基于复合养护技术的预应力连续箱梁早期腹板裂缝防治研究

裴 军

（中铁十九局集团第一工程有限公司， 辽宁 辽阳 111000）

1 引言

随着经济的发展， 交通基础设施的建设不断增多， 其中， 预应力混凝土连续箱梁因抗弯和抗扭等性能较好而得到广泛应用。 但随着预应力混凝土连续箱梁数量的不断增加， 其问题也逐渐暴露。 从现有调查可知， 多数预应力混凝土连续箱梁在施工时就有较多裂缝出现， 尤其是箱梁外腹板。［1］预应力混凝土连续箱梁普遍存在早期非结构裂缝的原因在于： 一是预应力混凝土连续箱梁多采用悬臂浇筑法， 因此在工作空间的限制下， 使其在施工时难以养护到箱外腹板等位置；二是预应力混凝土连续箱梁多采用与普通混凝土早期性能不同的高等级混凝土， 但施工方法并未随之改进。 从现有文献看［2］， 在预应力混凝土连续箱梁的裂缝组成中， 荷载作用下引起的仅占20%左右， 称之为 “结构性裂缝”， 非荷载作用下引起的占有80%， 称之为 “非结构性裂缝”。

因此， 从预应力混凝土连续箱梁施工的角度探讨混凝土非结构性裂缝的产生原因， 对预防产生裂缝和提高结构耐久性有重要意义。

2 预应力连续箱梁腹板早期裂缝成因

2.1 温度应力

在预应力混凝土连续箱梁中， 0#块等结构多为大体积混凝土， 在硬化时容易出现水化热效应， 导致局部出现较大的内外温差， 而在该位置混凝土受到一定约束时就会出现温度应力， 严重可能使得结构混凝土出现开裂， 对结构整体性和耐久性较为不利。［3］在混凝土箱梁中， 温度裂缝是常见裂缝类型。 在背景连续箱梁施工时， 使用的是C55 混凝土， 施工时共消耗水泥487 （Kg/m3），而1m3混凝土会释放出23500Kj 热量， 即浇筑完腹板内部混凝土后的3 至5 天后就会出现温升峰值。 从现场测试结果看， 该箱梁腹板内部在浇筑完混凝土的第三天就出现高达70℃的实测温度，室内外温差在45℃以上， 是温度裂缝产生的直接原因。

2.2 混凝土收缩变形

混凝土箱梁的主要开裂原因在于混凝土表面失水效率大于泌水效率， 即近表面混凝土虽然已经稠硬， 但在其强度无法抵抗收缩所产生的应力时， 就会有收缩裂缝出现。［4］混凝土的收缩变形所导致的裂缝表现出长短不一、相互错开和不规则的情况， 轻微的裂缝病害会对混凝土的美观造成影响， 而较重的裂缝病害下， 若没有及时采取防护措施将会导致钢筋外露， 进而出现腐蚀等现象影响到桥梁的耐久性。 因背景桥梁所用混凝土等级较高， 在配置配合比时坍落度质量控制不当， 加之未能及时做好0-5# 块的覆盖养生， 导致混凝土暴露在未饱和空气中而引起水分散失，进而引起混凝土出现急速收缩变形而产生开裂。

2.3 混凝土浇筑质量

混凝土浇筑施工容易因振捣环境、浇筑方式等因素的影响而导致质量不佳， 在混凝土较大收缩变形的影响下， 就会使其在初凝时出现开裂。此外， 浇筑后混凝土的养护施工若不及时， 也会引起过快的游离水散失而引起早期收缩裂缝。

3 预应力连续箱梁腹板早期裂缝控制

为尽可能避免预应力混凝土连续箱梁产生早期裂缝， 需对其施工质量加以控制。 从现有研究看，［5］具体可从收缩变形和早期养护等方面加以控制。

3.1 混凝土配合比控制措施

混凝土配合比对混凝土裂缝有较大影响。 为提高混凝土的抗裂性能， 需对混凝土配合比加以优化。 预应力混凝土连续箱梁的配合比设计应综合考虑所用混凝土的强度等级及性能要求等。 在确保原材料品质的前提下， 将混凝土配合比设计分成四个阶段：

第一阶段是明确所用外加剂的种类， 具体可通过砂浆试验验证所选外加剂和胶凝材料的相容性。

第二阶段目的在于研究混凝土性能和骨料级配间的联系， 具体可通过调整砂率和粗骨料相对比例的方式进而得到砂率和粗骨料最为合理的相对比例。［6］在背景项目中， 结合混凝土拌合物与混凝土强度的试验结果进行考虑， 选择以1∶3-3∶7 作为5mm-16mm 和10mm-20mm 碎石的比例， 此外， 建议以39%-41%作为混凝土砂率的控制区间。

第三阶段主要探讨混凝土性能和胶凝材料用量与组分的联系， 从试验结果看， 以495kg/m2作为胶凝材料总量较为合适。

第四阶段主要探讨混凝土性能和纤维的联系。 虽然适量掺入聚丙烯纤维可改善水泥混凝土早期抗裂性能， 但也会使混凝土拌合物的工作性能有所降低， 因此， 探讨纤维分散性和混凝土性能的联系有其必要性。 从试验结果看， 混凝土裂纹的出现时间因纤维的加入而有所延迟， 因此可以看出， 纤维的加入可以降低混凝土的开裂风险。

通过探讨混凝土性能和骨料级配、胶凝材料、纤维的联系， 综合经济性等的考量， 在确保设计满足要求的基础上， 所得到C55 箱梁混凝土配 合 比 为： 380kg/m3水 泥、50kg/m3粉 煤 灰、70kg/m3矿粉、800kg/m3细骨料、1000kg/m3粗骨料、150kg/m3水、10kg/m3外加剂。

3.2 复合养护方法

因预应力混凝土连续箱梁施工时多采用悬臂浇筑法， 因此， 受限于工作面， 难以进行箱梁外腹板和底板底面的养护。 综合各项影响因素的考虑， 提出“模贴+人工养护+自动喷雾” 的复合养护方法。

模贴指将混凝土模贴粘贴到箱梁底板底模上， 以确保移出挂篮前可以及时持续的保湿养护底板底面混凝土。 人工养护指及时以二次抹面和湿覆盖的方式养护箱梁顶底板顶面和底面以外的混凝土表面， 并在松开箱梁外侧和内侧模板后及时以人工喷水的方式养护所有混凝土。 自动喷雾指以喷雾保湿进行湿润养护。 具体养护流程如下图1 所示。

图1 复合养护流程示意图

（1） 箱梁底板模贴

混凝土模贴的透气保水性能较好， 当混凝土表面有较多水分时， 模贴可吸收并暂存混凝土表面多余水分； 当混凝土表面水较少时， 模贴可保持混凝土表面的湿润， 从而实现内部湿度的调节， 有效提高混凝土耐久性。 其施工流程为： 清理并打磨干净钢模板表面， 通过砂布清理干净模板表面污渍和灰尘； 再按模板尺寸裁剪模贴， 需注意的是， 为便于搭接， 模贴应比实际尺寸大5cm； 在清理完底板模板后， 需通过专用胶粘贴模贴， 并使用工具刀切断中间多余部分， 以进行无缝连接； 在模贴拼接完并检验确认后即可浇筑混凝土， 在龄期满足要求后即可拆除粘模贴的模板。

（2） 人工养护

箱梁顶板顶面和箱梁内部底板顶面的养护。在浇筑完第一阶段的混凝土后， 即可通过人工抹面和拉毛的方式对顶面进行处理， 拉毛时应确保深度符合要求。 待混凝土水分外泌时， 需通过人工的方式再次进行箱梁顶板顶面和箱内底板顶面的抹面施工， 抹面区见下图2。 一般情况下， 二次抹面应在混凝土终凝前的2h 左右。 在结束二次抹面后， 应立即以人工拉毛的方式对顶板顶面进行横向拉毛处理。 在完成拉毛后， 需使用湿麻袋覆盖箱梁顶板顶面以进行养护， 在覆盖完后应定期洒水， 以确保麻袋持续保持饱和湿润状态直到施工完整个节段的箱梁。

图2 人工喷水区示意图

（3） 自动喷雾养护

自动喷雾养护可持续进行24h 的工作， 很大程度减少了人工的劳动程度， 且仅需较少的用水量即可取得较好的养护效果。

其施工工艺为： 在确保自动喷雾系统各项设备到位， 将其固定和安装到挂篮底篮和侧模滑移纵梁， 并安装其他输水管道和附属设施， 最后再将潜水泵安放到0# 块的水箱上， 在控制柜接入电源电气设备。 施工前， 应检查并调试喷雾系统里的各个设备， 确保各设备处于正常状态。 喷雾养护系统在前移挂篮到下一阶段后也会随之前进到位， 但前一阶段会裸露在空气中， 因此应及时且定期开展人工晒水养护， 直到完成本节段的施工。 喷雾系统的布置如下图3 所示。

图3 喷雾养护布置示意图

4 结语

以悬臂浇筑法进行施工的预应力混凝土连续箱梁受限于工作面往往难以养护到箱梁外腹板，且因所用高性能混凝土与普通混凝土相比有不同的早期性能， 使得预应力混凝土连续箱梁在施工时容易出现较多早期裂缝， 对结构耐久性造成一定影响， 基于此， 本文从预应力混凝土连续箱梁早期裂缝成因和控制措施入手进行研究。 基于混凝土早期性能， 探讨了混凝土性能和骨料级配、胶凝材料用量、纤维的联系， 结合经济性等角度对C55 混凝土配合比进行优化， 并提出复合养护的工作方法， 以期对混凝土腹板早期裂缝加以控制。