客运专线箱梁混凝土早期裂缝控制

箱梁混凝土开裂问题是工程建设中带有一定普遍性的技术问题,裂缝一旦形成,特别是贯穿裂缝出现在重要的结构部位,危害极大。它会降低结构的耐久性,过早锈蚀钢筋,削弱构件的承载力,危害到桥梁的安全使用,因此必须对其加以控制。武广客运专线XJDI标的简支箱梁,跨度为31.5m的箱梁每孔混凝土329m³,24m跨度的箱梁用混凝土约为259m³,混凝土强度等级为C50混凝土施工全部采用泵送工艺。由于环境温差大,混凝土强度等级又高,因此解决混凝土水化热与环境温差、以及养护不到位等因素导致的裂缝问题是混凝土施工的关键。

一、裂缝形成的原因

箱梁混凝土早期开裂的出现通常是原材料选择不当、配比不良、施工工艺质量低劣、养护粗糙等原因引起,从而可能导致抗渗性差、强度不足、结构有薄弱环节或混凝土、钢筋材料易腐蚀和损伤等潜在质量问题。所以，出现裂缝必须寻求原因,采取相应对策。铁路箱梁为后张法预应力混凝土结构,具有大体积、大跨度、高强度等特点 ,而传统的高强度混凝土具有如下特点：水胶比大，水泥浆体含量高，水泥水化快，水化结束得早，水泥石结构不易密实，总空隙率较高，毛细孔较粗。以上特点使高强度混凝土水化温升高，时间早，干收大，很容易导致早期裂纹的形成。而高效聚羧酸减水剂的出现，引入了高性能混凝土的的概念，并且掺入了大量的粉煤灰，磨细矿渣粉等矿物掺合料。虽然降低了水泥浆体的含量，但干缩大，早期强度低(抗拉弱)等一些缺点，早期裂纹仍然会容易出现，但是通过一些施工实例发现，这些裂纹完全可以通过一些技术手段的实施来避免。主要从优化原材料，优化施工工艺和养护工艺三个方面来实现。

二、优选原材料

1.水泥的选用

在施工中选用了品质稳定，强度等级不低于42.5级的低碱普通硅酸盐水泥，其中对水泥中水化放热多，放热快的铝酸三钙组分的含量作出了严格规定。

2.外加剂的选用

减水剂的主要作用是改善混凝土的和易性,降低水灰比,提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量,而水灰比的降低,水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。因此在施工中我们选用了深圳迈地混凝土外加剂有限公司生产的PCA类聚羧酸高效减水剂,在混凝土中加入水泥用量1.2%的高效减水剂,不仅使混凝土的工作性有明显改善,同时减少了20%左右的水泥用量,从而降低了水化热。

3.掺和料的选用

为了减少水泥用量,降低水化热并提高和易性以及混凝土的耐久性,我们采用粉煤灰和磨细矿渣粉来代替部分水泥,掺入粉煤灰主要有以下作用: 第一,减少水泥用量,降低混凝土的热胀; 第二,由于粉煤灰颗粒较细,能够参加二次反应的界面相应增加,在混凝土中分散更加均匀; 第三,使硬化后的混凝土更加致密,相应收缩值也减少。而掺入磨细矿渣粉的的作用也主要是降低早期水化热和抑制碱骨料的反应。1m³混凝土中同时加入水泥用量17%的粉煤灰和水泥用量17%的矿渣。

4.骨料的选用

(1)粗骨料

在满足条件的情况下，尽量扩大粗骨料的粒径,因为粗骨料粒径越大,级配越好,孔隙率越小,总表面积越小,1m3 混凝土中的用水量和水泥用量就越小,水化热就随之降低,对防止裂缝的产生有利。本工程箱梁混凝土为强度等级C50的混凝土,施工中我们选用5 mm～10mm(占粗骨料总量40%)、10 mm～20 mm(占粗骨料总量60%)的两级配机制碎石，并且对其中的含泥量和泥块含量做出了明确的规定。

(2)细骨料

宜采用级配良好的中粗砂,因为其孔隙率小,总表面积小,这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少,水化热就低,裂缝就减少,另一方面,要控制沙子的含泥量,含泥量越大,收缩变形就越大,裂缝就越严重,因此细骨料尽量用干净的中粗砂。

三、优化的施工工艺

1.混凝土的拌制和浇筑

(1)在混凝土拌制过程中,要严格控制原材料计量准确,同时严格控制混凝土出机坍落度和含气量。我们在施工中采用搅拌效率高、均质性好的强制搅拌机搅拌,该设备准确性较高且能自动控制进料和出料并自动控制混合料的拌和时间,能使混凝土出机坍落度控制在180 mm～200 mm、含气量控制在2%～4%之间。要尽量降低混凝土拌和物出机温度和浇筑温度,确保入模温度在5℃～30 ℃之间。在自然气温较高时,我们流芳梁场在施工中采用的是如下措施: 一是盖遮阳棚以避免太阳直射原料，从而控制骨料温度; 二是在使用降温设备制冷以降低水温; 三是对箱梁外模浇水降温,控制好模板温度。

(2)浇筑过程中是一定要禁止加水，要尽量避免离析泌水现象的出现。浇注过程中要保证振捣密实,振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜,避免过振或漏振。干燥和大风天气时，混凝土要及时以塑料薄膜覆盖,尽量使工作面保持最小。浇筑完成后,通过抹面、压光消除早期塑性裂缝。另外,浇筑混凝土要求分层浇注,同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝,提高结构整体性和抗剪性能。

四、优化养护工艺

通过对一些箱梁混凝土早期裂纹的成因的分析，发现混凝土早期裂纹的出现有很大一部分原因是由于成型后养护不到位造成的。为了避免这类情况的发生。我们结合梁场所处的实际情况，在关键的环节针对性的实施了一些措施。

1.混凝土的温度量测监控监控

为查明箱梁混凝土施工阶段早期温差发展规律,以便有效地对原材料温度、拆模条件、养护用水温度等进行指导,对箱梁内部温度的变化进行量测。施工时在箱梁的跨中截面和梁端截面分别设置测温点,埋设测温探头,在混凝土浇筑完后立即用多路数据测温仪进行温度变化测定。测温点布置见图1、图2。

混凝土浇筑完成后即开始测温,以每2 h 测量一次,待混凝土内部温度下降至环境温度后停止测温。温度测量数据绘制的混凝土温度变化曲线见图3
温度时间变化曲线

通过图3的分析可知：

(1)混凝土温度出现峰值的时间大约在浇筑后34 h～38 h,其中腹板芯部最高温度为63 ℃,顶板芯部最高温度为56 ℃。

(2)混凝土浇筑后15 h 内升温较慢,其后升温速率较快,腹板位置平均速率达到1 ℃/h,当外界气温较高时能达到2 ℃/h。

(3)混凝土浇筑3天后,拆模时其内外温差以及表面与环境温差均满足规范要求,最大温差为10℃。腹板芯部最大降温速率可达到5℃/h,混凝土表面降温速率可达到3 ℃/h。这与混凝土的厚度和外界温度高低有关。

(4)经过几片梁的温度记录发现混凝土的最高温度与混凝土入模温度、环境温度有关。

(5)通过数据分析图可以看出,在升温初期和降温后期,混凝土的温度梯度值较小且过渡较平缓,在升温后期和降温初期温度梯度值较大,可以看出在此阶段混凝土容易出现温度裂纹。

(6)混凝土表面测温导线元件头埋置位置距离混凝土表面约5cm,再加上模板的保温影响,因此导致所测混凝土表面与环境温差值在升温后期和降温初期较大。

2.养护措施

由于为了和箱梁混凝土的温度裂缝,主要是由内外温差过大引起的。混凝土浇筑后,由于内部较表面散热慢,会形成内外温差,表面收缩受内部约束产生拉应力,但是这种拉应力通常很小,不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。但是如果此时受到冷空气的袭击,或者过分通风散热,使表面温度降温过大就很容易导致裂缝的产生,所以混凝土在拆模后,特别是低温季节,立即采取表面保护,防止表面降温过大,引起裂缝。

为了提高高性能混凝土的早期强度，进而提高梁场的生产能力。对浇筑完成的箱梁都进行了蒸汽养护。为了预防过早的出现裂纹，蒸汽养护一定要在箱梁浇筑完成后的至少四小时后进行，并且一定要避免蒸汽喷头正向梁体。以上温度的测量都是在蒸汽养护的过程中测量的。在保证湿度的情况下，防止裂纹的出现的关键在于控制箱梁混凝土温度的升降速度以及梁体芯部与外部、箱内与箱外的温差。特别在在芯部温度达到在最高峰的时候。在强度符合要求，养护结束拆模时,在两端一定要设置挡风墙，防止表面收缩过大。并且在拆模后，应按设计要求尽早进行预应力早期张拉,提高梁体的抗裂能力。施工中预应力张拉按照初张拉和终张拉两个阶段进行。当梁体混凝土强度达到设计强度的80%后,即开始初张拉。梁体混凝土强度及弹模达到设计值后,进行终张拉。

结束蒸汽养护后,要继续使箱梁保温保湿,改善早期过大的内外温差和表面收缩,而且使混凝土早期强度快速增长,其抗拉强度也随之增长,可进一步抵抗内外温差和表面干缩引起的部分拉应力,所以在尽量减小箱梁混凝土内部温升的前提下,箱梁混凝土的养护工作很关键。在自然气温较高时,混凝土浇筑完毕后,应及时洒水养护以保持混凝土表面经常湿润,这样既减少外界高温影响,又防止干缩裂缝的发生,促进混凝土强度的稳定增长。施工中,我们一般在浇筑完毕后4 h～8 h 内立即开始养护,蒸汽或洒水的一般养护持续时间不少于14 天。如果温度过低，则要进行覆盖养护或喷洒养护剂养护，养护的时间可适当的延长。

五、总结

通过优选混凝土原材料、优化混凝土配合比、加强箱梁温度监控、改善箱梁施工，养护措施等一系列措施的使用,对箱梁裂缝进行了有效的控制和预防,特别是抓好养护这一关键工序,对预防箱梁早期开裂起到明显作用,为箱梁的施工的顺利进行提供了可靠的保证。

参考文献

[1] 黄军生.钢筋混凝土桥梁裂缝成因综述[J] .世界桥梁,2002( 2) : 59- 63.

[2] 范立础.桥梁工程[M] .北京: 人民交通出版社,1986.

[3] 中国铁路工程总公司.客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[M] .北京: 中国铁道出版社,2006.

[4] 傅强，连续箱梁的成因分析与防治[J]，湖南水利水电出版社，2006，4

[5] 客运专线铁路桥梁工程施工质量验收暂行标准.北京:中国铁道出版社，2005.