基于公路与桥梁施工中控制温度与裂缝问题的重要性分析

摘要：严格按照国家有关规范、技术标准及时找出混凝土桥梁产生裂缝的原因及采取防治措施，保证结构安全耐用，对提高公路使用效率和保证公路的正常运营至关重要。混凝土在公路和桥梁工程建设中占有重要地位,而由此产生的裂缝问题也较为普遍。究其原因,对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。在大体积混凝土施工中,温度应力及温度控制是关键性的问题,本文主要对公路与桥梁施工中混凝土裂缝的成因和处理对策做出了分析，可供同行参考借鉴。

关键词：混凝土;温度应力;裂缝;控制

前言

本文主要就混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的分析, 虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论, 但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一的, 施工中只要我们多观察、多比较, 出现问题后多分析、多总结, 结合多种预防处理措施, 混凝土的裂缝问题是完全可以避免的。

一、公路与桥梁施工中裂缝产生的原因分析

在混凝土中产生裂缝的原因很多, 主要包括温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性、结构不合理、原材料不合格( 如碱骨料反应) 、模板变形、基础不均匀沉降等。在混凝土硬化期间水泥会放出大量水化热, 内部温度不断上升, 在表面引起拉应力。后期在降温过程中, 由于受到基础或老混凝土的约束, 又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会

在混凝土表面引起很大的拉应力, 当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时, 即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢, 但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化, 如养护不周、时干时湿, 表面干缩形变受到内部混凝土的约束, 也往往导致裂缝的产生。混凝土是一种脆性材料, 抗拉强度是抗压强度的1/10左右, 短期加荷时的极限拉伸变形只有(0.6～1.0) ×104, 长期加荷时的极限位伸变形也只有(1.2～2.0)×104。由于原材料不均匀、水灰比不稳定以及运输和浇筑过程中的离析现象, 在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的, 存在着许多抗拉能力很低、易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中, 拉应力主要是由钢筋承担, 混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位如果结构内出现了拉应力, 则需依靠混凝土自身来承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力,但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度, 往往会在混凝土内部引起相当大的拉应力, 有时温度应力可超过其他外荷载所引起的应力, 因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

二、公路与桥梁施工中温度应力分析

1、温度应力的形成过程，温度应力的形成过程可分为以下三个阶段。

早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束, 一般约为30d。这个阶段有两个特征：一是水泥放出大量的水化热; 二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化, 这一时期在混凝土内形成残余应力。中期：自水泥放热作用基本结束至混凝土冷却到稳定温度时止, 这个时期中, 温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起, 这些应力与早期形成的残余应力相叠加, 在此期间混凝土的弹性模量变化不大。晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是由外界气温变化所引起的, 这些应力与前两种的残余应力相叠加。

2、温度应力形成的原因，温度应力形成的原因可分为以下两类。

自生应力：即边界上没有任何约束或完全静止的结构, 如果内部温度是非线性分布的, 则会由于结构本身互相约束而出现温度应力。例如桥梁墩身, 结构尺寸相对较大, 混凝土冷却时表面温度低, 内部温度高, 在表面出现拉应力, 而在中间则出现压应力。约束应力：即结构的全部或部分边界受到外界的约束, 不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下, 需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰, 计算温度应力时, 必须考虑徐变的影响, 具体计算方法这里不再细述。

三、公路与桥梁施工中温度的控制和防止裂缝的对策分析

防止裂缝, 减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施如下：a)采用改善骨料级配, 用干硬性混凝土, 掺混合料, 加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;b)拌和混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;c)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度, 利用浇筑层面散热;d)在混凝土中埋设水管, 通入冷水降温;e)规定合理的拆模时间, 气温骤降时进行表面保温, 以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;f) 对施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构, 在寒冷季节采取保温措施。改善约束条件的措施是：a)合理地分缝分块;b)避免基础过大起伏;c)合理地安排施工工序, 避免过大的高差和侧面的长期暴露。此外, 改善混凝土的性能,提高抗裂能力, 加强养护, 防止表面干缩, 特别是保证混凝土的质量对防止裂缝也是十分重要的。同时应特别注意避免产生贯穿裂缝, 因出现贯穿裂缝后要恢复其结构的整体性是十分困难的, 故施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。在混凝土施工中, 为了提高模板的周转率, 往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时, 应适当考虑拆模时间, 以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期, 由于水化热的散发, 会在表面引起相当大的拉应力, 此时表面温度亦较气温为高, 此时若拆除模板, 表面温度骤降, 必然引起温度梯度, 从而在表面附加一拉应力, 与水化热应力叠加, 再加上混凝土干缩, 表面的拉应力就会达到很大的数值, 导致裂缝产生。但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料, 如泡沫海棉等, 对于防止混凝土表面产生过大的拉应力, 具有显著的效果。

四、混凝土的早期养护问题分析

混凝土常见的裂缝, 大多数是不同深度的表面裂缝, 其主要是因温度梯度造成的, 寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝, 所以说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。从温度应力观点出发, 保温应达到下述要求：a) 防止混凝土内外温差及混凝土表面梯度, 防止表面裂缝;b)防止混凝土超冷, 应尽量设法使混凝土施工期的最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度; c)防止老混凝土过冷, 以减少新老混凝土间的约束。混凝土的早期养护, 主要目的在于保持适宜的温湿条件, 以达到两个方面的效果, 一方面是使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭, 防止有害的冷缩和干缩; 另一方面是使水泥水化作用顺利进行, 以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温、湿度条件是相互关联的。混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。从理论上分析, 新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而且有余, 但由于蒸发等原因常引起水分损失, 从而推迟或妨碍水泥的水化, 尤其是表面混凝土最容易而且会直接受到这种不利影响,因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期, 在施工中应切实重视起来。

五、结语

在公路桥梁工程中裂缝几乎无所不在。尽管我们在施工中采取各种措施, 小心谨慎, 但裂缝仍然时有出现。在大体积混凝土施工中, 温度应力及温度控制是关键性的问题, 在施工中混凝土常常出现温度裂缝, 影响到结构的整体性和耐久性, 温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。由于遇到的主要是施工中的温度裂缝问题, 因此本文以上对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做出了详细的分析。

参考文献

[1] JTG D40- 2002, 公路水泥混凝土路面设计规范[S]

[2] 雍本. 特种混凝土的设计与施工[M]. 北京：中国建筑工业版社, 1993.