桥梁大体积混凝土温度控制与防裂

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  【摘要】大桥的安全建设和后期的检测是非常重要的,由于温室效应和其他的不可抗力,导致现在很多的大桥混凝土出现裂缝,给居民的生活带来严重的安全隐患,那么本文就是根据桥梁的混凝土出现的一系列的问题进行探讨,从温度的控制和混凝土的防裂出发,总结以下几点建议,希望有效控制表面裂缝的出现。
  【关键词】混凝土裂缝,温度控制,裂缝防控
  中图分类号: TV543 文献标识码: A 文章编号:
  前言
  我国建筑行业的技术要求越来越高,大体积混凝土的技术也日臻成熟,但是由于人为的因素和温室效应等自然因素导致混凝土出现裂缝。混凝土的裂缝问题已经成为建筑行业一直在关注和欲要解决的问题,很多专家学者对这些方面进行了研究和探讨,不断的促进温度控制技术和防裂措施的完善。
  二、温控的目的及内容
  1.防止由于混凝土温度的不利分布而产生各种裂缝,包括防止最高温度过高引起温降总量过大,内外温差过大及寒潮袭击(气温骤降)产生的不同情况的各种裂缝。
  2.为了进行接缝(纵、横缝等)灌浆,使坝体满足结构受力要求,采用人工冷却措施,降低坝体温度至预定温度(如稳定温度或年平均气温等)。
  3.为了简化施工程序,提高机械化施工程度和工效、要求尽可能地大块浇筑,这就对温度控制提出了更严格的要求。
   为了达到上述目的,大体积混凝土大桥的温度控制的内容应该包括下述3方面:
  1.降低混凝土内产生的最高温升,即减少混凝土最高温度与将来预定温度(如稳定温度等)间的差值。
  2.使各点温度尽量均匀,不致形成混凝土承受不了的温度梯度。
  3.使坝体按照规定要求达到它的预定温度值(如稳定温度、准稳定温度、年平均温度等),以便进行灌浆处理,也解除了以后再产生较大温度应力的威胁。
  三、混凝土出现裂缝的判断依据
  由于混凝土结构物在温度应力和温度变形的作用下,混凝土结构中会产生温度应力和温度应变。因此,当混凝土结构物内温度应力达到一定数值并超过混凝土的抗拉强度或结构物的温度应变达到一定数值并超过混凝土的最大拉应变时,混凝土结构物中就会产生裂缝。
  如果混凝土块体因温度变化受到约束产生的应力大于混凝土允许抗拉强度将导致发生裂缝,反之当产生的应力明显小于混凝土允许抗拉强度,则会发生裂缝。
  同理,也可以从应变角度来判别,即如果混凝土块体因温度变化受到约束产生的应变大于混凝土极限拉伸值将导致发生裂缝,反之当产生的应变明显小于混凝土极限拉伸值则不发生裂缝。
  四、混凝土裂缝产生的原因
  通常情况下混凝土产生裂缝原因有:外荷载因素引起的裂缝、温度裂缝、干燥收缩及塑性收缩引起的裂缝。
  1.外荷载引起的裂缝
  由外荷载因素引起的裂缝也称结构性裂缝、荷载缝或受力裂缝。其裂缝与荷载有关,表示结构承载力可能不足或存在问题。由外荷载引起的裂缝约占结构总裂缝的20%。
  由外荷载引起的裂缝一般较大,当可见的宏观裂缝发展得较宽较深时,会影响结构的抗渗性从而导致水分及有害物质渗入,诱发钢筋的锈蚀或加速混凝土自然老化,从而损害结构的承载力、使用功能和耐久性。因此必须采取各种有效措施预防宏观裂缝的产生,一旦出现宏观裂缝就必须分析其成因,并采取适当的补救措施。
  2.温度变化产生的裂缝
  温度裂缝产生主要原因是温度变化造成的。在第1小结中叙述的四种温度的变化都会产生温度应力,从而使混凝土产生裂缝其中,较为主要是由水化热引起的内外温差造成裂缝最为严重。
  因为混凝土是温度的不良导体,水化热积聚在混凝土内部不易散发而使混凝土内部温度上升,但混凝土表面温度为室外环境温度,这样就形成了内外温差,这种内外温差在混凝土凝结初期所产生的拉应力超过其抗力强度时,就会导致混凝土在表面形成裂缝,裂缝尖端容易形成应力集中,进一步发展成深层裂缝或贯穿性裂缝。
  此外,在基础或老混凝土部位,新浇混凝土会受基岩或老混凝土约束,在降温阶段,会将产生很大的拉应力,如果超过混凝土的极限抗拉强度,就会产生基础的贯穿裂缝,破坏结构的整体稳定性,影响建筑物的安全。
  度控制要点和温度裂缝产生原因
  五、防裂新技术的出现
  近30年来,随着科学技术的进步与工程实践经验的积累,通过多种途径,采取综合性措施来解决大坝混凝土的抗裂问题。其中氧化镁新材料和MgO水泥混凝土筑坝新技术的出现,打破了人们的传统认识,提出了筑坝新理论和筑坝新技术。据此,既可实现快速施工又大大拓宽和完善了水工混凝土筑坝防裂技术。实践证明,MgO混凝土筑坝技术是大体积混凝土施工的革命,是国内外筑坝技术的重大创新和突破。
  这项筑坝防裂新技术从1990年初开始,已先后在我国大中型水利水电工程中得到成功应用,其中包括常规混凝土和碾压混凝土重力坝(拱坝),碾压混凝土坝周边及上游防渗体、基础垫层垫座、基础深槽、填塘封洞、导流洞封堵、闸坝工程、厂坝连接及导流底孔、压力钢管外围回填等不同工程部位都应用了外掺MgO混凝土筑坝防裂新技术,并且都取得了成功和达到了预期效果。
  六、防止混凝土裂缝的技术措施
  为了防止产生危害性的裂缝,必须采取一系列技术措施包括合理选择混凝土原材料,严格控制施工质量,严格控制混凝土温度,选择合理的分缝分块和结构形式等。 由以上分析,混凝土裂缝主要是由外荷载、温差和混凝土收缩引起的,所以为了控制裂缝的产生,就要减少外荷载的干扰,最大限度的降低温差和减小混凝土的收缩。其中温差的控制在第2点中有所叙述。下面主要从设计和施工方面来叙述具体控制混凝土裂缝的措施:
  1.水泥水化热温度
  (一)选用低热或中热水泥(如矿渣水泥、火山灰质水泥或粉煤灰水泥)配制混凝土。
  (二)使用粗骨料:渗加粉煤灰等渗和料、或渗加减水剂,改善和易性,降低水灰比,控制塌落度,减少水泥用量,降低水化热量。
  (三)利用混凝土后期(90天、180天)强度,降低水泥用量。
  (四)在基础内部预埋冷却水管,通入循环冷却水,降低混凝土水化热温度。
  (五)在厚大无筋或稀筋的厚大混凝土中,掺加20%以下的块石吸热,并节省混凝土。
  2.降低混凝土浇灌入模温度
  (一)避开热天选择较低温季节浇筑混凝土:对现浇量不大的块体,安排在下午3时以后或夜间浇筑。
  (二)夏季采用低温水或冰水拌制混凝土,对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷,或对骨料进行护盖或设置遮阳装置,运输工具加盖防止日晒,降低混凝土拌和物温度。
  (三)掺加缓凝型减水剂。采取薄层浇灌,每层厚20~30cm,减缓浇筑强度,利用浇筑面散热。
  (四)在基础内设通风和加强通风加速热量散发。
  3.提高混凝土极限拉伸强度
  (一)选择良好级配的粗骨料,嚴格控制其含泥量,加强混凝土振捣,提高混凝土的密实度和抗拉强度,减少收缩,保证施工质量。
  (二)采取二次投料法,二次振捣法,浇筑后及时排除表面泌水,以提高混凝土强度。
  4.控制水泥水化热温度
  控制水泥水化热温度可以从以下几个方面着手:选用低热或中热水泥配制混凝土;使用粗骨料(例如加粉煤灰等、或加减水剂)改善和易性,降低水灰比,控制塌落度,减少水泥用量,降低水化热量;利用混凝土后期(90天、180天)强度,降低水泥用量,在基础内部预埋冷却水管,通入循环冷却水,降低混凝土水化热温度;在厚大无筋或稀筋的厚大混凝土中,掺加20%以下的块石吸热,并节省混凝土。
  5.降低混凝土浇灌入模温度
  可以从以下几个方面降低混凝土浇灌入模温度:避开热天选择较低温季节浇筑混凝土,对现浇量小大的块体,安排在下午3点以后或夜间浇筑;夏季采用低温水或冰水拌制混凝土,对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷,或对骨料进行护盖或设置遮阳装置,降低混凝土拌和物温度;掺加缓凝型减水剂,采取薄层浇灌,利用浇筑面散热;在基础内设通风和加强通风加速热量散发;对混凝土用量大的原材料一一粗骨料采取两次预冷,即在进拌和楼前,在料仓内吹冷风进行一次风冷,进拌和楼后,又在贮罐内进行一次风冷,使各级骨料温度得到有效降低,拌和时,加冷制水掺片冰拌和,用以控制混凝土的浇筑温度;在大体积混凝土内散布安装冷却水管,混凝土浇筑后即开始通冷却水,用以控制大体积混凝土最高温度,并使大体积混凝土提前达到稳定温度。
  6.提高混凝土极限拉伸强度
  提高混凝土极限拉伸强度的措施有:选择良好级配的粗骨料,严格控制其含泥量,加强混凝土振捣,提高混凝土的密实度和抗拉强度,减少收缩,保证施工质量;采取二次投料法,二次振捣法,浇筑后及时排除表面泌水,以提高混凝土强度;在基础内设置必要的温度配筋,在基础突然变化、转折部位,底板与墙转折处、孔洞转角及周边部位,增加斜向构造配筋,以改善应力集中;在基础与墙、地坑等接缝部位,适当增大配筋率,设暗梁,以减轻边缘效应,提高抗拉伸强度,控制混凝土裂缝开展;加强混凝土的早期养护,提高早期相应龄期的技术措施
  从设计方控制
  在设计上注意相对较容易开裂的部位。如深浅基,高低、跨出和悬臂根部等。在设计一中应及早预防,精心设计。在构件截面允许、配筋率不变且浇筑方便的情况下,钢筋直径越细、间距越小则对预防大体积混凝土开裂越有效。
  合理的选用热量低放热慢的材料,并结合外加剂的使用是控制裂缝的重要措施。选择级配好粒径大的骨料可有效地减少水泥的用量,降低水化热、降低收缩和泌水从而抑制裂缝的产生。选择低碱或无碱砂石料可减少碱一骨料反应产生的裂缝。
  8.从施工方控制
  浇筑工艺:在搅拌混凝土时每盘混凝土拌合时间应控制在2~3min,在浇筑过程中可采用分层浇注法,分层厚度应控制在30~50cm之间,振捣时以插入式振捣器为主,附着式为辅,采取间歇式振动,每次开启时间为30s,当最上一层浇筑完0.5h后需复振一次,保证密实度、均匀度、防止漏震现象。
   在设计阶段应充分重视结构形式对温度应力和裂缝问题的影响,特别是在寒冷地区,应尽量少用对温度变化很敏感的薄壁结构。在实体重力坝与宽缝重力坝的对比中,应重视宽缝重力坝暴露面积大,比实体重力坝易于出现裂缝这一特点,尽量少用宽缝重力坝,尤其是在寒冷地区。
   浇筑块尺寸对温度应力有重要影响,浇筑块越大,温度应力也越大,越容易产生裂缝,因此,合理的分缝分块对防止裂缝有重要意义。当浇筑块尺寸控制在15mX15m左右时,温度应力已经比较小,基础约束高度也只有3~4m左右。在气候温和地区,裂缝的可能性较小,但在寒冷地区,由于温差过大,这种尺寸的浇筑块仍然难免出现大量裂缝,需要严格的保温措施。
   9.选择混凝土原材料、优化混凝土配合比
   选择混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能力,就是要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小、线性膨胀系数较小、自生体积变形最好是微膨胀,至少是低收缩。
   (一)选择水泥。内部混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两方面的要求,一般采用低热矿渣水泥、中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥掺入一定量的粉煤灰。外部混凝土除了要求抗裂性能外,还要求抗冻融性、耐磨性、抗蚀性、强度较高及干缩较小,因此一般采用较高标号的中热硅酸盐水泥。当环境水具有硫酸盐侵蚀性时,应采用抗硫酸盐水泥。
  (二)掺用混合材料。掺用混合材料的目的在于降低混凝土的绝热温升、提高混凝土抗裂能力。混合材料包括矿渣、粉煤灰、烧粘土等。目前粉煤灰采用较多。
  (三)掺用外加剂。外加剂由减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等多种类型。减水剂是最常用、最重要的外加剂,它具有减水和增塑的作用,在保持混凝土坍落度及强度不变的条件下,可减少用水量,节约水泥、降低绝热温升。引气剂的作用是在混凝土中产生大量微小气泡以提高混凝土的抗冻融性。缓凝剂用于夏季施工,早强剂则用于冬季施工。
  (四)优化混凝土配合比。在保证混凝土强度及流动度条件下,尽量节省水泥,降低混凝土绝热温升。
  七、结束语
  温度的控制对防裂有极大的影响,因此大桥的防裂措施一定要先从温度的方向研究,进一步找到较为有效地方法防止温差过大带来的影响。但是导致混凝土出现裂缝的原因不只是这一个,因此研究员需要全面的了解大桥等建筑物的地理环境和设计方式,从而选择更为合适的方法抑制大桥混凝土裂缝现象的出现。
  参考文獻:
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