桥梁工程中大体积混凝土裂缝的原因与控制

-1-武广客运专线承台大体积混凝土施工技术[摘要]：通过选用合理的混凝土原材料，严格控制现场混凝土配合比，不仅保证了客运专线桥梁承台的强度满足设计要求，也实现了大体积混凝土的防裂目标。[关键词]：承台大体积混凝土施工技术1工程概况武广客运专线桥梁承台结构尺寸为5.6×10.2×2.0m、12.5×9.2×3.5m等九种结构型式，混凝土设计强度为C30，均采取一次性浇筑，数量在114.24m3～402.5m3之间，均属于大体积混凝土施工。承台大体积混凝土由于结构厚，体积大和施工复杂等特点，除了满足强度、耐久性等要求外，还必须控制大体积混凝土裂缝的开展。大体积混凝土由于结构尺寸大，水泥水化热引起混凝土温度升高，热量不易及时散发，从而形成较大的内外温差，较大的温差将形成较大的温度应力，从而引起混凝土表面裂纹。目前，随着高性能混凝土在铁路客运专线桥梁施工中的全面应用，对桥梁大体积混凝土的施工技术和质量控制，也逐步引起大家的重视。本文对武广客运专线承台大体积混凝土的施工技术进行分析、探讨。2承台混凝土配合比设计2.1大体积混凝土的特点2.1.1大体积混凝土裂缝是指大体积混凝土水泥水化热所产生的温度、收缩变形导致的裂缝，在现浇混凝土结构中必须予以控制这种裂缝。-2-2.1.2采用一次整体浇注混凝土的方法和“综合温控”施工技术，有利于提高结构的整体性、抗渗性、同时提高了结构的抗震能力。2.1.3大体积混凝土的施工工艺，减少了施工工序之间的交叉，取消了各种施工缝的处理工作，从而简化了施工程序，加快了施工进度。2.2承台配合比设计原则桥梁承台大体积混凝土配合比的设计原则：(1)在保证工程建设所规定强度、耐久性等要求和满足施工工艺要求的前提下，合理选择使用的材料，尽量减少水泥用量，降低混凝土绝热温升；(2)掺入掺和料时混凝土的水胶比应低于无掺和料的水胶比，胶凝材料总量应稍大于设计相同强度等级传统混凝土的水泥用量，以保证良好的施工性，提高混凝土的耐久性。2.3承台砼配合比的设计难点和解决的技术措施2.3.1控制混凝土水化热温升大体积混凝土应尽量降低混凝土的绝热温升，降低绝热温升的有效办法是掺加适量粉煤灰取代部分水泥。粉煤灰因含有大量的活性Si02和A1203，有“固体减水剂”的美称，其掺入混凝土中具有增强效应、增塑效应、填充效应和削减温峰的作用，是配制大体积混凝土不可缺少的材料。加入适当的粉煤灰可以改善混凝土的和易性，增加胶凝物质，降低混凝土的水胶比，使混凝土的早期水化热明显降低。粉煤灰可以和水泥水化放出的Ca(OH)2反应，降低水化热。因此，以粉煤灰置换部分水泥后，水化热放出的速度减缓了。水化热降低的比例，一般是粉煤灰的置换率的1／2左右。因此，通过添加粉煤灰可以抑制混凝土的温升，掺加缓凝剂可以延缓混凝土浇注时温度峰值，从而降低混凝土开裂的风险。-3-2.3.2控制混凝土泌水因水泥用量低，大体积混凝土施工中容易产生泌水现象。通过降低混凝土的水胶比，尽量减少混凝土拌合物的自由水，是降低泌水的有效办法。在混凝土拌合物中掺加增稠剂以改善混凝土粘度，也可以大大改善混凝土的泌水情况。在承台配合比设计时，拟采用以上技术措施解决混凝土泌水问题。2.3.3控制混凝土的收缩为了降低混凝土泌水而采用了低水胶比的技术措施，这同时也导致了混凝土的收缩加大，因碎石的强度、密度、吸水率和外加剂种类对混凝土干缩影响也很大。承台配合比设计时降低混凝土收缩的途径有：①降低砂率，②选用强度高、密度大、吸水率小的碎石，③选用收缩较小的聚羧酸系外加剂。2.4原材料优选2.4.1水泥：宜采用品质稳定、强度等级符合要求的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥（掺合料仅为粉煤灰或磨细矿碴）。品质应符合GB175-1999规定：水泥的比表面积不宜超过350m2/kg，碱含量不应超过0.60%，游离氧化钙含量不应超过1.5%，水泥熟料中C3A的含量不宜超过8%(强腐蚀环境下不应大于5%)，C4AF含量小于7%、C3S、C2S含量宜在40%～45%之间的水泥。2.4.2粉煤灰：宜选用烧失量较低的粉煤灰；2.4.3砂：宜选用无潜在碱活性，坚固性试验的失重率小于5％的中粗砂。-4-2.4.4碎石：宜选用质地均匀坚固，颗粒形状和级配良好，吸水率低，空隙率小，无潜在碱活性的碎石。2.4.5水：宜选用自来水。采用赤壁市自来水，满足《混凝土拌合用水标准JGJ63—89》的要求。2.4.6外加剂：在混凝土中掺加高效减水剂，可以改变水泥浆体的流变性能，改变水泥及混凝土结构，起到改善混凝土性能的作用。宜选用聚羧酸系列混凝土外加剂，聚羧酸外加剂减水率高、掺量低、与低碱水泥适应性好，能够大大改善混凝土拌合物的经时损失，延缓混凝土温升峰值出现的时间，减小混凝土的收缩。2.5配合比设计经过大量的试验，最终确定以下配合比。混凝土配合比试验结果表1材料用量(kg/m3)坍落度(mm)凝结时间(h)抗压强度(MPa)水胶比水泥粉煤灰砂碎石水减水剂初凝终凝1d3d28d56d0.428810271011551563.11215014.1618.57.423.346.750.13混凝土现场施工3.1混凝土生产混凝土的生产拌和站配备l套HZS90型混凝土拌和设备，6台混凝土输送车。3.2承台混凝土浇筑工艺承台混凝土浇筑采用拖泵送或布料机布料。混凝土分层浇筑、分层振捣，每层浇注厚度控制在30cm左右，沿横桥向进行，斜向分层厚度30～40cm，-5-采用ZD75型振捣棒，间距50cm，施工时安排2根振捣棒振捣，保证混凝土的密实性。通过现场技术值班人员现场精心控制，在承台混凝土浇注过程中，混凝土拌合物质量稳定，所拌制的混凝土和易性良好，流动性好，无泌水现象发生，混凝土凝结时间正常。4承台混凝土温度测量和控制技术混凝土的生产、运输、浇筑和温度及表面养护，是保护大体积混凝土温度裂缝的关键环节。而控制手段主要是控制混凝土的内外温差△T：△T＝Tp＋Tr－Tf式中：Tp—起始浇筑温度；Tr—水泥水化温升；Tf—天然或人工冷却后浇筑块的稳定温度。4.1大体积混凝土内部最高温度计算在大体积砼施工前先进行混凝土绝对升温计算，以便预先采取相应措施降低温度，改变约束条件，防止砼裂缝，确保大体积砼的施工质量。混凝土内部的最高温度Tmax按下式计算：Tmax＝T0+(WQ)/(Cr)ξ+(F)/(5O)式中：T0——混凝土的浇筑入模温度(℃)，T0=20℃W——每m3混凝土中水泥的用量(kg/m3)，W=288kg/m3F——每m3混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)，F=102kg/m3Q——每kg水泥水化热(J/kg)，Q=400J/kgC——混凝土的比热，C=0.98r——混凝土的密度，r=2414kg/m3-6-ξ——不同厚度的浇筑块散热系数(见表2)4.2大体积混凝土的测温技术4.2.1测温点布置根据承台的尺寸，在承台竖直方向：在距砼上下表面10厘米以及砼中间部位布置三个测温点。水平方向：分别在距边缘1米和中间部位布置三个点。测温线布置：用钢筋将测温线固定好，传感器距离钢筋端部10厘米，不得与钢筋接触，将钢筋另一端与上层钢筋固定好以后，将引出线收成一束，穿入管中，固定在横向钢筋下引出，以免浇筑时受到损伤。测温点传感线缆在混凝土浇筑前须准确定位，以防止在混凝土浇筑的过程中移位而造成测量数据失真。4.2.2测温工具根据实际情况选择便携式建筑电子测温仪。4.2.3测温频率在混凝土浇筑完毕后的升温和峰值持续阶段，既开始的3～4天，每隔2小时测温1次；待测温趋于平稳后的降温阶段，每4小时测温1次。在测量混凝土内部温度的同时，测量外界的环境温度。根据测点编号顺序，记录所测温度数据，当测位的混凝土内外温差不大于200C并趋于稳定时为止。4.3承台混凝土温度控制措施4.3.1冷却水管的埋设-7-通过综合比较散热效率和经济效益，冷却水管采用27mmX2mm的薄壁铁管，水管接头采用丝扣套筒连接。在混凝土施工前，水管系统均经过通水试压，仔细检查每一个接头，确保管路不漏水。在混凝土浇筑和钢筋绑扎过程中，不得损坏管路，确保供水的连续性。冷却水管管路采用回旋形布置，水平管间距为150厘米，距离四周边缘为50厘米；对于承台高度为2米时，在承台布置二层冷却水管（具体见下图）。4.3.2通水控制温度根据混凝土浇筑过程中的测温情况，适时向管内通水，通过水循环，带走承台混凝土内部的部分热量，使混凝土内部的温度降低到要求的限度。控制冷却水进、出水的温差不大于50C。根据测温数据相应调整水循-8-环的速度，以充分利用混凝土的自身温度，即中部温度高、四周温度低的特点，在循环过程中自动调节温差。冷却水管安装时，要用钢筋骨架和支撑桁架固定牢靠。在承台边设置循环水蓄水池，用来把循环出的热水浇筑到砼表面来减少砼内外的温差。4.4承台混凝土测温统计同样以下余角海特大桥2#桥墩承台测温统计资料图表为例，各测点的温度图表如下；（表面温度、中心温度、环境温度）1号点温度情况表010203040506070123456789101112131415161718192021222324252627282930时间温度系列12号点温度情况表010203040506070123456789101112131415161718192021222324252627282930时间温度系列13号点温度情况表0102030405060123456789101112131415161718192021222324252627282930时间温度系列1-9-通过温度测量监控，承台混凝土内部最高温度为59℃，与承台混凝土表面温差小于20℃。达到了预期的目的，该承台施工方法是可行的。4.5承台外观质量、裂纹检查情况浇注完成的混凝土成品，颜色均匀，无蜂窝、麻面等质量通病出现。现场制取混凝土抗压试件强度合格。经现场仔细检查确认承台混凝土无有害裂纹产生。5混凝土的保温养护混凝土浇筑完毕后转入养护阶段。防止混凝土开裂的一个重要原则是4号点温度情况表0102030405060123456789101112131415161718192021222324252627282930时间温度系列15号点温度情况表0102030405060123456789101112131415161718192021222324252627282930时间温度系列1`-10-尽可能使新浇筑混凝土少失水分及内外温差控制在允许范围内（不大于20℃）。混凝土边缘部分散热快、温度峰值低，而中心部位散热慢、温度峰值高，同时在混凝土表面干燥或水分蒸发过快时，都会引起表面混凝土开裂，且裂缝会向内发展。因而，在采取混凝土内部降温措施的同时，在承台混凝土裸露面须采取适当的保温、保湿措施。在承台混凝土终凝后，须对承台表面进行蓄水养护，采用直接在基坑内蓄水的方法，蓄水深度为10～50cm。白天环境温度较高，为加快混凝土内部热量的散发，需减少蓄水深度；晚上环境气温较低，为保证混凝土内外温差不至过大，需加大蓄水深度。6施工质量通病防治措施6.1避免砼圬工表面出现蜂窝、麻面的措施6.1.1砼搅拌时严格控制配合比，经常检查，保证材料计量准确。6.1.2捣实砼拌合物时，插入式振捣器移动间距不应大于其作用半径的1.5倍，振捣器至模板的距离应不大于振捣器有效作用半径的1/2。为保证上下层砼结合良好，振捣棒应插入下层砼5厘米。6.1.3砼浇注时严格掌握好每点的振捣时间，合适的振捣时间由下列现象来判断：砼不再显著下沉，不再出现气泡，砼表面出现水平状态，并将模板边角填满充实。6.1.4砼灌注过程中注意经常检查模板、支架、堵缝等情况。6.2避免出现砼圬工缺棱掉角的措施6.2.1模板必须涂刷脱模剂,以利于拆模，砼浇注后应认真养护。6.2.2拆除砼圬工结构侧面非承重模板时，要确保砼强度已达到施工-11-规范规定的标准。6.2.3拆模时文明施工，不能用力过猛过急，注意保护棱角。6.2.4加强成品保护，对于处在人多、运料等通道处的砼阳角，拆模后用角钢等将阳角保护好，以免碰伤。6.3避免桥涵砼圬工出现塑性裂