论文部分内容阅读
摘要：工程实践中，铁路混凝土高墩在脱模后出现早期裂缝的现象时有发生，在高铁和客专桥墩的施工中也有发生，主要表现为细微的收缩裂缝，尽管裂缝不影响桥墩主体质量，但出现早期裂缝的原因和机理是什么并不清楚，更不知道采取什么措施来避免产生裂缝。根据我们对类似研究成果的归纳和总结，其主要影响因素有：混凝土水化热，结构尺寸与构造，混凝土收缩，硬化过程中混凝土力学性能的演变以及养护不当和施工工艺不妥等，其中混凝土水化热被认为是引起桥墩出现早期裂缝的最主要原因。
关键词：铁路混凝土；温度；裂纹控制
一、裂缝分析理论
1、混凝土裂缝的分类
混凝土是由水泥石和砂、石骨料组成的材料。在硬化过程中，就已经存在微裂缝。微裂缝可以分为在砂浆内部的砂浆微裂缝、砂浆和骨料界面上的粘结微裂缝和骨料内部的骨料裂缝。一般情况下，在构件受力以前混凝土中的微观裂缝主要是前两种；受力以后，微观裂缝联通扩展形成宏观裂缝；再继续扩展，将可能使结构物丧失承载能力。
（1）、按照裂缝出现的时间：可以分为施工期裂缝和使用期裂缝；
（2）、按照裂缝成因：可以分成因材料选择问题，施工不当，混凝土塑性作用，静力荷载作用，温度变化，混凝土收缩，钢筋锈蚀，冻融作用，地基不均匀沉降，地震作用，火灾（烧伤裂缝）以及其他原因形成的裂缝；
（3）、按照形态、分布情况和规律性：可以分为龟裂、横向（正截面）裂缝、纵向裂缝、八字形裂缝、X形交叉裂缝等。
2、裂缝成因与特点
施工期间产生的裂缝
（1）、混凝土塑性裂缝：包括塑性下沉裂缝与塑性收缩裂缝。
塑性下沉裂缝：混凝土自重作用下下沉收到钢筋、模板等的阻挡，延钢筋纵向产生的裂缝。
塑性收缩裂缝：由于大风和高温引起的混凝土表面的干缩裂缝。
（2）、温度裂缝：通常大体积混凝土产生比较大的水化热升温，造成内外环境温差较大，当温度应变超过当时混凝土的极限拉应变时即形成裂缝。这类裂缝通常垂直于构件轴向，有时分布于构件表面，有时贯穿于整个截面。
（3）、约束收缩：收缩引起的体积变化收到约束，轴向垂直或者贯穿整个截面。
（4）、施工质量引起的裂缝：施工时如果没有采用合理的养护方法，在初凝时会出现龟裂，但裂缝很浅。
（5）、早期冻融作用引起的裂缝。
使用期间随时间发展的裂缝
（1）、钢筋锈蚀引起的纵向裂缝：锈蚀物质体积膨胀而致混凝土膨胀
（2）、温度变化和收缩作用：温度和收缩变形收到刚度较大构件的约束而开裂
（3）、地基不均匀沉降；
（4）、冻融循环作用、侵蚀等；
（5）、荷载作用。
综上所述，混凝土出现裂缝有多种原因，主要包括静力荷载、外加变形和约束变形以及施工等方面。工程实践表明，在合理设计、合理施工和正常使用的条件下，荷载的直接作用往往不是形成过大裂缝宽度的原因。很多裂缝是几种原因组合作用的结果，其中，温度变化和收缩作用起着相当主要的作用。
二、工程实例
巴准七标线路起讫里程为：DK85+700～DK95+400，全长9.7Km。标段以桥梁为主，其中特大桥1020.36m/1座，四线桥1335m/5座，大桥2279/11座，中桥110m/1座，最大墩高56米。
为避免混凝土早期裂纹，在桥墩施工过程中，我们从原材料、施工工艺、包括后期养护方面均严格控制，但一直未取得满意的效果。我们分析是否因混凝土水化热引起的混凝土表面产生收缩裂纹。为此，我们选取了一处空心墩和一处实心墩进行试验。
1、桥墩对比应力分析
（1）、空心墩
对于空心墩，我们尝试采取在浇筑开始到浇筑后48小时，即模板拆除前，在表面设置厚度为1cm的泡沫塑料板的方法来对空心墩进行保温，从而降低温度骤降造成的桥墩内外温差，避免开裂的出现。泡沫塑料板的导热系数为0.1256错误！未找到引用源。，塑料板在空气中的放热系数为82.2，1cm厚度的泡沫塑料板其等效放热系数为10.89。
对空心墩进行模拟，仅对表面综合放热系数进行修改来模拟泡沫塑料板，得到原空心墩应力最大时刻，即浇筑后48小时的空心墩表面宽方向最大拉应力为1.18MPa，小于之前分析得到的2.05MPa，分布在浇筑段上表面角隅位置，表面大部分区域拉应力控制在1MPa以内。该时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。
设置塑料板条件下浇筑后48小时x与z方向空心墩应力图
将空心墩表面最大应力单元的应力时程曲线与混凝土的抗拉强度曲线做出对比，如下图所示。可以发现，空心墩拉应力始终没有超过混凝土的抗拉强度，因而可以有效的避免表面裂缝的出现。使用这种保温的措施来避免开裂，实质是通过增加表面的温度来避免较大的内外温差，因而一定要保证保温的时间，维持温差在较小的范围内。
空心墩最大拉应力与抗拉强度对比
2、实心墩
对于实心墩，我们同样尝试采取从浇筑开始到浇筑后80小时，即模板拆除前，设置表面塑料泡沫板的方法来防止表面裂缝的产生。采用与空心墩相同的方式方法进行模拟。但由于实心墩体积大，水化温升高，因而要对塑料泡沫板的厚度进行讨论。
泡沫塑料板的导热系数为0.1256错误！未找到引用源。，塑料板在空气中的放热系数为82.2，1cm厚度的泡沫塑料板其等效放热系数为10.89，2cm厚时等效放热系数为5.83，3cm厚时等效放热系数为3.98，5cm厚时等效放热系数为2.44。
当实心墩表面设置厚度为1cm的泡沫塑料板。得到原实心墩应力最大时刻，即浇筑后60小时的面宽方向最大应力为2.07MPa小于之前分析得到的2.60MPa，但仍高于抗拉强度1.38MPa。拉应力较大区域主要分布在浇筑段上表面位置，表面大部分区域拉应力控制在1.2MPa左右。該时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。 表面设置1cm塑料板条件下浇筑后60小时x与z方向空心墩应力图
当实心墩侧面设置厚度为1cm，顶面设置厚度为3cm的泡沫塑料板。得到原实心墩应力最大时刻，即浇筑后60小时的面宽方向最大应力为1.99MPa小于之前分析得到的2.60MPa，但仍高于抗拉强度1.38MPa。拉应力较大区域主要分布在浇筑段上表面角隅位置，应力接近2MPad的区域与顶面设置1cm塑料板相比有明显的减小。表面大部分区域拉应力控制在1MPa左右。该时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。
设置侧面1cm、顶面3cm塑料板条件下浇筑后60小时x与z方向空心墩应力图
当实心墩侧面设置厚度为3cm，顶面设置厚度为5cm的泡沫塑料板。得到原实心墩应力最大时刻，即浇筑后60小时的面宽方向最大应力为1.07MPa小于之前分析得到的2.60MPa，小于抗拉强度1.38MPa。拉应力较大区域主要分布在浇筑段上表面位置，表面大部分区域拉應力控制在1MPa以内。该时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。
设置侧面3cm、顶面5cm塑料板条件下浇筑后60小时x与z方向空心墩应力图
将设置侧面3cm、顶面5cm塑料板条件下实心墩表面最大应力单元的应力时程曲线与混凝土的抗拉强度曲线做出对比，如下图所示。
实心墩最大拉应力与抗拉强度对比
可以发现，实心墩拉应力始终没有超过混凝土的抗拉强度，因而可以有效的避免表面裂缝的出现。使用这种保温的措施来避免开裂，实质是通过增加表面的温度来避免较大的内外温差，对于实心墩来说需要较长的保温时间。
3、结论
通过试验，我们利用有限元软件ANSYS对控制措施进行了模拟计算，得出以下结论：
（1）、对于空心墩，在浇筑开始至浇筑后48小时，表面设置1cm厚的泡沫塑料板，可以使表面最大拉应力一直小于结构最大抗拉强度，有效防治开裂；
（2）、对于实心墩，在浇筑开始至浇筑后80小时，在桥墩侧面设置3cm厚、顶面设置5cm厚的泡沫塑料板，可以有效的避免早期裂缝的出现。
三、裂缝控制措施
对于桥墩结构，温度裂缝控制的核心内容只有两个，一者为提高混凝土的抗拉强度，二者为减小温度荷载。具体说来包括优化混凝土的选材，控制混凝土的温度以及加强施工管理。
1、优化混凝土选材
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，具体说来，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、线胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。
（1）、水泥的选择：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渗入一定量的粉煤灰。至于外部混凝土，除了抗裂性能外，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。
（2）、掺用混合材料：掺用混合材的目的在于降低混凝土的绝热温升、提高混凝土抗裂能力。混合材包括矿渣、粉煤灰、烧粘土等。目前粉煤灰采用较多。
（3）、接用外加剂：外加剂有减水剂、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.它具有减水利增塑作用，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耐久性。缓凝剂用于夏季施工，早强剂则用于冬季施工。
（4）、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。
2、控制混凝土温度
严格控制混凝土温度是防止混凝土开裂的极为有效的措施，具体包括：
（1）、降低混凝土浇筑温度：通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少浇筑过程中的温度回升。
（2）、水管冷却：在混凝土内埋没水管，通低温水以降低混凝土温度。
（3）、表面保温：在混凝土表面覆盖保温材料，以减少内外温差、降低混凝土表面温度梯。
3、加强施工管理
（1）、提高混凝土施工质量：为丁防止裂缝，除了严格控制混凝土温度外，还需要加强施工管理、提高混凝土施工质量。显然，在一个混凝土浇筑块个，混凝土的强度不是均匀的，裂缝总是从强度最低的薄弱处开始的的。裂缝的出现与混凝土的不均匀性有重要关系，当混凝土质量控制不严、混凝土强度离差系数大时，裂缝就多。
（2）、薄层、短间歇、均匀上升：在混凝土浇筑进度安排中，尽量做到薄层、短间歇（5—10d）、均匀上升，避免突击浇筑一块混凝土，然后长期停歇；尤应避免“薄层、长间歇”，即在老混凝土上浇筑一薄层而后长期停歇，经验表明，这种情况极易产小裂缝。
（3）、尽量利用低温季节浇筑基础部分混凝土。
（4）、加强养护：严格控制温度也是施工管理中的一个重要方面。
参考文献：
[1]顾祥林，混凝土结构基本原理（第二版），上海：同济大学出版社，2011
[2]朱伯芳，大体积混凝土温度应力与温度控制，北京：中国电力出版社，1999
关键词：铁路混凝土；温度；裂纹控制
一、裂缝分析理论
1、混凝土裂缝的分类
混凝土是由水泥石和砂、石骨料组成的材料。在硬化过程中，就已经存在微裂缝。微裂缝可以分为在砂浆内部的砂浆微裂缝、砂浆和骨料界面上的粘结微裂缝和骨料内部的骨料裂缝。一般情况下，在构件受力以前混凝土中的微观裂缝主要是前两种；受力以后，微观裂缝联通扩展形成宏观裂缝；再继续扩展，将可能使结构物丧失承载能力。
（1）、按照裂缝出现的时间：可以分为施工期裂缝和使用期裂缝；
（2）、按照裂缝成因：可以分成因材料选择问题，施工不当，混凝土塑性作用，静力荷载作用，温度变化，混凝土收缩，钢筋锈蚀，冻融作用，地基不均匀沉降，地震作用，火灾（烧伤裂缝）以及其他原因形成的裂缝；
（3）、按照形态、分布情况和规律性：可以分为龟裂、横向（正截面）裂缝、纵向裂缝、八字形裂缝、X形交叉裂缝等。
2、裂缝成因与特点
施工期间产生的裂缝
（1）、混凝土塑性裂缝：包括塑性下沉裂缝与塑性收缩裂缝。
塑性下沉裂缝：混凝土自重作用下下沉收到钢筋、模板等的阻挡，延钢筋纵向产生的裂缝。
塑性收缩裂缝：由于大风和高温引起的混凝土表面的干缩裂缝。
（2）、温度裂缝：通常大体积混凝土产生比较大的水化热升温，造成内外环境温差较大，当温度应变超过当时混凝土的极限拉应变时即形成裂缝。这类裂缝通常垂直于构件轴向，有时分布于构件表面，有时贯穿于整个截面。
（3）、约束收缩：收缩引起的体积变化收到约束，轴向垂直或者贯穿整个截面。
（4）、施工质量引起的裂缝：施工时如果没有采用合理的养护方法，在初凝时会出现龟裂，但裂缝很浅。
（5）、早期冻融作用引起的裂缝。
使用期间随时间发展的裂缝
（1）、钢筋锈蚀引起的纵向裂缝：锈蚀物质体积膨胀而致混凝土膨胀
（2）、温度变化和收缩作用：温度和收缩变形收到刚度较大构件的约束而开裂
（3）、地基不均匀沉降；
（4）、冻融循环作用、侵蚀等；
（5）、荷载作用。
综上所述，混凝土出现裂缝有多种原因，主要包括静力荷载、外加变形和约束变形以及施工等方面。工程实践表明，在合理设计、合理施工和正常使用的条件下，荷载的直接作用往往不是形成过大裂缝宽度的原因。很多裂缝是几种原因组合作用的结果，其中，温度变化和收缩作用起着相当主要的作用。
二、工程实例
巴准七标线路起讫里程为：DK85+700～DK95+400，全长9.7Km。标段以桥梁为主，其中特大桥1020.36m/1座，四线桥1335m/5座，大桥2279/11座，中桥110m/1座，最大墩高56米。
为避免混凝土早期裂纹，在桥墩施工过程中，我们从原材料、施工工艺、包括后期养护方面均严格控制，但一直未取得满意的效果。我们分析是否因混凝土水化热引起的混凝土表面产生收缩裂纹。为此，我们选取了一处空心墩和一处实心墩进行试验。
1、桥墩对比应力分析
（1）、空心墩
对于空心墩，我们尝试采取在浇筑开始到浇筑后48小时，即模板拆除前，在表面设置厚度为1cm的泡沫塑料板的方法来对空心墩进行保温，从而降低温度骤降造成的桥墩内外温差，避免开裂的出现。泡沫塑料板的导热系数为0.1256错误！未找到引用源。，塑料板在空气中的放热系数为82.2，1cm厚度的泡沫塑料板其等效放热系数为10.89。
对空心墩进行模拟，仅对表面综合放热系数进行修改来模拟泡沫塑料板，得到原空心墩应力最大时刻，即浇筑后48小时的空心墩表面宽方向最大拉应力为1.18MPa，小于之前分析得到的2.05MPa，分布在浇筑段上表面角隅位置，表面大部分区域拉应力控制在1MPa以内。该时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。
设置塑料板条件下浇筑后48小时x与z方向空心墩应力图
将空心墩表面最大应力单元的应力时程曲线与混凝土的抗拉强度曲线做出对比，如下图所示。可以发现，空心墩拉应力始终没有超过混凝土的抗拉强度，因而可以有效的避免表面裂缝的出现。使用这种保温的措施来避免开裂，实质是通过增加表面的温度来避免较大的内外温差，因而一定要保证保温的时间，维持温差在较小的范围内。
空心墩最大拉应力与抗拉强度对比
2、实心墩
对于实心墩，我们同样尝试采取从浇筑开始到浇筑后80小时，即模板拆除前，设置表面塑料泡沫板的方法来防止表面裂缝的产生。采用与空心墩相同的方式方法进行模拟。但由于实心墩体积大，水化温升高，因而要对塑料泡沫板的厚度进行讨论。
泡沫塑料板的导热系数为0.1256错误！未找到引用源。，塑料板在空气中的放热系数为82.2，1cm厚度的泡沫塑料板其等效放热系数为10.89，2cm厚时等效放热系数为5.83，3cm厚时等效放热系数为3.98，5cm厚时等效放热系数为2.44。
当实心墩表面设置厚度为1cm的泡沫塑料板。得到原实心墩应力最大时刻，即浇筑后60小时的面宽方向最大应力为2.07MPa小于之前分析得到的2.60MPa，但仍高于抗拉强度1.38MPa。拉应力较大区域主要分布在浇筑段上表面位置，表面大部分区域拉应力控制在1.2MPa左右。該时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。 表面设置1cm塑料板条件下浇筑后60小时x与z方向空心墩应力图
当实心墩侧面设置厚度为1cm，顶面设置厚度为3cm的泡沫塑料板。得到原实心墩应力最大时刻，即浇筑后60小时的面宽方向最大应力为1.99MPa小于之前分析得到的2.60MPa，但仍高于抗拉强度1.38MPa。拉应力较大区域主要分布在浇筑段上表面角隅位置，应力接近2MPad的区域与顶面设置1cm塑料板相比有明显的减小。表面大部分区域拉应力控制在1MPa左右。该时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。
设置侧面1cm、顶面3cm塑料板条件下浇筑后60小时x与z方向空心墩应力图
当实心墩侧面设置厚度为3cm，顶面设置厚度为5cm的泡沫塑料板。得到原实心墩应力最大时刻，即浇筑后60小时的面宽方向最大应力为1.07MPa小于之前分析得到的2.60MPa，小于抗拉强度1.38MPa。拉应力较大区域主要分布在浇筑段上表面位置，表面大部分区域拉應力控制在1MPa以内。该时刻表面宽度方向应力分布如下图所示。
设置侧面3cm、顶面5cm塑料板条件下浇筑后60小时x与z方向空心墩应力图
将设置侧面3cm、顶面5cm塑料板条件下实心墩表面最大应力单元的应力时程曲线与混凝土的抗拉强度曲线做出对比，如下图所示。
实心墩最大拉应力与抗拉强度对比
可以发现，实心墩拉应力始终没有超过混凝土的抗拉强度，因而可以有效的避免表面裂缝的出现。使用这种保温的措施来避免开裂，实质是通过增加表面的温度来避免较大的内外温差，对于实心墩来说需要较长的保温时间。
3、结论
通过试验，我们利用有限元软件ANSYS对控制措施进行了模拟计算，得出以下结论：
（1）、对于空心墩，在浇筑开始至浇筑后48小时，表面设置1cm厚的泡沫塑料板，可以使表面最大拉应力一直小于结构最大抗拉强度，有效防治开裂；
（2）、对于实心墩，在浇筑开始至浇筑后80小时，在桥墩侧面设置3cm厚、顶面设置5cm厚的泡沫塑料板，可以有效的避免早期裂缝的出现。
三、裂缝控制措施
对于桥墩结构，温度裂缝控制的核心内容只有两个，一者为提高混凝土的抗拉强度，二者为减小温度荷载。具体说来包括优化混凝土的选材，控制混凝土的温度以及加强施工管理。
1、优化混凝土选材
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，具体说来，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、线胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。
（1）、水泥的选择：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渗入一定量的粉煤灰。至于外部混凝土，除了抗裂性能外，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。
（2）、掺用混合材料：掺用混合材的目的在于降低混凝土的绝热温升、提高混凝土抗裂能力。混合材包括矿渣、粉煤灰、烧粘土等。目前粉煤灰采用较多。
（3）、接用外加剂：外加剂有减水剂、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.它具有减水利增塑作用，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耐久性。缓凝剂用于夏季施工，早强剂则用于冬季施工。
（4）、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。
2、控制混凝土温度
严格控制混凝土温度是防止混凝土开裂的极为有效的措施，具体包括：
（1）、降低混凝土浇筑温度：通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保冷等方法减少浇筑过程中的温度回升。
（2）、水管冷却：在混凝土内埋没水管，通低温水以降低混凝土温度。
（3）、表面保温：在混凝土表面覆盖保温材料，以减少内外温差、降低混凝土表面温度梯。
3、加强施工管理
（1）、提高混凝土施工质量：为丁防止裂缝，除了严格控制混凝土温度外，还需要加强施工管理、提高混凝土施工质量。显然，在一个混凝土浇筑块个，混凝土的强度不是均匀的，裂缝总是从强度最低的薄弱处开始的的。裂缝的出现与混凝土的不均匀性有重要关系，当混凝土质量控制不严、混凝土强度离差系数大时，裂缝就多。
（2）、薄层、短间歇、均匀上升：在混凝土浇筑进度安排中，尽量做到薄层、短间歇（5—10d）、均匀上升，避免突击浇筑一块混凝土，然后长期停歇；尤应避免“薄层、长间歇”，即在老混凝土上浇筑一薄层而后长期停歇，经验表明，这种情况极易产小裂缝。
（3）、尽量利用低温季节浇筑基础部分混凝土。
（4）、加强养护：严格控制温度也是施工管理中的一个重要方面。
参考文献：
[1]顾祥林，混凝土结构基本原理（第二版），上海：同济大学出版社，2011
[2]朱伯芳，大体积混凝土温度应力与温度控制，北京：中国电力出版社，1999