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摘要：如今高速铁路迅猛发展，交通功能不断完善，在桥梁建设中，钢筋混凝土箱梁不仅能很好的适应桥位地形、地物特征，并因结构线条平顺、流畅，给人以美的享受，而且具有造型简单、刚度大、结构整体性好，伸缩缝少、抗震性能好等优点，因此预应力混凝土箱梁桥在中等、大跨径桥梁中得到广泛使用，尤其是高速铁路。但是由于箱梁截面的表面积较大和桥梁结构的受力特点，，其表现形式也是比较复杂以及施工环境条件等因素作用，箱梁就有可能产生裂缝。桥梁混凝土箱梁裂缝的出现相当普遍，然而箱梁裂缝不仅能够降低桥梁结构的抗渗能力与使用寿命，还会引起混凝土结构中的钢筋腐蚀加快和混凝土的碳化等严重后果，从而影响结构的正常使用和耐久性。箱梁混凝土结构工程裂缝是一个带有普遍性且被工程界很关注的问题，因此，通过何种方式避免裂缝的出现便成了众多桥梁工程技术人员普遍关注的课题。本文对混凝土箱梁施工裂缝的形式及产生的原因作了分析，并提出了防治措施，以保证施工质量和结构使用安全。
关键词：箱梁;裂缝;防治措施
The nowadays rapid development of high speed railway, the transportation function is perfect, in the construction of Bridges, reinforced concrete box girder can not only good to adapt to the characteristics of bridge site terrain and object, and because of the structure line is smooth, fluent, give a person with beautiful enjoyment, but also has a simple shape, large stiffness, structural integrity is good, less expansion joints, the seismic performance is good wait for an advantage, so the prestressed concrete box girder bridge are widely used in middle and long span Bridges, especially the high-speed railway. But because of its high surface area of the box girder section and the mechanical characteristics of the structure of the bridge, and the form is also more complex factors such as environmental conditions and construction effect, box girder cracks is likely. The cracking of concrete box girder Bridges is quite common, however, box girder cracks can not only reduce permeability resistance and service life of the structure of the bridge, still can cause steel corrosion in concrete structures to accelerate and carbonization of concrete, such as a serious consequences, so as to affect the structure of normal use and durability. Box girder engineering concrete structure crack is a common and is of engineering is concerned, therefore, how to avoid the cracks appearance has became a topic of common concern to many Bridges engineering and technical personnel. In this paper, the concrete box girder construction cracks form and reasons are analyzed, and puts forward some prevention measures, to ensure construction quality and structure of the use of safe.
Key words: box girder; Fracture; Prevention and control measures
中图分类号：[TU997]文獻标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
裂缝的存在是混凝土施工中不可避免的普遍现象，箱梁混凝土施工同样如此。但是，我们应该明白裂缝的出现不仅会降低箱梁的抗渗能力，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，直接影响箱梁的使用寿命。因此，我们在施工中，应充分认识到裂缝的出现的危害性，采取各种有效的措施和合理的处理方法来预防裂缝的出现和发展，不断提高混凝土浇筑质量。
一、结构裂缝的形式与成因
1.1结构裂缝形式
前期箱梁裂缝主要表现为箱梁顶板、翼板底面出现多条横向裂缝,腹板从箱内上肋至下肋间通长裂缝,集中在梁长的1/4中段内,宽度0.1～0.25mm,部分呈现贯通状,施加预应力后大多会闭合。裂缝的开裂过程具有有序及对称性。当结构表面纵向应力σxmax(t)超过其相应龄期的抗拉强度时,在中部出现第1条裂缝,结构表面分成2块,每块又有自己的水平应力分布,且图形完全相似,但其最大值由于长度减少一半而减少,如果该值仍然超过抗拉强度,则形成第2条裂缝,每块再分成2块。如此持续下去直到中部最大水平应力小于或等于抗拉强度,裂缝稳定并不再增加。
1.2水化热影响
水泥水化热及蒸养的影响水泥在水化热的过程中要释放出大量的热量,并通过边界把部分热量向四周传递。在混凝土养护期间,由于水化热产生温升,发热量大于散热量,混凝土内部实测温度约达70℃以上,高温出现最早时间为从混凝土开始浇筑起算约15h、持续时间约23h。这种初始的温升和膨胀不会在混凝土中留下压应力,因为在从塑性状态到硬化状态期间,其弹性模量还非常低,因此对温变引起的变形约束不大,相应的温度应力比较小。而当混凝土达到温度峰值时,混凝土硬化,随后水泥水化速度随时间减慢,硬化混凝土冷却下来,温度逐渐与环境相当。在这一过程中,随着龄期的增长,混凝土弹性模量急剧增高,对降温收缩变形的约束也越来越强,并产生温度应力(拉应力),当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便出现温度裂缝。
1.3外界温度影响
外界气温变化的影响预制场一年中四季温度不断变化,当外部环境或结构内部温度发生变化时,混凝土发生变形以至产生的内应力超过混凝土抗拉强度时即产生温差裂缝。主要因素有:
①日照。箱梁顶板、侧面受太阳暴晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线形分布。由于受到自身的约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。
②骤然降温。受海洋气象影响,突遭大雨、大风侵袭可导致结构外表面温度突然下降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度。各种温度叠加,往往造成内外温差加大,从而使混凝土开裂。
1.4塑性收缩与缩水收缩影响
混凝土收缩变形的影响在箱梁施工中,混凝土因收缩所引起的裂缝也较常见,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因。
塑性收缩发生在施工过程中,当混凝土表面蒸发率超过泌水上升到表面的速率时出现。混凝土浇注后4～5h,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失水收缩。塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。塑性收缩发生在混凝土拌和后3～12h以内,即在终凝前比较明显。因为这种凝缩发生时混凝土仍处于塑性状态,因此把这种凝缩称为塑性收缩。
混凝土凝塑导致骨料受压、水泥胶结体受拉,故其既可使水泥石与骨料结合紧密,又可使水泥石产生裂缝。缩水收缩在混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,混凝土体积由升温期的膨胀逐步降低。因混凝土表层水分损失快、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力。当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。
1.5其他影响因素
其它因素的影响在箱梁顶板浇筑过程中,因顶面面积较大,浇筑顶面控制收浆面层设置了几根纵向通长钢筋而出现沿钢筋方向的裂缝。该钢筋由于保护层厚度不足,受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离。箱梁混凝土体积较大,浇注采用横向分层,顺序为底板、腹板、顶板,箱梁浇筑时间过长(达12多小时),且两层面间浇筑间隔时间较长。受日光照晒和外界气温影响,浇筑后层混凝土时前层混凝土表面砂浆提前硬化,出现冷缝。
2防治措施
2.1蒸汽养护措施
温差及收缩影响的防治根据分析,针对箱梁预制过程中出现的问题,为了防止裂缝的出现,施工中采取了一系列措施,重点改善对预制箱梁养护这一环节,取得了明显的效果。首先采用蒸汽养护,蒸养不但可以使预制箱梁保温保湿、改善前期过大的内外温差和表面收缩,而且由于蒸养温度较高促使混凝土早期强度快速增长,其抗拉强度也随之增强。同样可以抵抗由内外温差和表面干缩引起的部分拉应力。
蒸养工艺为:箱梁内设置1根蒸气管,顶板均匀布置3根蒸气管,两端供气,蒸气管离开混凝土40cm;蒸气分静养、供气升温、恒温蒸养和降温4个阶段,供气升温阶段按10℃/h升温,降温按5℃/h速度将蒸养温度降至环境温度。
①冬季施工期:蒸养前,箱梁外模板喷涂4cm厚聚氨脂发泡模板保温材料,以有效阻止梁体热量散发。箱梁混凝土浇筑完毕后即在顶面加盖塑料膜顶棚,以保温保湿。混凝土浇筑结束后静养时间控制在6～8h之间,蒸养时间保证36h,恒温阶段保持在60℃以内。混凝土浇筑结束后30h开始松拆模板。
②夏季施工期:蒸养恒温阶段保持在45～50℃,升温4h、恒温8h、降温12h,顶板蒸养维持近28h。在恒温结束后拆卸内模板时,采用大功率鼓风机,通过箱口对流使箱梁内室吹风降温,顶棚继续覆盖、蒸养管保持供气以控制箱内外温差。量测监控箱梁内外温度,把温差控制在20℃以内。加强对混凝土的后期养护,拆模后即对腹板喷涂养护剂,顶面覆盖土工布,及时洒水养护,时间不低于14d。
其它因素影响的防治在浇筑完成和收浆后,及时拆除控制面层钢筋。要防止钢筋锈蚀,采用足够的保護层厚度。保护层垫块采用专制变形多面体形式,其材料的强度及抗透性均不低于高性能混凝土的技术标准。同时严格控制含氯盐的外加剂用量,控制混凝土的水灰比,高性能混凝土振捣时间宜延长,以保证混凝土的严密性,防止氧气侵入。
2.2缩短浇筑时间措施
箱梁混凝土使用的高性能混凝土初凝时间实测为8h25min,因此应控制和缩短梁体的浇筑时间,增加混凝土输送泵,保证上层混凝土浇筑在层混凝土初凝前进行,且浇筑时间尽量选择在温差较小的夜间。根据混凝土浇筑时的气温以及梁体不同的浇筑部位,在配合比允许范围内调整施工配合比和搅拌时间,以改善其工作性能。浇筑前在模板内洒水降温,为保证混凝土浇筑的连续性,浇筑前根据混凝土的工程量配备充足的原材料,并预备1台混凝土输送泵应急。
三、结束语：通过施工措施摸索,对箱梁裂缝进行了有效的控制,对桥梁结构及工程的顺利进行提供了可靠的保证。如条件允许,采用蒸汽养生是防止混凝土早期裂缝的好方法,但蒸养具体工艺应根据气候、气温及有关自然条件而变化,不应采取统一模式。通过有效地控制箱梁裂缝可以看出控制大型混凝土结构的早期裂缝,抓好养护这一工序十分关键。只要认真分析裂缝原因,采取得力措施即可有效地控制裂缝。对高性能混凝土在采取蒸养后,为了继续保持混凝土的温度场的稳定和结构表面的温度,采取一些保温和保湿措施还是非常必要的,对预防早期裂缝将起到明显的作用。
主要参考文献：
[1] 刘长国.浅议桥梁工程混凝土施工裂缝的成因及防治措施
[2] 金群山等编著.浅谈桥梁工程中箱梁混凝土裂缝控制措施.
关键词：箱梁;裂缝;防治措施
The nowadays rapid development of high speed railway, the transportation function is perfect, in the construction of Bridges, reinforced concrete box girder can not only good to adapt to the characteristics of bridge site terrain and object, and because of the structure line is smooth, fluent, give a person with beautiful enjoyment, but also has a simple shape, large stiffness, structural integrity is good, less expansion joints, the seismic performance is good wait for an advantage, so the prestressed concrete box girder bridge are widely used in middle and long span Bridges, especially the high-speed railway. But because of its high surface area of the box girder section and the mechanical characteristics of the structure of the bridge, and the form is also more complex factors such as environmental conditions and construction effect, box girder cracks is likely. The cracking of concrete box girder Bridges is quite common, however, box girder cracks can not only reduce permeability resistance and service life of the structure of the bridge, still can cause steel corrosion in concrete structures to accelerate and carbonization of concrete, such as a serious consequences, so as to affect the structure of normal use and durability. Box girder engineering concrete structure crack is a common and is of engineering is concerned, therefore, how to avoid the cracks appearance has became a topic of common concern to many Bridges engineering and technical personnel. In this paper, the concrete box girder construction cracks form and reasons are analyzed, and puts forward some prevention measures, to ensure construction quality and structure of the use of safe.
Key words: box girder; Fracture; Prevention and control measures
中图分类号：[TU997]文獻标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
裂缝的存在是混凝土施工中不可避免的普遍现象，箱梁混凝土施工同样如此。但是，我们应该明白裂缝的出现不仅会降低箱梁的抗渗能力，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，直接影响箱梁的使用寿命。因此，我们在施工中，应充分认识到裂缝的出现的危害性，采取各种有效的措施和合理的处理方法来预防裂缝的出现和发展，不断提高混凝土浇筑质量。
一、结构裂缝的形式与成因
1.1结构裂缝形式
前期箱梁裂缝主要表现为箱梁顶板、翼板底面出现多条横向裂缝,腹板从箱内上肋至下肋间通长裂缝,集中在梁长的1/4中段内,宽度0.1～0.25mm,部分呈现贯通状,施加预应力后大多会闭合。裂缝的开裂过程具有有序及对称性。当结构表面纵向应力σxmax(t)超过其相应龄期的抗拉强度时,在中部出现第1条裂缝,结构表面分成2块,每块又有自己的水平应力分布,且图形完全相似,但其最大值由于长度减少一半而减少,如果该值仍然超过抗拉强度,则形成第2条裂缝,每块再分成2块。如此持续下去直到中部最大水平应力小于或等于抗拉强度,裂缝稳定并不再增加。
1.2水化热影响
水泥水化热及蒸养的影响水泥在水化热的过程中要释放出大量的热量,并通过边界把部分热量向四周传递。在混凝土养护期间,由于水化热产生温升,发热量大于散热量,混凝土内部实测温度约达70℃以上,高温出现最早时间为从混凝土开始浇筑起算约15h、持续时间约23h。这种初始的温升和膨胀不会在混凝土中留下压应力,因为在从塑性状态到硬化状态期间,其弹性模量还非常低,因此对温变引起的变形约束不大,相应的温度应力比较小。而当混凝土达到温度峰值时,混凝土硬化,随后水泥水化速度随时间减慢,硬化混凝土冷却下来,温度逐渐与环境相当。在这一过程中,随着龄期的增长,混凝土弹性模量急剧增高,对降温收缩变形的约束也越来越强,并产生温度应力(拉应力),当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便出现温度裂缝。
1.3外界温度影响
外界气温变化的影响预制场一年中四季温度不断变化,当外部环境或结构内部温度发生变化时,混凝土发生变形以至产生的内应力超过混凝土抗拉强度时即产生温差裂缝。主要因素有:
①日照。箱梁顶板、侧面受太阳暴晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线形分布。由于受到自身的约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。
②骤然降温。受海洋气象影响,突遭大雨、大风侵袭可导致结构外表面温度突然下降,会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度。各种温度叠加,往往造成内外温差加大,从而使混凝土开裂。
1.4塑性收缩与缩水收缩影响
混凝土收缩变形的影响在箱梁施工中,混凝土因收缩所引起的裂缝也较常见,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因。
塑性收缩发生在施工过程中,当混凝土表面蒸发率超过泌水上升到表面的速率时出现。混凝土浇注后4～5h,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失水收缩。塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。塑性收缩发生在混凝土拌和后3～12h以内,即在终凝前比较明显。因为这种凝缩发生时混凝土仍处于塑性状态,因此把这种凝缩称为塑性收缩。
混凝土凝塑导致骨料受压、水泥胶结体受拉,故其既可使水泥石与骨料结合紧密,又可使水泥石产生裂缝。缩水收缩在混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,混凝土体积由升温期的膨胀逐步降低。因混凝土表层水分损失快、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力。当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。
1.5其他影响因素
其它因素的影响在箱梁顶板浇筑过程中,因顶面面积较大,浇筑顶面控制收浆面层设置了几根纵向通长钢筋而出现沿钢筋方向的裂缝。该钢筋由于保护层厚度不足,受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离。箱梁混凝土体积较大,浇注采用横向分层,顺序为底板、腹板、顶板,箱梁浇筑时间过长(达12多小时),且两层面间浇筑间隔时间较长。受日光照晒和外界气温影响,浇筑后层混凝土时前层混凝土表面砂浆提前硬化,出现冷缝。
2防治措施
2.1蒸汽养护措施
温差及收缩影响的防治根据分析,针对箱梁预制过程中出现的问题,为了防止裂缝的出现,施工中采取了一系列措施,重点改善对预制箱梁养护这一环节,取得了明显的效果。首先采用蒸汽养护,蒸养不但可以使预制箱梁保温保湿、改善前期过大的内外温差和表面收缩,而且由于蒸养温度较高促使混凝土早期强度快速增长,其抗拉强度也随之增强。同样可以抵抗由内外温差和表面干缩引起的部分拉应力。
蒸养工艺为:箱梁内设置1根蒸气管,顶板均匀布置3根蒸气管,两端供气,蒸气管离开混凝土40cm;蒸气分静养、供气升温、恒温蒸养和降温4个阶段,供气升温阶段按10℃/h升温,降温按5℃/h速度将蒸养温度降至环境温度。
①冬季施工期:蒸养前,箱梁外模板喷涂4cm厚聚氨脂发泡模板保温材料,以有效阻止梁体热量散发。箱梁混凝土浇筑完毕后即在顶面加盖塑料膜顶棚,以保温保湿。混凝土浇筑结束后静养时间控制在6～8h之间,蒸养时间保证36h,恒温阶段保持在60℃以内。混凝土浇筑结束后30h开始松拆模板。
②夏季施工期:蒸养恒温阶段保持在45～50℃,升温4h、恒温8h、降温12h,顶板蒸养维持近28h。在恒温结束后拆卸内模板时,采用大功率鼓风机,通过箱口对流使箱梁内室吹风降温,顶棚继续覆盖、蒸养管保持供气以控制箱内外温差。量测监控箱梁内外温度,把温差控制在20℃以内。加强对混凝土的后期养护,拆模后即对腹板喷涂养护剂,顶面覆盖土工布,及时洒水养护,时间不低于14d。
其它因素影响的防治在浇筑完成和收浆后,及时拆除控制面层钢筋。要防止钢筋锈蚀,采用足够的保護层厚度。保护层垫块采用专制变形多面体形式,其材料的强度及抗透性均不低于高性能混凝土的技术标准。同时严格控制含氯盐的外加剂用量,控制混凝土的水灰比,高性能混凝土振捣时间宜延长,以保证混凝土的严密性,防止氧气侵入。
2.2缩短浇筑时间措施
箱梁混凝土使用的高性能混凝土初凝时间实测为8h25min,因此应控制和缩短梁体的浇筑时间,增加混凝土输送泵,保证上层混凝土浇筑在层混凝土初凝前进行,且浇筑时间尽量选择在温差较小的夜间。根据混凝土浇筑时的气温以及梁体不同的浇筑部位,在配合比允许范围内调整施工配合比和搅拌时间,以改善其工作性能。浇筑前在模板内洒水降温,为保证混凝土浇筑的连续性,浇筑前根据混凝土的工程量配备充足的原材料,并预备1台混凝土输送泵应急。
三、结束语：通过施工措施摸索,对箱梁裂缝进行了有效的控制,对桥梁结构及工程的顺利进行提供了可靠的保证。如条件允许,采用蒸汽养生是防止混凝土早期裂缝的好方法,但蒸养具体工艺应根据气候、气温及有关自然条件而变化,不应采取统一模式。通过有效地控制箱梁裂缝可以看出控制大型混凝土结构的早期裂缝,抓好养护这一工序十分关键。只要认真分析裂缝原因,采取得力措施即可有效地控制裂缝。对高性能混凝土在采取蒸养后,为了继续保持混凝土的温度场的稳定和结构表面的温度,采取一些保温和保湿措施还是非常必要的,对预防早期裂缝将起到明显的作用。
主要参考文献：
[1] 刘长国.浅议桥梁工程混凝土施工裂缝的成因及防治措施
[2] 金群山等编著.浅谈桥梁工程中箱梁混凝土裂缝控制措施.