以减少水泥用量,从而达到降低水化热的目的,其加入量为0.01%,保证初凝时间在 2～3h之间,既保证了在浇筑上层混凝土时,下层混凝土不至于初凝,且能延缓混凝土内部混度峰值的出现。

⑤掺加粉煤灰。在配合比中,适量加入一定比例的粉煤灰,取代等量水泥,削减水化热的高温峰值,具体比例应以实际检测值为准,粉煤灰应满足 II级粉煤灰要求,且应对其进行检测,其主要技术指标应符合国家标准。

(2)配合比。

粗细集料占混凝土体积很大部分,本身虽收缩不多,但却可抑制水泥收缩,从而减少混凝土的干缩,有以下经验公式

式中：εso是水泥的干缩;Va是骨料的容积%。

因此,增大骨料粒径尺寸不仅可影响拌和水量(从而影响收缩),在抑制混凝土收缩上十分有效。

含水量对混凝土干缩的影响程度显著大于水泥量和水灰比对其的影响精度,而混凝土的拌水量影响混凝土的坍落度、含砂率、温度以及骨料的颗粒级配、洁净程度等因素,因此,骨料级配及较小的坍落度和较低的拌和温度,是降低混凝土干缩的主要措施。

空心薄壁混凝土配合比应满足设计标号,泵送工艺性、低水化热、缓凝等要求。

2.3 温度控制

空心薄壁高桥墩在浇筑期间,如果正值高温区,每天平均气温都在 30℃左右时,由于混凝土内水化热是在浇筑温度的基础上积聚的,外界气温越高,混凝土浇筑温度也越高,如混凝土浇筑时,外界气温为 16～18℃,而混凝土实际温度为 12℃,则混凝土浇筑时温度会增加至 16℃。浇筑温度的增加,导致新浇筑混凝土的整体温度提高了,另外混凝土的温度越高,水泥的水化反应越快,当混凝土浇筑气温为14℃时,第一个 24h内,水泥产生 7d全部水化热的 43%,浇筑气温为 30℃时,在第一个 24h内,水泥产生 7d全部水化热的 62.5%,混凝土达到最高温度的时间缩短了,不利于降低混凝土的最高温度,因此针对以上混凝土特点,为减少混凝土水化热,建议采用以下措施来降低混凝土的浇筑温度。

(1)调整混凝土浇筑时间,避免中午气温峰值时浇筑混凝土,应采取夜间施工。

(2)降低骨料温度,在集料堆上搭设凉棚,避免太阳直射;同时,喷洒冷水以冷却碎石,使温度从 30～35℃降低到30℃以内。

(3)降低拌和温度,在浇筑空心墩底部混凝土体积较大处时,建议采用加冰屑搅拌,冰的吸热量大约是水泥和集料的 4.5倍,采用冰屑冷却水拌和,可以有效地降低混凝土混合料的浇筑温度。

(4)避免吸取外热,混凝土拌和前,提前用冷水冲洗拌合仓,以降低仓温,混凝土浇筑前,同样用冷水冲淋泵送管道,混凝土浇筑时,在模板外洒水冲淋。