铁路双线桥墩台裂缝原因分析与预防措施

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  摘要:混凝土在铁路工程建设中占有及其重要的地位,然而在铁路建设特别是高铁建设高速发展的形势下,铁路双线桥墩台身混凝土在施工过程中会出现不同程度、不同形式的裂缝,这就需要我们及时采取措施解决裂缝问题,以防出现大的质量问题。本文主要探讨了铁路双线桥梁墩台身裂缝产生的原因与预防措施。
  关键词:铁路桥;墩台;混凝土;裂缝;原因;措施
  Abstract: the concrete in railway engineering construction and plays an important role in railway construction, however, especially high iron construction high speed development of the situation, the railway double bridge pier platform body concrete in the construction process will appear different degree, different forms of crack, this needs us to take timely measures to solve the problem of cracks appear, in case of quality problem. This paper mainly discusses the double railway bridge pier body fracture of the causes and preventive measures.
  Keywords: railway bridge; Abutment; Concrete; Crack; Reason; measures
  中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2012)
  
  一、混凝土裂缝简述
  混凝土在施工中对有些结构按其所处条件的不同,允许存在一定宽度的裂缝。施工中尽可能采取有效的技术措施控制裂缝,使结构尽量不出现裂缝,或尽量减少裂缝的数量和宽度,特别是避免有害裂缝的出现,以确保工程质量。
  裂缝产生的主要原因:由外荷载(包括施工和使用阶段的静荷载、动荷载)引起的裂缝;由变形(包括由温度、湿度变化产生的变形、收缩受限、不均匀沉降等)引起的裂缝;由施工操作(如浇筑、脱模、养生)引起的裂缝。
  裂缝的分类:按裂缝的方向、形状分类有水平裂缝、垂直裂缝、横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝以及放射状裂缝等;按裂缝深度分类有贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种;按成因分类主要有塑性裂缝、干缩裂缝、温度裂缝及不均匀沉降裂缝。
  二、铁路双线桥墩台混凝土裂缝产生的可能原因
  1、从混凝土结构内部原因分析
  (1)收缩裂缝
  混凝土的收缩引起收缩裂缝。收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量,混凝土中的用水量和水泥用量越高,混凝土收缩越大。
  选用水泥品种不同,干缩、收缩的量也不同。收缩量较小的水泥为中低热水泥和粉煤灰水泥。
  混凝土由于水泥的水化作用逐渐散热和硬化过程引起的收缩,会产生很大的收缩应力,如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土中产生收缩裂缝。
  自身收缩与干缩一样,是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失,而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降而产生自干燥作用,混凝土体的相对湿度降低,体积减小。水灰比(现在都叫水胶比)的变化对干燥收缩和自身收缩的影响相反,即当混凝土的水胶比降低时干燥收缩减小,而自身收缩增大。
  自身收缩中发生于混凝土拌和后的初龄期,在这以后,由于体内的自干燥作用,相对湿度降低,水化基本终止。也就是在模板拆除前,混凝土的自身收缩大部分已经产生,甚至已经完成,而干燥收缩,大都发生在拆除模板后,因此只要覆盖养护好,混凝土很少发生干缩。
  (2)温差裂缝
  混凝土内部和外部的温差过大会产生裂缝。温差裂缝的主要影响因素是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。铁路双线桥墩台(属于大体积)混凝土易发生此类裂缝。
  铁路双线桥墩台混凝土浇筑后,水泥因水化引起水化热,由于混凝土体积大,聚集在内部的水泥水化热不容易散发,混凝土内部温度将显著升高,而混凝土表面则散热较快,形成较大的温度差,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,此时混凝土龄期短,抗拉强度很低,温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土表面产生裂缝。裂缝一般产生在混凝土浇筑后的第三天后(前三天混凝土水化热高,表现为升温),在混凝土降温阶段,由于逐渐降温而产生收缩,再加上在混凝土硬化过程中,内部拌和水的水化和蒸发以及胶质体的胶凝作用,促使混凝土硬化时收缩。两种收缩使桥墩台由于受到承台的约束,即会产生很大的拉应力,直至出现收缩裂缝。
  2、从混凝土施工工艺分析
  (1)混凝土结构内非均匀密实性引起裂缝
  混凝土的均匀密实性是混凝土的质量特性之一,是靠工藝施工有效控制实现的,均匀密实性好的砼,是各相材料颗粒,包括水泥颗粒,在砼体积内呈均匀分布、排列紧密、连续完整的匀质状态。即大颗粒之间是小颗粒,小颗粒之间是细颗粒、微细颗粒,构成均密型的颗粒骨架,在这种颗粒骨架的基础上,系由水泥和水而成的水泥浆,水泥浆包裹沙子成为水泥砂浆,水泥砂浆充填粗骨料缝隙,构成砼的微观晶体结构。因此,要获得砼结构的均匀密实性,就在于单位砼体积中维持三个不变:水泥(砂)浆含量不变,级配骨料含量与分布不变,拌和物的整体塑性(塌落度指标)不变。如果任何方面的变化,则砼均匀性和密实性都同时发生变化,从而导致混凝土强度偏差,在温差、收缩应力作用下,就会沿强度簿弱处产生裂缝。
  (2)施工工艺控制及养生不够引起裂缝
  混凝土在施工过程中,由于拌制、运输、入模方法、浇筑工艺(分层)、振捣工艺等施工过程控制各环节可能引起混凝土泌水、离析、不均匀、不密实、强度降低等,自收缩及温度作用下引起裂缝的产生。混凝土浇筑完成后,未及时采取有效措施进行养生、养生效果差、时间不足、拆模过早等,都会引起混凝土裂缝。
  混凝土在施工中由于时间间隔过长(超过了初凝时间),又没有按要求设置施工缝、或施工缝设置未按要求凿毛设连接钢筋、对新旧混凝土界面未作处理等,就会造成混凝土界面整体性差,施工缝发展成为裂缝。
  (3)桥墩台收缩变形受限产生裂缝
  在混凝土的施工中,当温差变化温差变化较大,或者是混凝土受到寒潮的袭击等,会导致混凝土表面温度急剧下降而产生收缩,表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束,将产生很大的拉应力而产生裂缝,这种裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生,而桥墩台底部收缩变形因为受到承台的约束(承台往往先于墩台身一周,甚至几个月浇筑,此时承台的主要强度发展基本完成,而且承台基本是埋于土体中,内外温度变化极小),不能自由地收缩变形,双线桥墩长宽比较大(达2.8以上)。裂缝会平行于短边,而出现在线路中线墩中心处,形成竖向的深入或贯穿性温度裂缝,其竖向高度多为承台顶起0~3米。而空心桥台同样因受到承台及边框的限制而产生竖向裂缝。这种裂缝受温度变化影响明显,冬季宽夏季窄。裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀和混凝土的碳化,降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。
  三、裂缝的防治措施
  铁路双线混凝土桥墩台最小几何尺寸不小于1米,属大体积混凝土,因此,配制混凝土要符合大体积混凝土和铁路混凝土结构耐久性设计规范相关规定。依据以上对裂缝产生的原因分析,制定防治措施。
  1、设计措施
  (1)精心设计混凝土配合比。混凝土配合比设计时,应根据混凝土的设计使用年限、环境条件和施工工艺等进行设计,使结构具有足够承载能力和良好的抗裂性能。在保证混凝土满足要求且具有良好工作性的前提下,应尽可能降低混凝土的单位用水量(不大于170kg/m3,水胶比不大于0.55),采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效缓凝减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出“高强、高韧性、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。
  (2)增配构造筋提高抗裂性能,特别是在易裂处的边缘部位提高配筋率,配筋应采用小直径、小间距。主要配置在承台顶0~4米高平行于长边。
  2、施工措施
  (1)混凝土原材料的选用
  水泥应优选质量稳定有利于改善混凝土抗裂性能,C3A含量较低、C2S含量相对较高的水泥。水泥熟料中碱含量应低且适宜,MgO含量在3~5%,石膏与C3A的比值尽量大些,C3A、C3S和C2S含量宜分别控制在5%内、50%左右和20%左右,这种熟料比例的水泥具有长期稳定的微膨胀抗裂性能。
  骨料在此类大体积混凝土中占比一般是混凝土体积的80%~83%,故粗骨料选择应考虑线膨胀系数小、岩石弹性模量较低、级配良好、粒形良好、质地均匀坚固、表面清洁无弱包裹层的碎石。细骨料宜选用级配良好、质地坚固、吸水率低、空隙率小的天然洁净河砂中砂(细度模数3.0~2.3)
  粉煤灰细度与水泥颗粒相当,燒失量小,含硫量和含碱量低,需水量比小(均应满足相关规范要求)。粉煤灰的掺量要适当增加,但不得超过水泥用量的40%,矿渣粉掺量不宜超过水泥用量的50%,两种掺和料的总掺量不大于混凝土中水泥用量的50%。混凝土中掺用适量的粉煤灰,可提高混凝土的抗渗性、耐久性、减少收缩,降低胶凝材料体系的水化热,提高混凝土的抗拉强度,抑制碱骨料反应,减少新拌混凝土的泌水等;混凝土中掺用适量的矿渣粉,可提高混凝土的抗渗性、抗冻性、减少收缩,减少混凝土的单位用水量,增加混凝土的后期强度。所以,混凝土中掺入适量的粉煤灰和矿渣粉,有利于提高混凝土的抗裂能力。
  高效减水剂和引气剂复合使用对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量,改善新拌混凝土的工作度,提高硬化混凝土力学、热学、变形、耐久性等起作极为重要的作用。
  (2)细致分析混凝土集料的配比,控制混凝土水灰比,在满足施工要求的前提下减小坍落度(取要求的下限)。
  (3)采用综合措施,控制混凝土的初始温度
  混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝产生的影响是极其敏感的。当混凝土温度从零应力综合降温差ΔT2降低至混凝土开裂的ΔT2(t)时,t时刻混凝土拉应力超过t时刻混凝土极限抗拉强度。故可通过降低混凝土内的水化热温度(主要是前面提到的通过掺用缓凝高效减水剂减少用水,掺粉煤灰和矿渣粉减少胶凝材料等)和初始温度(通过水冷和风冷降温、加冰加冷却水拌和,避开中午等高温时段施工,各环节加强保温避免冷量损失等措施降低混凝土初始温度),避免或减少混凝土开裂风险。
  浇筑时间尽量安排在夜间,最大限度降低混凝土的初始温度,拌和站砂石料仓必须修建遮阳防雨棚,必要时对骨料进行水冷或风冷、加冰加冷却水拌和,泵送管道加盖草麻袋,喷冷水等。
  (4)加强混凝土施工过程中的拌、运、浇、振控制,做到分段分层、限时接茬,浇前振后、切莫早振,遵循快插慢拔、振点等距、不过振的原则。提高混凝土工作性能,提高混凝土的均质性和密实度,改善混凝土强度,提高抗裂性。
  (5)及时对混凝土覆盖保湿、保温;混凝土尽量晚拆模,拆模后混凝土表面温度下降控制在15。C内,混凝土的同条件试件强度要达到5Mpa方可拆模。
  (6)缩短承台与墩身的施工时间间隔,尽量使墩台身混凝土与承台的龄期接近(不要超过7天),从而降低承台对墩台身的收缩限制。
  (7)在寒冷地区(冬季最低气温达-10。C),越冬前用土(也可用其他保温材料)将承台顶0~4米墩身填埋(覆盖)保温,使该部分墩身与承台温度基本保持一致(减小温差),从而减少因温差大而产生的承台限制墩身收缩自由出现墩中心竖向深度裂缝、贯通裂缝。
  四、结束语
  混凝土裂缝预防措施不断更新,近来采用UEA补偿收缩混凝土技术预防混凝土裂缝得以应用,效果较好;二次振捣技术由于在具体操作中不易撑控,在铁路工程中还未推广。裂缝的产生,要从混凝土配合比设计、原材料选择、拌制、运输、入模、浇筑、振捣、保温、保湿、养生等各环节进行有效控制,才能减少或避免。但双线铁路桥墩的贯通裂缝问题很难根治,只有各项措施同时施行,再加密配筋、采用UEA补偿收缩混凝土技术等方能有所成效。已出现裂缝可采用适合的混凝土裂缝加固技术进行处理,从而确保混凝土的耐久性(避免或减少混凝土的碳化和钢筋锈蚀)。
  参考文献:
  [1]《铁路混凝土工程施工技术指南》2011年,北京.
  [2]《高速铁路桥涵工程施工技术指南》2011年,北京.
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