浅谈先张法预应力混凝土板梁顶面裂缝的分析与防治

浅谈先张法预应力混凝土板梁顶面裂缝的分析与防治
杨瑞
井辉
摘要先张法预应力混凝土板梁首件在预制过程中，顶面产生细小裂缝，影响因素：原材料质量，施工工艺、温度等。加强施工过程主要工序的管理，特别是混凝土的早期养护对消除混凝土的表面裂缝尤为关键。
关键词先张法、预应力、混凝土、板梁、裂缝、防治
一、概述
京沪高速(天津段)一期工程五合同段桥梁工程主体结构位于武清辖区内104国道西侧，先张预应力空心板梁共计1630片，其中13米跨径先张板梁270片，均由项目部一号预制梁场生产。预应力空心板是桥梁工程的主要受力结构，因此保证混凝土的预制质量至关重要，下面是13米先张法预应力空心板梁施工的有关参数。
结构类型：跨径13m预应力混凝土先张空心板梁
混凝土设计强度：50Mpa
钢绞线类型：φ15.2/1860Mp
混凝土配合比：水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶外加剂
=1∶1.72∶2.378∶0.37∶0.01
水泥用量：500kg/m3
水泥类型：天津振兴正通牌普通42.5
细骨料：芦龙河沙细度模数：2.44
粗骨料：蓟县碎石最大粒径：25mm
水：机井水
外加剂：天津万通WT-1型减水剂

二、裂缝的产生
13米首件预制的个别空心板梁在混凝土浇筑完成拆模后，在顶面沿拉毛纹路及箍筋横向产生长度50~100mm,宽度为0.08~0.4mm的裂缝，顶面纵向也出现50~150mm，宽度为0.1~0.4mm的裂缝。经滴灌红色墨水标注、凿开混凝土裂缝发现，裂缝深度在0~6 mm之间，初步判定为收缩裂缝或温度裂缝，不影响空心板的受力及使用，但考虑到预应力钢绞线放张后，混凝土顶部抗拉强度降低、张力增大，致使裂缝长度、宽度和深度有增加的可能，因此，分析裂缝产生的原因、提出改进措施是完全必要的。混凝土早期裂缝一旦发生，其渗透性能会发生改变，其暴露于易损伤环境的表面积也随之增大，加速混凝土的老化，会严重降低混凝土的强度；裂缝的产生使混凝土渗水、渗液性增大，易造成其内部受力筋的腐蚀，从而影响混凝土的耐久性，缩短使用寿命。
三、裂缝产生的原因分析
鉴于13米首件板梁生产出现裂缝，技术人员立即对施工中的各个工序、环节进行了分析。
1、原材料影响因素
水泥采用天津振兴正通牌普通42.5R，经检验符合规范要求（检验编号05JH5-3-001），水泥用量：500kg/m3。
高强混凝土由于其水泥用量大(450～600kg/m3)，基本是普通混凝土的1.5～2倍，这样在混凝土固化过程中由于水泥水化而引起的体积收缩即自缩就大于普通混凝土，出现收缩裂缝的机率也大于普通混凝土。同时，在高标号混凝土固化过程中，构件的水化放热量大，增加了混凝土的最高温升，从而使混凝土的温度收缩应力加大。在其他因素（养护、外界气温等）的综合作用下，很有可能导致温度收缩裂缝。
由于高强混凝土中水泥石含量是普通混凝土的1.5倍，在硬化早期由于水分蒸发引起的干缩也将大于普通混凝土。
碎石采用蓟县某料场碎石，级配经试验人员抽检符合规范要求，经水洗设备水洗后石料含泥量符合规范要求。
砂采用芦龙中砂，含泥量符合规范要求，细度模数Mx=2.44，级配符合规范要求。
混凝土生产班和用水采用机井水，经质检站检验符合规范要求，并达到引用水标准。
减水剂为天津万通WT-1型减水剂，检验符合规范要求。
经分析，混凝土中碎石和砂含泥量没有超标，级配符合要求，但水泥用量较大，达到了规范要求的最高限，这是混凝土表面易产生裂缝的重要因素。
2、施工工艺影响因素
（1）、混凝土的拌制。拌和设备采用梁场内自备的75型搅拌机，每盘拌和时间为1min左右，时间较短，从而影响混凝土的均匀性。取当日混凝土浇筑记录，现场实测其坍落度为11mm，判定水灰比超过了设计用量，水灰比过大，混凝土干缩量加大，易产生干缩裂缝。
（2）、混凝土的浇筑。梁场采用插入式振动器振密，振捣过程出现过振现象，致使混凝土表面粗细集料离析，靠近模板及顶部的混凝土表面细集料集中。
（3）、混凝土构件的养护。在施工技术交底中要求现场施工人员在混凝土表面定将后立即覆盖土工布并洒水养生，但在实际操作中往往及时养生不能到位，水化热、砼体水分蒸发造成表面干化收缩较快，容易造成干缩裂缝，尤其气温高于25℃时更容易产生。现场出现裂纹的构件均是当日气温较高时浇筑生产的。
3、混凝土内箍筋的影响因素
钢筋和混凝土膨胀率存在差异，钢材的膨胀率大于混凝土的膨胀率，混凝土表面的拉应力小于钢筋膨胀所产生的应力，因而在混凝土产生大量水化热时，钢筋膨胀形变较大，从而易使混凝土表面产生裂纹。
4、混凝土自身应力形成的裂缝
（1）、收缩裂缝：混凝土固化时，砼内部分水份与水泥颗粒结合，使其总体积减少的现象称为凝缩；另一些水份蒸发，使其体积减小，称为干缩。凝缩和干缩合称为收缩。混凝土的干燥过程是由表面逐步扩展到内部的，在混凝土内呈现含水梯度。因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，致使表面混凝土承受拉力，内部混凝土承受压力。当表层混凝土所产生的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。
（2）、温度裂缝：混凝土受水泥水化放热、阳光照射、夜间降温等因素影响而出现冷热变化时，将发生收缩和膨胀，产生温度应力，温度应力超过混凝土抗拉强度时，即产生裂缝，该裂缝是水化热过大引起的温度裂缝。由于水化热作用，使混凝土内部与外表面温差过大，这时内部混凝土受压应力，表面混凝土受拉应力。由于混凝土抗压强度远大于抗拉强度，表面拉应力可能先达到并超过混凝土抗拉强度，而产生间距大致相等的直线裂缝（称温差裂缝），本先张板梁裂纹形态正是如此。
综上所述，板梁顶面产生的裂纹主要是由于早期养护不到位造成的温度裂缝和收缩裂缝。
四、裂缝的预防措施
1、严把原材料质量关。进场材料必须经严格检验后方能使用，高标号混凝土必须使用高标号水泥，保证水泥用量符合配合比要求，水泥初凝时间要大于45分钟；细骨料使用级配良好的中砂，含泥量小于2%；粗骨料使用质地坚硬、级配良好的碎石，含泥量小于1%，针片状颗粒含量应小于5%，拌合前应对粗骨料进行水洗，以保证含泥量及针片状颗粒含量；严格控制水灰比，保证水的用量控制在标准之内。
2、混凝土拌和：细致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，严格控制混凝土的坍落度，合理掺加减水剂。混凝土拌和时间控制在2min左右，搅拌时间过短，料混合不均匀，时间过长，会破坏材料的结构；保证混凝土的均匀性，严格控制加水量，经常检测混凝土的坍落度，以保证混凝土具有良好的和易性。
3、混凝土的浇筑：混凝土浇筑应选择一天中温度较低的时候进行，采用插入式振捣器振捣时，移动间距不应超过振捣器作用半径的1.5倍，对每一振捣部位必须振动到混凝土停止下沉、不再冒出气泡，表面泛浆且平坦，边振动边徐徐提出振动棒，避免过振造成混凝土离析。
4、混凝土养护：不论是收缩裂缝还是温度裂缝，混凝土的养护最为关键。混凝土浇筑收浆完成后，尽快使用土工布完全覆盖并洒水养护，使混凝土表面始终保持在湿润状态，不允许混凝土在高温下裸露暴晒，避免养护中出现干湿循环。由于水泥在水化过程中产生很大的热量，混凝土浇注完成后必须在侧模外喷水散热，以免混凝土由于温度过高，体积膨胀过大、在冷却后体积收缩过大产生裂缝。混凝土养护时间不得少于7天，对于拆除气囊后的孔道，也必须灌水进行养护。
5、芯模：充气胶囊在使用前应经过检查气密性，不得漏气。在安装气囊时尽量避免绑丝扎破气囊，用可行办法固定气囊严格控制其产生上浮。有些空心板混凝土顶面裂缝就是由于混凝土强度在未达到2.5MPa时，芯模漏气，致使顶面混凝土开裂，因此控制气囊内压、保证内模外形尺寸尤为重要。
五、结论
通过以上改进措施的严格实施，在板梁大规模生产后混凝土表面裂纹基本消失。预应力混凝土空心板是桥梁的承重结构，因此，在预制过程前，一定要制定出得当施工工艺规程，对所有参与施工的人员进行技术交底，使其掌握关键工序的技术要点，严格按照职工组织设计施工，严格按规范要求检测各项指标，发现异常，及时找出问题产生的原因，采取合理的处理措施加以解决，确保成品梁的质量。