20米预应力砼空心板蒸养裂降的原因分析及对策.docx

20米预应力砼空心板蒸养裂降的原因分析及对策

内容提要 结合20米预应力砼空心板蒸养裂缝的工程实例，对裂缝产生的影响因素和原因进行了详细分析，并提出了裂缝控制的措施和关键。
关键词 砼收缩 温降 极限拉伸
1、20米预应力砼空心板的工程概况
1.1 20米预应力砼空心板的工程条件
（1） 设计上
预应力砼空心板设计板长20米，板宽1米和板高0.8米。顶、底、腹板的最大板厚为0.3 米，表面系数为16% 。配筋率为0.2 %，平均钢筋直径为 16 cm。砼标号为C50。
（2） 砼原材料状况
水泥采用525#普通硅酸盐水泥，磨度系数中等。粗骨料采用5-31.5mm连续级配碎石，含泥量和针片状含量均偏高。黄砂为中粗砂，含泥量较小。采用JB202缓凝高效减水剂。
（3） 砼施工配合比
砼施工配合比为：水泥:砂:碎石:水:外加剂=1:1.354:3.014:0.38:1.5%.水灰比0.38,含砂率31%，水泥用量为421-440kg/m3。
（4） 养护及模板
采用蓬布加草袋本覆盖通蒸汽养护。模板采用钢模板，台座采用水磨石砼，表面涂刷隔离剂。
（5） 施工工艺

4小时
砼浇筑 覆盖 板上部蒸养（35℃）

6-7 小时
抽拨胶囊 腔内蒸养（40℃） 降温(与外

2小时 0.5-1小时
界温差小于15 ℃) 拆除钢模、覆盖 蒸

8 小时
养（40℃） 自然降温 ( 砼到要求强度 ) 放张。

1.2 板蒸养裂缝的产生和性状
施工过程中发现板的蒸养裂缝均发生在拆除钢模、覆盖时段，气温低，风速大的情况较多。有时拆除钢模过程因准备不充分，工作脱节而过程时间较长，裂缝最为明显。
蒸养裂缝的工程性状主要表现为以下几个方面：
（1） 砼裂缝为竖向裂缝；
（2） 裂缝多发生在板的中间部位。有时发生多道裂缝，裂逢间距基本一致；
（3） 裂缝以侧面上部为多，有时和顶部形成半个环形。
2、影响板蒸养裂缝的因素和原因
2.1 影响板蒸养裂缝的因素
板蒸养裂缝的工作机理为：砼温度下降和收缩引起的形变受板底台座和钢铰线等的约束，致使板砼的拉伸变形超过其极限拉伸值而产生开裂。板的蒸养裂缝决定于砼收缩、温降和极限拉伸三大指标，然这三大指标又受设计、原材料、配合比及养护等诸多方面因素的影响。具体工程条件因素对砼收缩、温降和极限拉伸的影响见下表1。

2.2 板蒸养裂缝的原因分析
（1）砼收缩、极限拉伸随龄期的变化
根据经验，一般地砼收缩随龄期的变化为
εy（t）=εy o（1- e b t） 式（1）
式中 b——一般取0.01，养护较差取0.03，
t以天为单位。
拆除模板时龄期约1天，蒸养收缩约为0.02×10-4；考虑拆模过程风速大，表面系数大其收缩约为0.06×10-4，合计约0.08×10-4。
砼蒸养1天相当于正常养护5天左右，极限拉伸提高较快。砼极限拉伸一般可按下述表达式计算
εp（t）=0.8εp o（l0g t）2 / 3
t=5天的εp（5）为1.17×10 - 4
蒸养2-3天相当于正常养护8天，其极限拉伸εp（8）为1.38×10 - 4。
（2）砼温降、收缩和极限拉伸对板蒸养裂缝的影响程度在拆除模板时，由于降温速度快不应考虑为慢速荷载，砼极限拉伸值为0.78×10-4。砼最高温度数包括水化热温升约48℃，大气温度为5-15℃，考虑拆除模板过程降温时间较短，实际降温约25℃左右，砼线膨胀系数按1×10-5计，则砼温降形变为2.5×10-4。其值为极限拉伸的3.2倍，为砼收缩的31倍。在放张前，砼极限拉伸为1.38×10-4，温降形变为3×10-4，砼收缩约为0.1×10-4。则温降形变为极限拉伸2.2倍，为砼收缩的30倍。
由上述分析可知，对于板的蒸养裂缝，温降影响最大，与主导地位，极限拉伸也较重要，砼收缩的影响很小。
（3）引起板蒸养裂缝的主要原因
从板蒸养施工工艺和温降、收缩及极限拉伸对裂缝的影响程度分析，可以说拆除模板时间过长，降温过程较快是板蒸养裂缝的最主要原因。其次，拆除模板时气温低，风速大并拆除过程时间长也主要原因。
3、板蒸养裂缝的控制措施及关键
基于上述蒸养裂缝的影响因素及原因分析，对板的蒸养裂缝应采取以下措施：
（1）在拆除模板前对板的温度进行预降，降温速度尽可能的慢一些（选5-10℃/小时），以使砼徐变，增大极限拉伸；
（2）推迟拆除模板的时间，继续蒸养5小时，这样砼极限拉伸可得到较大提高；
（3）做好拆除模板的准备工作，缩短拆除模板过程板暴露于大气中的时间，以减小温降值；
（4）选择较高气温的时段进行模板或保温设施的拆除，有利于温降值减小。特别是应避开风速较大的时段或采取特殊措施；
（5）若上述措施采取后还不能避免蒸养裂缝，则应减小前期蒸养温度或整个蒸养温度降低，相应延长蒸养时间以减小温降值。
（6）通过原材料、配合比等改进提高砼极限拉伸，降低水化热温升峰值。
在（1）—（6）项控制板蒸养裂缝的措施中，应该说（1）—（4）项均较重要，特别是（1）、（2）两项是关键。
4、结语
（1）工程实践中，针对板蒸养裂缝，对温降这一关键原因采取了有效措施，取得良好的成效；
（2）盲目地对砼收缩甚至极限拉伸采取措施，不仅起到控制板蒸养裂缝的效果，而且会无端增加施工难度和工程成本。
（3）板的蒸养工艺势必引起预应力损失，因素钢铰线的张拉吨位应予调整。这一课题有待于进一步探讨；
（4）若预应力值预先调整后，钢铰线的放张只需砼达到设计要求强度，无需降温后拆除保温设施后就可进行。这样可较大幅度减小放张前的温降值。

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浙江省大成建设集团有限公司

预应力混凝土空心板蒸养裂缝的研究

章瑞文 浙江省大成建设集团有限公司

内容提要：分析了预应力混凝土空心板蒸养施工过程的受力状况，推导了板内砼最大拉应力和裂缝间距的计算公式；并对影响裂缝的因素进行了详细分析，提出裂缝控制的关键。
关键词：最大拉应力 裂缝间距 极限拉伸
1、问题的提出
预应力混凝土空心板冬季施工采用蒸汽养护是较为常见的方法。采用蒸汽养护可有效地提高梁板的预制进度。然而在蒸养过程若对板的受力状况和开裂原因缺乏充分的认识，对某些环节未加重视往往会引起板的开裂。裂缝发生后若对关键因素采取针对性措施则完全可以避免；否则，盲目采取措施裂缝得不到有效控制且会无端增加成本，甚至最终对蒸养方法的可行性怀疑。不少学者对此问题已进行过探讨、研究，积累了许多经验。本文基于前人的经验，对预应力混凝土空心板蒸养裂缝的拉应力，裂缝间距计算方法，各因素的影响程度进一步探讨。以望蒸养裂缝问题研究的促进并供工程实践参考。
2、板蒸养引起混凝土拉应力、裂缝间距的计算公式推导
2.1 板蒸养过程的受力状况
板在蒸养预制过程不受任何外荷载作用，但其温度降低、收缩引起的开变受到板底台座和钢铰线等的约束，板沿纵向将产生较大拉应力。板的受力状况如下图1所示。

在上述受力状况下，板在跨中部位拉应力最大，而对于板来就其高度远小于0.2倍的长度，板靠近中部可以认为全截面均匀受力。
2.2 板最大拉应力计算公式推导
根据图1，在板底的任意点X处取d x 体，列出平衡方程∑X=0
式（1）
根据边界条件解此微分议程得：

任意点上位移 ：

根据边界条件解此微分方程得：

砼考虑徐变引起的应力松驰为：

上述公式中
E、α ——砼弹性模量和线膨胀系数；
T ——砼温降、收缩引起的当量温差；
L、H——板的长度和高度；
CX——地基水平阻力系数；
H（t、τ）——砼应力松驰系数。
2.3 板的裂缝间距计算公式推导
当砼水平拉应力达到抗拉极限强度，砼的拉伸变形达到极限拉伸值，故：

此状态下提取L即为伸缩缝最大间距

如果结构物的长度超过伸缩缝间距上，则此伸缩逢间距就是裂缝间距，故最大裂逢间距

式中，εP——砼的极限拉伸，其它同上。
3 影响板蒸养裂缝的因素
从上述板蒸养过程砼最大拉应力，裂缝间距的计算公式中
可知，影响板蒸养裂缝的因素有板的高度、长度；板底水平阻力系数；砼的弹性模量和极限拉伸；砼的温降和收缩。在一定施工条件下，极的长度、高度和板底水平阻力系数应该是确定值，因此，影响板蒸养裂缝的因素主要是反映形变的砼温降和收缩以及反映砼抗裂能力的极限拉伸。
（1）砼的温降
在整个蒸养施工过程，先期升温阶段砼还基本处于塑性状态，其产生的压应力较小；而到拆除模板或保温设施时，砼已成固态，温度的降低会引起较大拉应力，砼的温度是包括环境温度和水化热温度，对于板厚较薄、表面系数较大的空心板，其水化热升温并不很高，一般在5-8℃之间。砼徐变引起的松驰与时间成正比，砼温降的有效拉应力也与时间密切相关，温降越快有效拉应力越大，砼的水化热决定于水泥品种、水泥标号和水泥用量，模板及保温条件也有一定的影响。
（2）砼的收缩εy
一般地砼的标准极限收缩值εy为3.24×10-4(以结构的相对变形表示)砼的收缩它随时间不断增长,在任意时间的收缩值可表示为:
εy(t )= εy o (1- e –b t ) M1M2……Mn 式(16)
式中 b——经验系数，一般取0.01，养护较差时取0.03，t以天不单位；
M1……M n——各非标准条件的修正系数。
影响砼收缩的主要因素有水灰比、水泥用量、水泥品种、粗骨料砼质及级配、黄砂细度及含泥量、养护的保湿和风速，配筋率及钢筋直径等，对于板的蒸养裂缝，砼收缩所关心的是放张前的前期收缩值。
（3）砼的极限拉伸
砼的弹性模量、抗拉强度和极限拉伸均是反映砼抗裂能力的技术指标。对于变形引起的裂缝问题，仅以抗拉强度来衡量是不全面的，最重要的是材料的抗变形能力，即极限拉伸。砼的极限拉伸就是砼在开裂前的最终相对拉伸变形值。它同砼弹性模量、抗拉强度一样，随着龄期不断提高。其任意时间值可表达为：
εp（ t）= 0.8εp o（Log t ）2 / 3 式（17）
式中εp o——砼极限拉伸终值，t以天为单位，
砼的根限拉伸主要与砼强度，粗骨料状况、配筋状况、荷载速度及徐变等因素相关。对于砼构件，其极限拉伸可按下式计算
εp o=0.5 R f（1+p/d） 式（18）
式中R f ——砼设计抗拉强度
p、d——配筋率及钢筋直径。
一般地，对于形变荷载砼极限拉伸值约为1—1.6×10-4，考虑砼的徐变，砼的极限拉伸可提高1.1—1.6倍。
3.2 各因素对板蒸养裂缝的影响程度
板的蒸养裂缝发生在蒸养2—3天拆除模板或保温设施后，此时砼的弹性模量、极限拉伸相当于正常养护6—7天之值，约为0.4Eo和0.677εp o ，对于C50板，考虑各施工条件影响，弹性模量约为1.4×10-4Mpa，极限拉伸为1.14×10-4砼蒸养2-3天后其收缩值考虑各因素约为0.08×10-4，再考虑拆除模板或保温设施时可能风速大短时间收缩为0.07×10-4，故砼收缩值0.15×10-4。对于蒸养一般在40—60℃，大气温度为5℃左右，其降温值可能为40℃左右，按砼线膨胀系数为1×10-5计，则降温引起的形变为4×10-4
从上述分析可以看出，温降引起的形变约为砼收缩的20多倍，是极限拉伸的3.5倍，因此，对于板的蒸养裂缝，温降是最主要的因素，砼弹性模量、极限拉伸也较为重要，砼收缩的影响最小。
4、板蒸养裂缝的有效控制及关键
由上述分析可知，对于板的蒸养裂缝可采取下列措施：
（1）延长降温过程，使砼有一定时间的答变应力松驰，提高砼极限拉伸；
（2）加快中间拆模的操作时，使温度下降和收缩值减小；
（3）改善配合比，提高砼强度等级，降低水泥用量，以利降低水化热和提高极限拉伸；
（4）采用高效减水剂，降低水灰比等降低砼收缩；
（5）选择较高气温时间拆除模板和保温设施。
上述措施中（1）、（2）、（5）有效性较强，（1）是最为关键的措施。虽然《公路桥涵施工技术规范》对板蒸养制定了许多规定，但若施工现场因许多实际情况还发生裂缝，则有必要降低蒸养温度和延长时间，以便从根本上解决蒸养裂缝的关键问题。
以上是笔者对预应力砼空心板蒸养裂逢控制理论和实践的一些粗浅认识，难免不足之处敬请指正。

参考文献：《工程结构裂缝控制》王铁梦著 中国建筑工业出版社
图1板受台座约束的力学计算简图