先张法预应力空心板梁蒸汽养护的裂缝控制

2011-04-14胡德

山西建筑 2011年18期

胡德

1 工程概况

略阳县西汉水大桥位于距略阳县城约 30 km的西汉水和嘉陵江交汇处，是县城通往马蹄湾镇、白水江镇沿江公路的一座重要桥梁。该桥于 2002年 10月开工，2003年 5月竣工。桥梁全长253m，下部结构为钻孔灌注桩基础，双柱式墩台;上部结构采用12m×20m先张法预应力空心板梁。设计荷载:汽—20级;挂车—100级。梁体混凝土强度等级为 C40，设计张拉控制应力σk=0.75Rbγ=1 395MPa，单根钢绞线张拉力为137.7 kN，最大超张拉力 146.8 kN。该桥中板截面尺寸如图 1所示。秦巴山区由于山高路陡，交通极其不便，为了施工和吊装的方便，在桥梁设计过程中经常会选用这种结构形式。

由于西汉水上游葫芦头电站间断性放水，河水水位随时变化，工期受到很大限制，加之施工时值冬期，为加快进度，在空心板预制时采用了蒸汽养护。

2 蒸汽养护的原理和步骤

2.1 蒸汽养护原理

蒸汽养护是缩短混凝土构件养护时间、提高混凝土质量的有效途径之一。桥梁施工由于受季节的限制，蒸汽养护方法经济实用、简便易行，所以在冬期施工中被广泛采用。蒸汽养护一般宜用 65℃左右的温度蒸养，混凝土在较高湿度和温度条件下，可快速达到要求的强度。由于施工现场的条件限制，现浇预制构件一般可采用临时性地面或地下的养护坑或养护棚，覆盖养护罩或用简易的帆布、油布覆盖，覆盖时应紧贴四周，用砂袋或其他重物压紧盖严，防止被风吹开，影响养护效果。塑料薄膜采用搭接时，其搭接长度应大于 30 cm。根据试验，常温下只盖一层塑料薄膜，养护最高温度达 65℃，混凝土构件在 1.5 d～3 d内达到设计强度的70%，缩短养护周期40%以上。

2.2 蒸汽养护分四个阶段

1)静停阶段:指混凝土浇筑完毕至升温前在自然温度下先放置一段时间。这主要是为了增强混凝土对升温阶段结构破坏作用的抵抗能力，一般需2h～6h。2)升温阶段:指混凝土原始温度上升到恒温阶段。温度急速上升，会使混凝土表面因体积膨胀太快而产生裂缝。因而必须控制升温速度，一般不超过 10℃/h。3)恒温阶段:是混凝土强度增长最快的阶段。恒温的温度应随水泥品种不同而异，普通水泥的养护温度不得超过 80℃，矿渣水泥、火山灰水泥可提高到 85℃～90℃。恒温加热阶段应保持90%～100%的相对湿度。4)降温阶段:在降温阶段内，混凝土已经硬化，如降温过快，混凝土会产生表面裂缝，因此降温速度应加以控制。一般情况下，构件厚度在10 cm左右时，降温速度每小时不大于 20℃～30℃。

3 蒸养过程中梁板混凝土出现的问题

梁板于 2003年 1月初开始大量预制，日平均气温在-5℃～5℃。由于秦巴山区昼夜温差大，为了保证梁板质量，降低成本、提高张拉台的利用率，我们采取了锅炉蒸汽养护的施工措施。在梁板混凝土浇筑完成后，随即用加厚的帆布棚把梁板进行覆盖，3h后开始用锅炉加热送蒸汽。其步骤是:构件成型后 6 h，开始送汽升温，经过5 h～6 h升温到60℃，再恒温48 h左右，停止供气，自然降温，降温速度为10℃/h～15℃/h，达常温后，揭开覆盖膜，通过对试件做抗压试验，其强度达到设计强度，然后拆除模板，对钢绞线进行放张。起初几片板梁，从揭开膜到冷却完成，发现部分板梁出现了数条裂缝。裂缝间距 5m～6m不等。用高倍放大镜观察，裂缝宽0.1mm～0.2mm。用酚酞试剂滴淀，裂缝的长度在板顶面为全宽，在肋板从上向下为 50 cm左右。沿着裂缝的走向人工凿开，其深度达1 cm～3 cm。

4 原因分析

1)梁体本身的上下部收缩不一致。经过蒸养之后梁体内温度升高，而掀开膜后梁上部顶板的混凝土厚度较薄，与外界气温交换速度快从而迅速收缩，而梁的下部底板较厚与外界气温交换速度慢，冷却较慢，上部收缩较大而下部收缩较小，自然会产生上挠现象。但由于下部钢绞线的束缚，限制了这种上挠现象的产生，再加上板梁顶部布筋过少，不能约束这种变形拉力，因此产生裂缝。经多次观察，确定裂缝不在掀开膜的当时发生，而一般发生在掀开膜后的冷却过程中，证实了裂缝是由于梁体温度上下变化不一致引起的。2)降温的速度过快。空心板梁属薄壁构件，其顶板混凝土厚7 cm，肋板最薄处为8.5 cm，表面系数为11.91m2/m3。按JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范14.2.4-1表中规定，混凝土构件表面系数不小于 6时，混凝土降温速度不得超过 5℃/h。实际施工时，降温速度为 10℃/h～15℃/h，这种快速降温使混凝土收缩不一致也是形成裂缝的因素。3)混凝土构件自身水化热在空心梁体产生温差不一致，由于空心梁底面与地胎膜接触，在养生过程中热损失快，温度相对其他部位较低，底面混凝土强度增长慢于顶面强度，从而产生内应力，收缩比不一致，加之钢绞线的拉力，促使裂缝形成。

5 减小裂缝的控制措施

1)适当增加抗裂钢筋。在顶板及侧面适当增加纵向非预应力钢筋，并加密箍筋，来提高这部分混凝土的抗拉能力，防止裂缝出现。现场施工时我们对梁顶面增加 2根 φ12钢筋，两侧各加4根φ8的钢筋，同时增加 12根 φ8的箍筋。2)严格控制升降温的速度。升温速度不大于 10℃/h，恒温不超过 60℃，降温速度不超过 5℃/h。以避免升温过程中的膨胀裂缝及降温过程中的收缩裂缝。3)提前施加预应力。蒸养过程应连续均匀，中途不得停气，确保其强度一次到位。冷却到 5℃～10℃时，立即拆模并松束。尽早解除预应力台座对钢绞线的约束，不给梁体产生裂缝的时间。4)缩小空心梁局部温差，应设置控制温度的自动装置及用电安全保险装置，若控温装置为手工操作，应设专人值班测温，随时调节养护温度。蒸养过程中将送气的镀锌钢管敷设在梁的底面，达到热气的均匀对流，镀锌钢管表面钻孔也作了改进，距锅炉近端孔径小于远端，调节气量来缩小温差。5)蒸汽养护混凝土宜优先选用矿渣水泥，水灰比不宜大于 0.6，混凝土拌制过程中尽量降低含水率，避免混凝土在凝固中自身产生的变形，缩小混凝土构件凝固过程中形成的裂缝。