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摘要充分认识桥梁混凝土裂缝与施工温度的关系,提高桥梁工程施工人员对施工温度的重视程度,避免施工过程中裂缝的发生。
关键词混凝土裂缝施工温度控制
1概述
近年来,我国交通基础设施建设驶入快速轨道,全国各地大面积的兴建高等级公路与桥梁。在桥梁建造和使用过程中,因出现裂缝而影响桥梁工程质量甚至桥梁垮塌,造成国家和人民生命财产受损也时有发生。可以说混凝土裂缝在桥梁工程中深深困扰桥梁工程技术人员。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识,尽量避免工程中裂缝的出现。究其原因,我们对混凝土温度应力的变化重视不够是其中主要原因之一。在桥梁工程混凝土中,我们主要遇到的是施工过程中的温度裂缝,因此本文仅对施工中混凝土温度裂缝的成因和处理措施加以初浅探讨。
2裂缝的成因
混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,甚至多种因素相互影响。主要是温度和湿度的变化,混凝土原材料不合格,施工工艺质量低劣,外部荷载,冻胀,基础不均匀沉降等。混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时,即产生温度裂缝。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,又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。混凝土是一种脆性材料,由于原材料不均匀,水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一混凝土构件中抗拉强度是不均匀的,存在很多抗拉能力很低、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边缘部位如果结构内出现拉应力,则必须依靠混凝土承担。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。但是施工中混凝土由最高温度冷却至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施工极为重要。
3温度应力
3.1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,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,这一时期在混凝土内形成残余应力。
(2)中期。自水泥放热基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期,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。
3.2温度应力引起的原因可分为两类
(1)自生应力: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,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。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,在中间出现压应力。
(2)约束应力: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,需要依靠模型实验或数值计算。混凝土的徐变,使温度应力有相当大的松弛,计算温度应力时,必须考虑，徐变的影响,具体计算这里不再细述。
4温度的控制
4.1为了防止裂缝、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
(1)改善骨料级配,采用干硬性混凝土、添加掺配材料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;
(2)拌和混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;
(3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;
(4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;
(5)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变化;
(6)施工中长期暴露的混凝土浇筑体表面或薄壁结构,在寒冷季节采用保温措施。
4.2改善约束条件的措施
(1)合理地分缝分块;
(2)避免基础过大起伏;
(3)合理地安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。另外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力。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,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其贯穿性裂缝的发生为主。在混凝土的施工中,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。新浇筑混凝土早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现温度冲击现象。在混凝土澆筑初期,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,从而在表面附加拉应力,与水化热应力叠加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如塑料薄膜,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率低,在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力,由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7~15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100~200kg/cm2。因此,在混凝土中想利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难,如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。
5防止施工工艺质量低劣引发的裂缝
在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理,施工质量低劣,容易产生各种裂缝,裂缝的宽度因产生的原因而异。比较常见的有:(1)混凝土震捣过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易浇筑数小时后发生裂缝,既塑性收缩裂缝。(2)混凝土搅拌运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土塌落度过低,使得混凝土出现不规则的收缩裂缝。(3)混凝土保护层过厚或上层钢筋被踩压变位,使承受负弯矩的受力钢筋保护层加厚,导致构件的有效高度减少,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。(4)用泵送混凝土施工时,为了保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,导致混凝土结硬化时收缩量的增加,使得混凝土出现不规则裂缝。(5)混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不当,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。(6)施工模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于侧向压力的作用,使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。(7)施工时拆模过早,混凝土强度不足,使构件在自重或施工荷载作用下,产生裂缝。(8)施工前对支架压实不足,或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝。
以上问题在施工中应加以注意,可以避免裂缝的发生。
6混凝土的早期养护
混凝土的早期养护至关重要,主要在于保持适宜的温度条件,以达到两个方面的效果。一方面使混凝土免受不利温、湿度的侵袭,防止有害的冷缩和干缩;一方面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。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反应,表面混凝土最容易直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后最初七天是养护的关键,在施工中应着重加以重视。
7结束语
桥梁混凝土施工裂缝牵涉到诸多方面,如设计疏忽、施工低劣、监理不严等,均可能使桥梁出现裂缝。因此必须严格按照国家技术标准,进行设计、施工,同时在具体施工过程中要多观察,多总结,结合各种预防措施,进一步加强质量管理。发现问题及时处理,混凝土施工裂缝还是可以避免的。
参 考 文 献
[1]. 曲德仁 · 混凝土工程质量控制 · 北京：中国建筑工业出版社，2005年
关键词混凝土裂缝施工温度控制
1概述
近年来,我国交通基础设施建设驶入快速轨道,全国各地大面积的兴建高等级公路与桥梁。在桥梁建造和使用过程中,因出现裂缝而影响桥梁工程质量甚至桥梁垮塌,造成国家和人民生命财产受损也时有发生。可以说混凝土裂缝在桥梁工程中深深困扰桥梁工程技术人员。为了进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识,尽量避免工程中裂缝的出现。究其原因,我们对混凝土温度应力的变化重视不够是其中主要原因之一。在桥梁工程混凝土中,我们主要遇到的是施工过程中的温度裂缝,因此本文仅对施工中混凝土温度裂缝的成因和处理措施加以初浅探讨。
2裂缝的成因
混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,甚至多种因素相互影响。主要是温度和湿度的变化,混凝土原材料不合格,施工工艺质量低劣,外部荷载,冻胀,基础不均匀沉降等。混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时,即产生温度裂缝。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,又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。混凝土是一种脆性材料,由于原材料不均匀,水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一混凝土构件中抗拉强度是不均匀的,存在很多抗拉能力很低、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边缘部位如果结构内出现拉应力,则必须依靠混凝土承担。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。但是施工中混凝土由最高温度冷却至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施工极为重要。
3温度应力
3.1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,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,这一时期在混凝土内形成残余应力。
(2)中期。自水泥放热基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期,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。
3.2温度应力引起的原因可分为两类
(1)自生应力: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,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。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,在中间出现压应力。
(2)约束应力: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,需要依靠模型实验或数值计算。混凝土的徐变,使温度应力有相当大的松弛,计算温度应力时,必须考虑，徐变的影响,具体计算这里不再细述。
4温度的控制
4.1为了防止裂缝、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
(1)改善骨料级配,采用干硬性混凝土、添加掺配材料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;
(2)拌和混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;
(3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;
(4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;
(5)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变化;
(6)施工中长期暴露的混凝土浇筑体表面或薄壁结构,在寒冷季节采用保温措施。
4.2改善约束条件的措施
(1)合理地分缝分块;
(2)避免基础过大起伏;
(3)合理地安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。另外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力。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,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其贯穿性裂缝的发生为主。在混凝土的施工中,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。新浇筑混凝土早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现温度冲击现象。在混凝土澆筑初期,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,从而在表面附加拉应力,与水化热应力叠加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如塑料薄膜,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率低,在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力,由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7~15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100~200kg/cm2。因此,在混凝土中想利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难,如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。
5防止施工工艺质量低劣引发的裂缝
在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理,施工质量低劣,容易产生各种裂缝,裂缝的宽度因产生的原因而异。比较常见的有:(1)混凝土震捣过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易浇筑数小时后发生裂缝,既塑性收缩裂缝。(2)混凝土搅拌运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土塌落度过低,使得混凝土出现不规则的收缩裂缝。(3)混凝土保护层过厚或上层钢筋被踩压变位,使承受负弯矩的受力钢筋保护层加厚,导致构件的有效高度减少,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。(4)用泵送混凝土施工时,为了保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,导致混凝土结硬化时收缩量的增加,使得混凝土出现不规则裂缝。(5)混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不当,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。(6)施工模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于侧向压力的作用,使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。(7)施工时拆模过早,混凝土强度不足,使构件在自重或施工荷载作用下,产生裂缝。(8)施工前对支架压实不足,或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝。
以上问题在施工中应加以注意,可以避免裂缝的发生。
6混凝土的早期养护
混凝土的早期养护至关重要,主要在于保持适宜的温度条件,以达到两个方面的效果。一方面使混凝土免受不利温、湿度的侵袭,防止有害的冷缩和干缩;一方面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。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反应,表面混凝土最容易直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后最初七天是养护的关键,在施工中应着重加以重视。
7结束语
桥梁混凝土施工裂缝牵涉到诸多方面,如设计疏忽、施工低劣、监理不严等,均可能使桥梁出现裂缝。因此必须严格按照国家技术标准,进行设计、施工,同时在具体施工过程中要多观察,多总结,结合各种预防措施,进一步加强质量管理。发现问题及时处理,混凝土施工裂缝还是可以避免的。
参 考 文 献
[1]. 曲德仁 · 混凝土工程质量控制 · 北京：中国建筑工业出版社，2005年