浅谈桥面系混凝土网裂的控制

周慧文

桥梁在公路工程建设中占有非常重要的地位。然而在今天,尽管我们在设计、施工、养护中采取各种措施,但裂缝仍然时有出现。现在公路发达的德国、美国、日本等国也在研究这一课题,但由于各个国家的具体情况不一样,裂缝的原因也是千差万别,各有不同。在我国,这项工作也在一直的研究和探讨中,处于我国中部地区的山西,以能源为经济支撑点,所以,超限运输给桥面造成巨大的破坏,这是人为造成的,是可控的;我们从技术角度探讨和分析中发现,桥面混凝土对温度变化的适应能力是其造成网裂的主要原因之一。

在桥面混凝土施工过程中,对温度变化的适应能力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因:首先,由于公路工程在施工中,混凝土从拌和、运输、浇筑、养生有一个过程,需要一个时间周期,常常出现温度裂缝,影响到结构的整体性和耐久性。其次,在运营及养护过程中,温度变化对结构的破坏具有不容忽视的影响。根据固体强度理论,裂缝的扩展是结构物破坏的初始阶段,裂缝会引起整体构造承载力和强度下降,有些裂缝虽然没有达到使结构物受力状态改变的危险程度,但裂缝本身提供了进入混凝土内部的入口,可能引起渗漏、保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化等,加上精神作用和美观方面的原因,习惯的概念是不允许结构物出现裂缝的,我们遇到的主要是施工中的温度裂缝,因此仅对施工中桥面混凝土裂缝的成因和处理措施进行探讨。

1 成因

环境温湿度的变化、物件两面的温湿之差、反复冻融、表面加热,是混凝土产生裂缝的主要原因之一。

混凝土具有热胀冷缩和湿胀干缩的特性。当环境温度和混凝土温度有较大差别时,表层的混凝土发生较大膨胀或收缩,而内部的混凝土的膨胀或收缩较小,这种差异将导致表层混凝土的开裂,比如烈日暴晒下的混凝土表层的裂缝。除了剧烈的温差导致混凝土开裂外,较温和的温度周期性变化也会使混凝土出现裂缝。与环境温度相比,环境湿度的作用也不小。由于环境湿度小于混凝土湿度而引起的混凝土干缩裂缝是非常常见的。这种干缩裂缝产生的原因是混凝土中的水向环境中散失,从而在混凝土中产生毛细管张力,当这种力的作用超过了混凝土的抗拉强度时混凝土就出现裂缝。这种裂缝一般是表面裂缝,对混凝土的承载力影响不大,但对混凝土的使用性能有较大影响。其次,混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,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。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,则须依靠混凝土自身承担。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。

2 解析

自 20世纪 60年代以来,国内外多座混凝土桥梁因温度应力造成结构裂损,甚至倒塌。如:德国对 Jagst桥腹板检查中发现,通车 5年就出现严重裂缝,经估算温度应力高达 2.6MPa。美国对Champigny箱形梁桥温度应力的变化进行观测时,1 d内应力变化高达 20%,如果按梁的顶板底温差考虑,相当于温差 10℃,由其产生的最大下翼缘拉应力达 3.92 MPa。桥面板表面与下翼之间的温差可达 2℃～33℃。根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:1)早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约 30 d。这个阶段的两个特征:a.水泥放出大量的水化热;b.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。2)中期:自水泥放热作用基本结束时起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。3)晚期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相叠加。

3 措施

3.1 控制温度的措施

1)施工中改善骨料级配,减少混凝土中的水泥用量;2)在混凝土中埋设水管,混凝土表温过高时通入冷水降温;3)拌合混凝土时严格控制水和集料的温度,以降低混凝土的浇筑温度;4)拆模时的温度要合理,气温骤升骤降时要进行表温保持,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;5)运营中长期暴露的混凝土浇筑块表面,在炎热的季节要洒水降温,在寒冷季节采取保温措施。

3.2 改善措施

1)按设计要求合理地分块;2)设计时基础纵坡不宜过大起伏;3)合理的安排施工流程,做好衔接工作。

此外,还可以通过使用外加剂改善混凝土的性能,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是十分重要的,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。在混凝土浇筑初期,常出现“温度冲击”现象。由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如泡沫海绵等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。

4 养生

冬期采用一层地膜上盖再生棉再加一层塑料布方法养生。热期不宜单独使用专用养护膜覆盖法养护高强度混凝土,洒水湿养护应不间断,避免形成干湿循环。混凝土浇筑完,表面应立即覆盖清洁的塑料膜,初凝后撤去塑料膜,用浸湿的粗麻布等储水材料覆盖,经常洒水,保持潮湿状态最少 7 d。干热大风天气注意浇筑时及时覆盖洒水,防止出现裂缝。根据气温条件采取控温措施,并按要求测定浇筑后混凝土表面和内部温度,将内外温差控制在 25℃以内,可采用鼓风机等向箱内吹送空气,使箱内混凝土内外空气循环,以降低箱内热量聚集,并适量补充箱内水分,浇筑后 24h内保持箱内存水 1cm左右。

5 结语

虽然现阶段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,具体施工中要靠我们多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结。大量工程实践所提供的经验都说明,裂缝是不可避免的,只有针对性进行预防,控制其可能出现的裂缝不超出可容许程度或无损于混凝土工程质量水平,是较为科学的方法。

[1] 韩国华.混凝土桥梁裂缝的成因分析及处理方法[J].山西建筑,2009,35(2):309-310.