周慧文

橋梁在公路工程建設(shè)中占有非常重要的地位。然而在今天,盡管我們在設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)中采取各種措施,但裂縫仍然時有出現(xiàn)。現(xiàn)在公路發(fā)達(dá)的德國、美國、日本等國也在研究這一課題,但由于各個國家的具體情況不一樣,裂縫的原因也是千差萬別,各有不同。在我國,這項工作也在一直的研究和探討中,處于我國中部地區(qū)的山西,以能源為經(jīng)濟支撐點,所以,超限運輸給橋面造成巨大的破壞,這是人為造成的,是可控的;我們從技術(shù)角度探討和分析中發(fā)現(xiàn),橋面混凝土對溫度變化的適應(yīng)能力是其造成網(wǎng)裂的主要原因之一。

在橋面混凝土施工過程中,對溫度變化的適應(yīng)能力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因:首先,由于公路工程在施工中,混凝土從拌和、運輸、澆筑、養(yǎng)生有一個過程,需要一個時間周期,常常出現(xiàn)溫度裂縫,影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次,在運營及養(yǎng)護(hù)過程中,溫度變化對結(jié)構(gòu)的破壞具有不容忽視的影響。根據(jù)固體強度理論,裂縫的擴展是結(jié)構(gòu)物破壞的初始階段,裂縫會引起整體構(gòu)造承載力和強度下降,有些裂縫雖然沒有達(dá)到使結(jié)構(gòu)物受力狀態(tài)改變的危險程度,但裂縫本身提供了進(jìn)入混凝土內(nèi)部的入口,可能引起滲漏、保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕、混凝土碳化等,加上精神作用和美觀方面的原因,習(xí)慣的概念是不允許結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)裂縫的,我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫,因此僅對施工中橋面混凝土裂縫的成因和處理措施進(jìn)行探討。

1 成因

環(huán)境溫濕度的變化、物件兩面的溫濕之差、反復(fù)凍融、表面加熱,是混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。

混凝土具有熱脹冷縮和濕脹干縮的特性。當(dāng)環(huán)境溫度和混凝土溫度有較大差別時,表層的混凝土發(fā)生較大膨脹或收縮,而內(nèi)部的混凝土的膨脹或收縮較小,這種差異將導(dǎo)致表層混凝土的開裂,比如烈日暴曬下的混凝土表層的裂縫。除了劇烈的溫差導(dǎo)致混凝土開裂外,較溫和的溫度周期性變化也會使混凝土出現(xiàn)裂縫。與環(huán)境溫度相比,環(huán)境濕度的作用也不小。由于環(huán)境濕度小于混凝土濕度而引起的混凝土干縮裂縫是非常常見的。這種干縮裂縫產(chǎn)生的原因是混凝土中的水向環(huán)境中散失,從而在混凝土中產(chǎn)生毛細(xì)管張力,當(dāng)這種力的作用超過了混凝土的抗拉強度時混凝土就出現(xiàn)裂縫。這種裂縫一般是表面裂縫,對混凝土的承載力影響不大,但對混凝土的使用性能有較大影響。其次,混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中,由于受到基礎(chǔ)或老混凝土的約束,又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時,即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時干時濕,表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束,也往往導(dǎo)致裂縫。在鋼筋混凝土中,拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān),混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝土的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力,則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度,往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時溫度應(yīng)力可超過其他外荷載所引起的應(yīng)力,因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工極為重要。

2 解析

自 20世紀(jì) 60年代以來,國內(nèi)外多座混凝土橋梁因溫度應(yīng)力造成結(jié)構(gòu)裂損,甚至倒塌。如:德國對 Jagst橋腹板檢查中發(fā)現(xiàn),通車 5年就出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫,經(jīng)估算溫度應(yīng)力高達(dá) 2.6MPa。美國對Champigny箱形梁橋溫度應(yīng)力的變化進(jìn)行觀測時,1 d內(nèi)應(yīng)力變化高達(dá) 20%,如果按梁的頂板底溫差考慮,相當(dāng)于溫差 10℃,由其產(chǎn)生的最大下翼緣拉應(yīng)力達(dá) 3.92 MPa。橋面板表面與下翼之間的溫差可達(dá) 2℃～33℃。根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個階段:1)早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束,一般約 30 d。這個階段的兩個特征:a.水泥放出大量的水化熱;b.混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。2)中期:自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止,這個時期中,溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起,這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加,在此期間混凝土的彈性模量變化不大。3)晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起,這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相疊加。

3 措施

3.1 控制溫度的措施

1)施工中改善骨料級配,減少混凝土中的水泥用量;2)在混凝土中埋設(shè)水管,混凝土表溫過高時通入冷水降溫;3)拌合混凝土?xí)r嚴(yán)格控制水和集料的溫度,以降低混凝土的澆筑溫度;4)拆模時的溫度要合理,氣溫驟升驟降時要進(jìn)行表溫保持,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度;5)運營中長期暴露的混凝土澆筑塊表面,在炎熱的季節(jié)要灑水降溫,在寒冷季節(jié)采取保溫措施。

3.2 改善措施

1)按設(shè)計要求合理地分塊;2)設(shè)計時基礎(chǔ)縱坡不宜過大起伏;3)合理的安排施工流程,做好銜接工作。

此外,還可以通過使用外加劑改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養(yǎng)護(hù),防止表面干縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫是十分重要的,應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫,出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的,因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,我們在工程實踐中多進(jìn)行這方面的實驗對比和研究,比單純的靠改善外部條件,可能會更加簡捷、經(jīng)濟。在混凝土澆筑初期,常出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。由于水化熱的散發(fā),表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力,此時表面溫度亦較氣溫為高,此時拆除模板,表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,有導(dǎo)致裂縫的危險,但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料,如泡沫海綿等,對于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力,具有顯著的效果。

4 養(yǎng)生

冬期采用一層地膜上蓋再生棉再加一層塑料布方法養(yǎng)生。熱期不宜單獨使用專用養(yǎng)護(hù)膜覆蓋法養(yǎng)護(hù)高強度混凝土,灑水濕養(yǎng)護(hù)應(yīng)不間斷,避免形成干濕循環(huán)。混凝土澆筑完,表面應(yīng)立即覆蓋清潔的塑料膜,初凝后撤去塑料膜,用浸濕的粗麻布等儲水材料覆蓋,經(jīng)常灑水,保持潮濕狀態(tài)最少 7 d。干熱大風(fēng)天氣注意澆筑時及時覆蓋灑水,防止出現(xiàn)裂縫。根據(jù)氣溫條件采取控溫措施,并按要求測定澆筑后混凝土表面和內(nèi)部溫度,將內(nèi)外溫差控制在 25℃以內(nèi),可采用鼓風(fēng)機等向箱內(nèi)吹送空氣,使箱內(nèi)混凝土內(nèi)外空氣循環(huán),以降低箱內(nèi)熱量聚集,并適量補充箱內(nèi)水分,澆筑后 24h內(nèi)保持箱內(nèi)存水 1cm左右。

5 結(jié)語

雖然現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論,但對于具體的預(yù)防和改善措施意見還是比較統(tǒng)一,具體施工中要靠我們多觀察、多比較,出現(xiàn)問題后多分析、多總結(jié)。大量工程實踐所提供的經(jīng)驗都說明,裂縫是不可避免的,只有針對性進(jìn)行預(yù)防,控制其可能出現(xiàn)的裂縫不超出可容許程度或無損于混凝土工程質(zhì)量水平,是較為科學(xué)的方法。

[1] 韓國華.混凝土橋梁裂縫的成因分析及處理方法[J].山西建筑,2009,35(2):309-310.