寒区混凝土墩台开裂与对策.pdf
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1、一水利建设与管理 2 0 1 3 年 第4 期 寒区混凝土墩台开裂与对策 王军玺 丁东彦 杨晓琴 ( 兰州交通大学土木工程学院 7 3 0 0 7 0 ) 【 摘要】 高原寒区, 气候恶劣, 混凝土墩台开裂现象普遍, 这是混凝土的收缩和温度变化以及气候条件、 低温早 强耐久性混凝土的使用等多种因素共同作用的结果。本文针对寒区混凝土墩台的裂缝形式及开裂原因, 从混凝土 的原材料选择、 配合比设计、 生产、 运输、 浇筑、 养护、 施工管理等方面为寒区桥梁耐久性混凝土桥墩提 出了裂缝控 制的综合技术措施, 供类似工程参考, 以防止混凝土早期裂缝的产生。 【 关键词】 开裂机理控制措施寒区 墩台 1
2、 引 言 青藏铁路西格二线位于青海省境内, 青藏高原东 北部 , 全线海 拔 3 0 0 0 m 以上 。当地 大气 环 境干 燥 , 少 雨 , 风力强劲 , 太 阳辐射强 , 日温差大 , 风蚀 、 风化现象严 重, 属青藏高原大陆性气候; 部分河流存在氯离子、 硫酸 根离子等有害离子, 对混凝土具有强烈的腐蚀作用。 为了适应当地恶劣的自然条件, 确保混凝土墩台的 耐久性 , 减少混凝土水 化热升温对多年冻土 的热扰动 , 并加快施工进度, 混凝土必须具有良好的早强、 低温负 温强度增长性能, 因此采用低温早强耐久性混凝土。 施工期 问 , 混凝 土墩 台受 到温度 变化 、 徐变 、 干
3、湿 变化 、 自生体积变形等作用。正是由于这一类荷载的 作用 , 墩 台会产生过 大的拉应力而 出现非 结构性裂缝 。 而要通过 工程措施 , 把这一类 荷载所 产生 的拉应力 控 制在允许范围内有一定的难度, 施工期墩台混凝土开 裂一直 是困扰工程 技术 人员 的难题 。因此 , 分 析这 一 类荷载对桥梁混凝土墩台的影响, 并采取相应的对策 有着重要的意义 。 2 墩 台裂缝形式及产生机理 2 1 桥梁墩台裂缝 形式 寒区混凝土桥梁病害调查结果表明, 寒 区耐久性 混凝土墩台在施工期出现不同程度 、 不同形式的裂缝, 是一个相当普遍的现象。具体形式为 : 桥墩中心线附 2 4 近的竖向裂缝
4、 ; 墩台在 日照时间较长侧 的裂缝 ; 墩 台模 板对拉筋孑 L 处的裂缝 ; 墩台模板分块接缝处 的裂缝 ; 桥 墩顶部环 向裂缝 ; 墩 台混 凝土 表面细 小 、 不 规则 、 长短 不一 的裂缝 。 2 2 墩 台裂缝及 其成因分析 混凝 土 墩 台开 裂往 往是 多种 因素共 同作 用 的结 果 , 造成寒区墩台开裂的主要因素有 : 寒冷、 日温差大、 干燥、 多风等恶劣 自然条件 , 以及低温早强耐久混凝土 胶凝材料用量大 、 收缩量大 、 水化热大且释放集 中。 高原寒区特殊的自然条件是混凝土墩台开裂的一 个 主要原 因。我 国高原寒 区 , 尤其是青海 , 位于青 藏高 原东
5、北部 , 海拔 3 0 0 0 m 以上 , 属青 藏高 原大 陆性气 候 。 高寒 干 燥 , 年 平 均 气 温 一 1 46 q C, 极 端 最 高 气 温 3 3 5 , 极 端 最 低 气 温 一 3 7 2 q C,最 大 月 平 均 温 差 2 2 5 , 一年 内冻结期长达 6 8个月 ( 每 年 1 O月 次 年 4 5月 ) , 年蒸发量大 , 达 1 6 3 8 9 m m, 而年平均降水 量只有 2 4 8 5 m m。大 风 ( 78级 ) 频繁 , 多 集 中于 1 0 月 一 次年 4月间。日照时数较长, 太阳辐射强, 日气温 变化剧烈 , 具有“ 一 日四季
6、” 的气候特 征。桥址所 在地 区, 部分河流存在氯离子、 硫酸根离子等有害离子 , 对 混凝土具有强烈的腐蚀作用。 外部环境 因素影 响现浇混 凝土墩 台而产生 的裂缝 主要体现在: 气温骤降、 干燥收缩 、 冻胀、 材料引起的裂 缝等方面。 王军玺等 寒 区混凝 土墩 台开裂与对策 为了适 应高原寒 区恶 劣的 自然环境 , 确保 墩 台 的 长期耐 久性 , 以及加快施工进度 , 混凝土除 了应 具备一 般 高性能 混凝土 具有 的物理力学 性能外 , 还必须 具有 良好的早强、 低温、 负温强度增长的性能, 配合 比设计 根据环境 、 地质条件采用低温早强耐久性混凝土, 且混 凝土配制
7、强度要比设计强度高一个等级。混凝土是一 种不 良的导温材料 , 对于混凝土桥梁墩 台而 言 , 水泥在 水 化 固结 过程 中产生大 量 的水 化热不 易散发 , 会 形成 较高的水化热温升。而 昆 凝土水化放热与其强度同步 发展 , 受环境 温度的影响 , 在混凝土温度变化 过程 中产 生的温度应力往往超过其抗拉强度而导致结构产生温 度裂缝 。所 以耐久性 混凝土的早强与水化热 之间 的矛 盾是影 响墩 台产生施 工裂缝 的另一个主要原 因。 混凝土内部因素影响墩台而产生的施工裂缝主要 体 现在塑性干缩与炭化收缩等方面 。 3 耐久性混凝土墩台裂缝控制综合技术措施 制约混凝土墩台开裂的三个基
8、本因素分别是: 变 形量 的大小 、 抗拉性 能 及约束 条件 。影 响混凝 土 变形 量 大小 的 内因是 混凝土 的材质 , 外 因是混 凝土所 处 的 环境条件。在约束条件 、 自然环境不可改变的情况下 , 墩 台采用低 温早 强耐久 性混凝土 , 其施工 过程要 解决 三个主要问题 : 耐久性混凝土的原材料和配合 比是 基础 ; 施工措施是关键 ; 养护是保证。且应以温度 控制为主线 , 遵从三个基本原则 : 砂、 石等骨料中不 能包含冻块 , 且混凝 土拌 和物应该 具有一定 的温度 , 以 保证在运输和浇筑过程中不致冻结 ; 达到设计强度 的 5 0 前 , 新 浇混 凝 土不 能
9、受 冻 , 以免 内部 结 构受 到 破坏 , 终凝强度损失 ; 混凝土 的内外温差 、 基础 温差 、 上下 温差 等均 不 能超 过规定 的数 值以免产 生裂缝 , 破 坏墩台的整体性 , 降低其承载能力。 3 1 混凝 土原材料选择 设立工地实验室 , 按 照相关 标 准 , 对 进场水 泥 、 砂 子、 石子、 拌和水及外加剂等进行各项性能指标检验, 从 源头上保证混凝土 的质量 。 a 选用中低热水泥品种: 水泥品种的选择应根据 墩台大体积混凝土特点及结构特点, 以水化热控制或 收缩控制为主。必须通过对水泥品种的优选, 选用抗 拉强度较高 、 水化热较低的中低热的水泥品种, 以降低
10、水化热温升 , 减少水泥用量 , 减小收缩量; 采用低碱水 泥 , 同时严格控制骨料 的碱 活性 , 防止碱骨料 反应而产 生膨胀破 坏 。所 需 水 泥宜 采用 品质稳 定 的硅 酸盐 水 泥 、 普通硅 酸盐水泥或矿渣硅 酸盐水泥 , 强度 等级宜为 3 2 5 以上 。 b 掺加外加剂: 为提高混凝土的抗裂性能, 在其 中掺入外加 剂 , 主要包 括 : 减水剂 ( 萘 系 ) , 无 机盐 ( 防 冻 、 早强组分 , 为化学纯 ) , 引气剂 , 以及 D Z系列高性 能耐久性混凝 土外加 剂。 c 优选粗 、 细集料 : 粗集料 : 根据墩 台最小断面 尺 寸和泵送 管径 , 选
11、用较 大粒径 的碎石 或 卵石 。选用 较大尺 寸的粗集料 , 在给定 的水胶 比和稠 度下 , 水和水 泥用量都有所下 降。粗骨料要求粒 径 4 7 53 7 5 m m, 含 泥量 不大 于 1 0 , 质地 均匀 坚 固 , 级 配连 续 , 粒形 良好 、 吸水率低 、 有害物含量少 ; 细集料 : 以级配良好 的中砂 为宜 。在选择 细骨料 时 , 其 细度模数宜在2 6 2 9范围内, 含泥量不大于 3 0 , 其余要求和粗集料 相同。不宜使用石屑、 山砂, 如泵送应尽量降低砂率。 控制砂石 骨料 的碱 活性 、 含泥量 、 针片状含量等 。 d 拌 和水 : 拌 和水 采用 优
12、质河水 , 水 中有 害 物质 含量应符合钢筋混凝 土用水标准 。 e 掺加粉煤 灰 : 为满 足 墩 台施 工 需要 , 混 凝 土应 具有 良好 的黏聚性 和可泵性 , 较低 的水 化热温升 和较 迟 的最高温度 出现 时间 , 以利 于协调温 度应力 和初始 结构强度这一矛盾, 而应用粉煤灰和外加剂的“ 双掺技 术 ” 可达到上述 目标 已成共识 。“ 双掺技术 ” 能 同时降 低水灰 比、 减少水泥浆量 、 减小收缩量。 3 2 混凝 土配合 比设计 墩 台混凝土配合 比设计 除应 满足 强度外 , 还应 尽 量降低水化热温升值、 减小收缩变形。 a 胶凝材料用量 : 从混凝土的工作性
13、能、 强度 、 耐 久性指标 、 总含碱量及经济效益等方面考虑确定胶凝 材料用量。在满足混凝土强度和工作性能的同时, 尽 可能减少对长期耐久性 、 收缩性能的影响, 碱总含量不 2 5 一水利建设与管理 2 0 1 3 年 第 4 期 超过 3 0 k g m 。 b 砂率: 砂率选取要兼顾强度及和易性、 收缩量 等。在满足泵送的条件下尽量减少砂率, 可节省水 泥用量; 砂率增大, 砂浆体积增大 , 和易性好, 易于泵 送, 强度有所下降; 砂率减少则反之; 砂率过大则成 为富浆混凝土 , 造成 收缩量 加大 、 抗裂性 能下 降 , 致 使 墩台表面产生早期裂缝 ( 纹) ; 砂率过小则影响
14、混凝 土工作性能、 耐风蚀性能; 据已建工程成功经验选定 砂率在 3 0 4 0 之问 。 c 外加剂掺量: 外加剂掺量直接影响用水量。为 降低水胶比、 提高强度, 应提高外加剂掺量 , 但掺量过 大会使混凝土离析 、 泌水 , 不利于施工。 d 水胶比: 若水胶 比过大 , 混凝土内部形成空隙 过多, 密实度降低 , 力学性能降低, 影响抗冻、 抗渗等性 能; 若水胶比过小, 则和易性差, 影响施工操作 , 难以振 捣密实, 使得力学性能和耐久性指标降低。经反复试 验证明 , 水胶 比不宜大 于 0 3 9 。 混凝土配合比应参照相关规定, 结合施工条件 , 通 过试验确定。尽量减少水泥用量
15、, 适当减小砂率 , 以降 低混凝土的收缩 、 徐变和碱含量。配合 比设计 经抗裂 、 抗冻 、 抗渗 、 耐风蚀 、 抗腐蚀、 护筋性、 碱骨料反应、 抗氯 离子渗透等八项耐久性指标检验合格后使用。参考组 分配合比为 : 水灰比0 4 0 5 ; 砂率 3 0 4 0 ; 水泥 用量 3 5 0 4 8 0 k g m ; 防冻 剂掺 量 不大 于 4 ; 早 强 剂 掺量不大于2 ; 耐侵蚀剂掺量不大于 1 0 ; 粉煤灰为 水泥重量 1 5 2 0 。 3 3 混 凝土拌 和 a 低温下混凝土的拌制, 宜采用强制式搅拌机。 b 各种原材料的加热温度按以下要求控制 : 水 泥 、 外加剂均
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