摘 要 分析福厦铁路客运专线Ⅱ标段混凝土空心桥台台身产生裂纹的原因, 介绍其防治措施。
关键词 大体积混凝土 温差应力 裂纹 预防措施
新建福州—厦门铁路客运专线, 设计时速250km、采用有碴轨道结构。站前工程Ⅱ标段先行施工完成的秋芦溪特大桥、东大溪中桥、西山特大桥桥台台身相继发生竖向裂纹, 其裂纹位置近乎相同。这一质量问题引起了施工、业主和监理单位的高度重视,多次召开现场讨论会分析原因, 研究防治方案和整改措施, 经验教训收获甚多。本文对此作一介绍。
1 桥台及施工概况
福厦线桥台均采用《福厦施桥参058参考图》设计, 为双线矩形混凝土空心结构, 空心截面壁墙最薄为120 cm, 按施工技术指南要求属于大体积混凝土,台身采用C30混凝土浇筑。结构尺寸见图1。产生裂纹的桥台分别为东大溪桥3号台、秋芦溪特大桥0号台和26号台、西山特大桥0号台。桥台
均采用竹胶模板、木框架和钢脚手支架, 一次拼装成型, 分别于2006年10月6日～2007年2月8日完成施工。设计考虑了混凝土抗侵蚀, 使用江苏双猴牌矿渣P.O42.5水泥, 施工配合比掺加粉煤灰, 掺加防腐剂3.8 % , 采用泵送浇注。东大溪桥3号台身分两次灌注, 其余均一次灌注成型。4座桥台施工期间均是当地低温季节, 气温为13～28℃。混凝土入模温度最高27℃, 入模前实测坍落度为130～160 mm。混凝土浇筑后均采用表层覆盖洒水养护, 模板外部未包裹, 带模养生不少于14天。裂纹均在拆模后3～7天发现, 大多为竖向裂纹, 空腔内有两道水平缝, 位置分别位于桥台外表面和空腔内墙壁, 宽0.05 ～0.15mm, 探测深度在保护层范围内。发现裂纹后即对部分裂纹采取抹水泥条和贴片观察, 未见发展。秋芦溪特大桥台身裂纹示意见图1。
2 裂纹原因分析[ 1 ] , [ 2 ]
2.1 从施工条件分析
(1) 大体积混凝土在硬化期间释放大量水化热,竹胶模板散热较慢, 促使结构内部温度升高。带模洒水养护, 达不到结构侧面散热作用, 混凝土内部积温较高。
(2) 拆模过程中和拆模后, 没有对台身进行包裹保温隔热, 加大了混凝土表面与内部温差, 造成混凝土表面较大的温差收缩应力。
(3) 泵送混凝土每立方配合比水泥用量312 kg、粉煤灰用量83 kg, 胶质材料用量较大, 混凝土收缩性较大。
2.2 从内力角度分析
(1) 内力一般是结构不对称自重偏载和大体积混凝土温度收缩应力。该桥桥台结构不对称, 但拆模时间较晚, 混凝土强度很高, 台身能够承受自重, 没有其它偏载作用。台身实体尺寸较大, 产生混凝土水化热温差应力因素较大。
(2) 从温度应力来判断, 混凝土中粉煤灰含量较大, 水化热高峰期相对普通硅酸盐水泥滞后, 拆模时混凝土核心温度偏高。台身拆模后结构内外温差较大, 表面收缩应力超过当时混凝土的抗拉强度, 从而导致裂纹。温差应力应该是主要因素。
2.3 从结构特征分析
4座桥台竖向裂纹几乎产生在相同位置, 表明裂纹有规律性。从台身混凝土水化热温度场看出, 裂纹大多产生在截面核心温度场结构尺寸的薄弱部位。结构表面横向温差应力使得裂纹定向化, 裂纹与结构的特殊性有了内在联系, 是产生裂纹的次要因素。台身混凝土水化热温度场示意见图2。
2.4 从混凝土性能分析
大体积混凝土结构, 温度内部高, 外部低。当混凝土裸露后急剧冷却收缩时, 外部混凝土质点与混凝土内部质点之间相互约束, 表面产生收缩拉应力; 内部降温慢, 受到自约束产生压应力。最大温差应力可用“品茗计算公式”计算
式中 σt , σc 分别为混凝土的拉应力和压应力,N /mm2 ; E ( t) 为混凝土的弹性模量, N /mm2 ; α为混凝土的热膨胀系数, 1 /℃; △T1 为混凝土截面中心与表面之间的温差, ℃; ν为混凝土的泊松比, 取0.15～0.20。
当由(1) 式计算的σt 值, 小于该龄期内混凝土的抗拉强度值时, 表示不会出现表面裂纹, 否则可能出现。
该桥拆模后环境温度平均按20℃、拆模龄期按20天考虑, 理论计算的结构内部最高温度为58℃。实际监控的结构内部最高温度为56℃。裂纹发生在浇筑15天以后, 根据理论计算曲线和实测记录结果,结构核心最高温度按45℃验算, 混凝土水化热温升曲线见图3。从图3可以看出, 在水化热高峰期过后,实测温度曲线比理论计算下降快, 说明台身裸露后散热速度加快。
(1) 如C30 混凝土弹性模量取E0 = 3.15 ×104N /mm2 , α= 1 ×10 - 5 , △T1 = 30.00℃, ν = 0.18,则混凝土在20 d 龄期的弹性模量由相关公式计算得E(20) = 2.63 ×104 N /mm2。
(2) 由公式(1) 计算得温差引起的混凝土最大拉应力σt = 5.34 N /mm2 ; 混凝土最大压应力σc= 2.67 N /mm2。
(3) 由20 d龄期的抗拉强度公式计算得ft ( 20)= 1.36 N /mm2。
(4) 安全系数Kt 取1.2, 则kt σf > ft ( 20) , 说明混凝土内部温差引起的拉应力大于该龄期内混凝土的拉抗强度, 以致台身容易产生裂纹。
当龄期到达30 天时, 台身裸露在20℃温度条件下, 结构内温度为38℃时, 计算内外温差产生的最大拉应力σ30 = 4.30 N /mm2 , 30 d 龄期的抗拉强度ft (30) = 1.48 N /mm2。这个结果显示素混凝土表面抗拉强度增长很慢、抗拉能力很小, 必须采取增强抗裂强度或者控制内外温差的措施, 方能避免裂纹的产生。
3 裂纹预防措施[ 3 ] , [ 4 ]
(1) 严格控制混凝土源头的温度和水化热量:①采用低水化热水泥, 优化施工配合比, 减少水泥和粉煤灰掺量; ②严格控制混凝土搅拌、出罐、入模温度, 入模不得超过30℃。若超过限值, 搅拌水掺加冰屑降温; ③采用缓凝混凝土, 放慢灌注速度, 延长凝固时间; ④施工采用薄层浇捣、均匀上升, 以利于散发热量。
(2) 严格控制混凝土养护温差: ①在高温季节增设冷却管降低内部水化热; ②适当延长养护时间,带模养护不少于15 天; ③包裹模板, 保持模板内外温差不大于15℃; ④拆模要快速, 确保混凝土结构内部与表面温差不大于15℃, 表面与包裹的棚外温差不大于15℃。拆模后迅速包裹台身并洒水养生; ⑤在混凝土终凝以后逐渐对空腔储水吸热, 以吸收混凝土水化热。空腔孔口加盖保温。
(3) 对台身温度场薄弱处增加抗拉温度钢筋。
4 效果与建议
(1) 素混凝土结构施工预防裂纹, 应重点控制拆模后的保温隔热养护措施, 养护时间应不短于20天。
(2) 对于重要建筑物, 考虑结构的耐久性需要,增加温度钢筋是非常必要的。
(3) 4座桥台空腔内产生两道水平裂纹的原因尚待进一步分析研究。
(4) 在东大溪桥和西山特大桥的剩余桥台施工中, 采取了空腔蓄水、台身拆模包裹保温、对易裂位置增设温度钢筋等预防措施, 并加强了施工管理, 拆模观察一个月未发现裂纹, 施工质量达到了预期效果。
参考文献:
[ 1 ] 建筑施工计算手册[M ]. 中国建筑工业出版社, 2003. 6.
[ 2 ] 混凝土结构设计规范(GBJ I0 - 89) [ S].
[ 3 ] 铁路混凝土工程施工技术指南(经规标准[ 2005 ] 110号) [ S].
[ 4 ] 客运专线铁路隧道工程施工质量施收暂行标准(铁建设[ 2005 ] 160号) [ S].
