预应力混凝土箱梁水化热裂缝控制与预防.pdf

第 3 7卷 ， 第 2期 2 0 1 2年 4月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 7，No 2 Ap r， 2 0 1 2 预应力混凝土箱梁水化热裂缝控制与预 防 王 金海 ( 湖南省交通科学研究院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 1 5 ) 摘要 】目前 大跨 预应 力混凝土箱梁桥 的早期 开裂 现象较为普遍 ， 已成 为桥梁工程 界极 为重视 的重大技术 问题 。水 化热是 引起 混凝 土箱梁早期裂缝 主要原 因之 一。以某箱梁桥水化热实测数据为基 础 ， 探讨 不同配合 比条 件下水 化热 对箱 梁混凝土早期开裂 的影 响， 结果表明 ： 过 高的水化热是引起箱梁腹板早期开 裂的主要原 因之一 ， 实 际施 工可在混凝土中掺人 适量粉煤灰 ， 以减 少水 泥用量从 而 降低 混凝 土的水 化热 ， 就该 桥测试 数据 而言 ， 掺人 了 1 8 的粉煤灰可显著 的降低箱梁混凝土水化热 的影响 。大跨 预应力 混凝土箱梁 桥施工早 期应采 取有效 措施使结 构 的内外温差控制在 3 O以内。 关键词 】混凝土箱梁桥 ； 水化热 ；早期裂缝 ；内外温差 ；水泥用量 中图分类号 U 4 4 6 1 文献标识码 】A 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 7 2 0 4 Co n t r o l a n d Pr e c a u t i o n t h e Ea r l y Cr a c k s o f Hy d r a t i o n He a t i n PC Bo x Gi r d e r Br i d g e s W ANG J i n h a i ( H u n a n C o mm u n i c a t i o n s R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a n g s h a ， Hu n a n 4 1 0 0 1 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t A t p r e s e n t， t h e e a r l y c r a c k s p h e n o m e n a o f l o n g s p a n p r e s t r e s s e d c o n c r e t e b o x g i r d e r i s c o mmo n ， whi c h h a v e c o me t o b rid g e e n g i n e e r s a t t e n t i o n Hy dr a t i o n h e a t i s o n e o f t he ma i n r e a s o n s f o r e a r l y c r a c k s Ba s e d o n t h e t e mp e r a t u r e fie l d o f PC b o x g i r d e r wi t h d i f f e r e n t c o nc r e t e p r o p o i o n d u r i n g h y d r a t i o n ，t h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e d t h a t h y d r a t i o n h e a t wa s o n e o f t h e ma i n r e a s o n s wh i c h c a us e d t h e e a r l y c r a c k s i n t he we b o f b o x g i r d e r I n a d di t i o n ， Ad d i n g a p p r o p r i a t e a mo u n t o f fly a s h i n c o n c r e t e c a n r e d u c e t h e d o s a g e o f c e me n t c o nc r e t e S O a s t o r e d u c e t h e h y d r a t i o n h e a t ，b a s e d o n t he t e s t d a t a，mi x e d wi t h 1 8o f fly a s h c a n s i g n i fi c a n t l y r e d u c e t he i n flu e n c e o f t h e h y d r a t i o n h e a t c o n c r e t e b o x g i r d e r Ef - f e c t i v e me a s u r e s s h o u l d be t a k e n t o c o n t r o l t h e t e mp e r a t u r e d i ffe r e nc e b e t we e n t h e i n s i d e a n d t h e s u rfa c e l e s s t h a n 3 0 c I = Ke y w o r d s P C b o x g i r d e r b r i d g e s ； h y d r a t i o n h e a t ； e a r l y c r a c k ； t e m p e r a t u r e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e i ns i d e a n d t h e s u r f a c e；c e me n t c o n t e n t 0 引言 我国大跨预应力混凝土箱梁桥一般按全预应力 设计 ， 在结构形成 以及结构形成后运 营的全过程内 理应不出现结构开裂 ， 然而在桥梁的施工 和营运期 间箱梁上均普遍存在开裂现象 ， 早期裂缝 的成 因复 杂 ， 可能是设计缺陷、 混凝土原材料选择和配合 比选 择不当， 施工和养护欠周全等诸多因素的综合作用， 其 中施工 期间混凝 土水化热 的影 响应不容忽 视 。 一 川。 大跨预应力混凝土箱梁桥根部截面尺寸较大， 统计资料表明 ： 跨径在 2 0 0 m左右的大跨预应力混 凝土箱梁桥 ， 其墩顶 l号块 的腹板厚度可达 1 m左 右 ， 0号块由于横隔板的影响厚度 更大， 另外， 大跨 预应力混凝土箱梁桥箱梁混凝 土设计强度一般在 5 0 MP a以上 ， 这些高强混凝土的水泥用量较大。此 外 ， 由于箱梁 自身的外形特征和施工条件 的限制， 不 利于混凝土的现场养护。基于上述原 因， 水化热问 题 已成为大跨预应力混凝土箱梁桥施工过程 中的一 个突出问题 ， 越来越引起桥梁工程界的重视 。 本文对某施工中的大跨预应力混凝土箱梁的水 化热进行 了现场测试 ， 得到 了高强混凝 土温度发展 收稿 13期】2 0 1 2 0 2 2 2 【 作者简介 】： E ( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 湖南津市人 ， 工程师 ， 注册咨询工程师 ， 造价工程师 ， 一级建造 师， 主要从事公路桥梁设计。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王金海 ： 预应力混凝土箱梁水化热裂缝 控制与预 防 1 7 3 规律。基于测试结果对该大跨预应力混凝土箱梁桥 的早期开裂原因作 出合理解释 ， 并对大跨预应力混 凝土箱梁桥施工期水化热的控制提出合理建议。 1 混凝土 的水化 热及 其温致效 应 1 1 大体积 混凝 土 的定义 水工结构 的大坝、 大型建筑的基础 以及桥梁工 程中的大体积锚锭和大型承台均属于典型的大体积 混凝土。但 目前学术界和工程界对于大体积混凝土 并没有统一的定义。 国内相关行业标准和规范对大体积混凝土的定 义有 以下几种 ： 大体积混凝土施工规范 规定 大体 积混凝土为最小尺寸达 1 m， 其水化热可能会导致 温致裂缝 的混凝 土 。 公路桥涵施工技术规 范 规定 ： 大体积混凝土最小尺寸应在 13 m， 且 内外 温 差 不 得 超 过 2 5 o 【 = 7 1 。 日本 建 筑 学 会 标 准 ( J A S S 5 ) 认为大体积混凝土最小尺寸应在 0 8 m 以 上 ， 预计水化热温升与环境温度差值 大于 2 5 c I = 。 国际预应力 协会规定 ： 凡是一次浇注尺寸大于 0 6 m， 特别是水泥用量大于 4 0 0 k g m 时， 应考虑水化 热影 响 。 参考 目前国内外相关行业标准和规范对大体积 混凝土的定义 ， 大跨 预应力混凝土箱梁桥根部截面 基本达到大体积混凝土要求 ， 施工期 间的水化热问 题应不容忽视。 1 2水化 热 的发 展 随着水化热的进行 ， 混凝土的强度和弹性模量 不断增长 ， 结构 的应力场亦随之不 断变化。按其发 展过程 ， 大体积混凝土的温致应力可 以分为以下 3 个 阶段 ： 早期应力 ：从 混凝 土人模到放热作 用大致 完成。此时混凝土的弹模快 速增 长， 水 泥的放热量 较大 ， 混凝土的温度急剧升高 ； 中期应 力 ：从 水 泥 放 热 作 用 基 本 完 成 至 其 温度大致稳定。此时混凝土的弹模变化较小 ， 温度 应力主要由混凝土降温所引起； 晚期应力 ： 混凝土结构温度大致稳定之后 ， 其温度应力主要受 到环境温度场的影响， 并与之前 的残余应力相叠加 。 对于复杂的大体积混凝土结构 ， 其温度场的求 解为二维或者三维问题 ， 一般采用有限元方法进行 求 解 。 2水化热实测 2 1 水化 热测试 基本情 况 某预应力混凝土连续刚构桥， 主跨 1 9 0 m。采 用悬臂施工法施工 ， 共分为 2 1个梁段。其中 0号块 腹板厚度 1 m， 11 0号块腹板厚度为 0 7 m， 1 2 2 l 号块腹板厚度为 0 5 m， 1 1 号块腹板厚度渐变。 施工过程中发现 5 8 墩右幅 0号块和 1号块腹 板均有不 同程度的开裂 ， 检测发现这些裂缝 只在当 前施工梁段内发展 ， 腹板内外贯通 ， 裂缝与水平方 向 的夹角约为 1 5 。 一 4 0 。 ， 裂缝宽度 为 0 0 5 0 3 mm， 且在拆模时就已产生， 裂缝形态如图 1所示。为研 究裂缝成因， 在 5 8 墩右幅箱梁 2号块腹板进行 了 水化热测试。发现 裂缝之后， 有关各方采取了积极 的措施 ， 调整 了配合 比， 调整前 、 后 配合 比对 比于表 1 所示 ， 为检验调整配合比后 的效果， 施工过程中同 时对 5 8 墩左 幅 2号块腹 板也 进行 了水化 热测试 。 图 1 某预应 力混凝土连续 刚构桥腹板裂缝 Fi g ur e 1 Th e c r a c k i n t he s u r f a c e o f b o x g i r d e r o f g PC b r i d g e 表 1 某预应力混凝土桥混凝土配合 比 T a b l e 1 T h e mi x t u r e r a t i o f o r t h e P C b r i d g e ( k g m ) 该桥混凝土设计强度等级为 C 6 0 。水化热温度 测试主要测量箱梁外大气温度、 箱梁内大气温度 、 混 凝土内部温度场、 箱梁内外表面温度等 。测试时间 ： 2 0 1 0年 1 1月 1日 1 2 ： 0 0至 1 1月 7日， 对该桥右幅 箱梁 2号块进行 了长达 1 6 3 h的连续观测 ， 前 7 2 h 测试间隔 2 h ， 其它测试间隔 3 4 h不等。2 0 1 1年 1 月 1 1日 1 5 ： 3 0至 1月 1 7日， 对该主桥箱梁左幅 2 号块进行了长达 1 4 7 h的连续观测 ， 前 7 2 h测试间 隔 2 h ， 其它测试间隔 3 4 h不等。箱梁混凝土内 部温度通过预埋温度传感器测试， 大气温度及混凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 4 公路工程 3 7卷 土表面温度采用点式温度计观测 ， 沿腹板厚度方 向 布置 5个测点 ， 从外 至内依次为 15 ， 具体测点布 置 如 图 2所示 。 箱 气 梁外部大 筘 粱 驽 本 温 度 测 点 画 上 团气温度测点 一、 游 5 0 f 5 o $ 腹 漪 圆嚣 蓑 匝 点 ： ： 一： ： ：一一一： 温度传感器 口 第一次浇筑混凝土 图 2 箱梁水化热温度测点布置示意图( 单位： c m) Fi g ur e 2 Th e h y d r a t i o n h e a t me a s ur e p o i nt o f t h e PC b r i d g e 2 2水 化 热 测 试 结 果 2 2 1 右幅 2号块水化热测试结果 5 8 墩右幅 2号块 的水化热测试结果如图 3所 示 ， 由图 3可 知 ：2号 块腹 板混 凝 土人 模 温度 为 3 6 0 o C， 在浇筑后 1 8 h达到峰值温度 7 3 5。腹 板表面和中心测点 的最大温差在混凝土浇筑后 1 2 4 0 h内始 终在 2 5 以上 ， 在 2 03 2 h内 大于 3 0 0 c I = ， 最大 内外 温差 为 3 6 0 ， 内外温差约 5 d 达 到稳 定 。 2 2 2左 幅 2号 块水 化热测 试结果 左幅 2号块 的水化热测试结果如图 4所示 ， 由 图 4可以发现 ：箱梁 内外大气 温度变化周期 较相 似， 步 调 基 本 一 致。箱 梁 外 部 大气 最 高 温 度 为 1 3 ， 最低温度为 2； 箱梁内部大气最高温度 为 2 O， 最低温度为 5 ， 腹板混凝土人模 温度均值 为 1 0 9 ， 混凝 土在其浇筑后约 2 9 h达到最大温 度 5 7 5 ， 温升 4 5 0 ， 并 均持续约 5 h ( 见 图 4 ( b ) ) 。整个水化过程 中上游腹板 内外温差最大值 为 2 8 5( 见图 4 ( C ) ) 。表面受大气温度的影响 ， 腹板 内测点的温度要高于外测点的温度。 公路桥涵施工技术规范 规定 ： 大体积混凝 土为最小边尺寸在 1 3 m范围内的混凝土， 该桥 2 号块腹板( 厚 0 7 m) 接近大体积混凝土 ， 水泥用量 较大 ( 4 9 0 k g ) 且入模温度过高但并未采取特别的养 护措施 ， 致使腹板混凝土在浇筑后产生较 大的内外 温差( 3 6 0 o C) ， 导致腹板在养护期 间即出现裂缝 ； 调整混凝土配合 比之后 ， 其水泥用量减少为 4 0 0 k g ， 减少了 1 8 4 ， 配合 比调整后 ， 浇筑后产生较大 的 、 糕 赠 时 间 h ( a ) 箱梁内外大气温度时程曲线 时 间 h ( b ) 混凝土水化热时程曲线 时 间 f h ( c )混凝土腹板内外温差 图 3 右幅 2号块水化热测试结果 F i g u r e 3 Th e h y dr a t i o n h e a t t e s t r e s u l t s f o r t he 2n d s e g me nt o f t h e r i g h t b r i d g e 内外温差( 3 0 0 o C) ， 腹板在养护期间未 出现裂缝。 通过该桥的实测数据对 比可以认为 ， 过高的水泥掺 量会使水化热引起 的箱梁腹板内外温差增加 ， 过高 的温差是箱梁混凝土早期开裂的主要原 因之一。 上述左 、 右 幅两 个 对应 梁 段 ( 2号块 ) 的 水 化 热 实测 结果 汇总 如表 2所示 ， 由上 述实测 结果 可知 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王金海 ： 预应力混凝土箱梁水化热裂缝控制与预 防 1 7 5 7 篡 芝 4 。 5 2 5 2 l 0 5 0 时 间 h ( a )箱粱内外大气温度时程曲线 时间 h ( b) 混凝土水化热时程曲线 时 同 h ( c ) 混凝土腹板内外温差 图 4左幅 2号块水 化热测试 结果 Fi g u r e 4 Th e h y d r a t i o n h e a t t es t r e s ul t s f o r t he 2n d s eg me nt o f t he l e f t b r i d g e 大跨预应力混凝土箱梁桥 由于其根部截面 细部尺 寸基 本达 到大 体积 混凝 土最 小 限制 ( 1 0 m) ， 混凝土强度等级较高 ( 一般大于 C 5 0 ) 、 水 泥用 量较大 ( 一般高于 4 0 0 k g ) 等因素可导致较高 的水 化 热 ； 大跨预应力混凝土箱梁桥混凝 土在浇筑后 一 般在 1 d内达到峰值温度， 在前 1 4 d将经历较 快的升温和降温过程 ， 在此期间容易出现较大的 内 外温差 ， 前 4 d应尤其注意混凝土养护； 实际施 工时 ， 可在混凝土 中掺 人适 量 粉煤 灰， 以减少水泥用量从而降低混凝土的水化热。对 于该桥 ， 当混凝土掺入了 1 8 4 ( 等量取代水泥 的 百分比) 的粉煤灰后 ， 其对应位置的左幅桥 ， 其温升 降低较大， 水化热发展较慢 ， 内外温差较小 ， 从而很 好地控制了腹板混凝 土的开裂。 表 2 水化热实测结果汇总 Ta b l e 2 The s u mma t i o n o f t h e h y dr a t i o n h e a t t e s t r e s u l t s 测试 入模温 位置 度 C 右幅 3 6 0 左幅 1 0 0 最大 内外 是否有 可 温差 C 见裂缝 3 6 0 有 2 6 8 无 3结论 与建议 3 1主 要 结 论 大跨预应力混凝 土箱梁桥 由于其腹板厚度 较大， 混凝土强度等级较高， 水泥用量较多等因素可 导致较高的水化热， 由此形成的过大 内外温差是使 箱梁产生早期裂缝 的主要原因之一。 实际施工时 ， 可在混凝 土中掺人适量 粉煤 灰， 以减少水泥用量从而降低混凝土的水化热。对 于该桥 ， 当混凝土掺人 了 1 8 4 后 ， 其 内外温差较 小， 从而很好的控制了腹板混凝土的开裂 。 3 2建议 大跨预应力混凝土箱梁桥水化热容易受到较多 因素的影响。为避免因过高的水化热导致结构产生 早期裂缝 ， 在箱梁桥 的施工中建议尤其要做好下几 点 ： 优化配合 比。在满足施工性能 的前提下， 宜 采用低热水泥 ， 并适量掺人优质粉煤灰， 以减少水泥 用量 ； 同时为了降低混凝土的早期温升， 应采用缓凝 型高效减水剂 ， 掺量应根据工作需要而定 ， 并应注意 与水泥的相容性 ； 降低人模温度。夏天沙 、 石等原材料可置于 阴凉处 ， 拌合水可经冷却池冷却， 混凝土浇注宜在晚 上进行 ； 加强现场养护。现场应设置专人养护， 做到 夏季保湿 ， 冬季保温； 做好温 度监控。要求 人模 温度 应小 于 3 O ， 热天可放宽至 3 5 o C， 混凝 土内部的最高温升应 控制在 6 0 o C， 混凝土 内部与表面( 或环境) 温差应 ( 下转第 1 9 0页) 一 一 问 一 一 时 一 他 度 一 应 一 温 一 对 一 值 一 一 峰一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 0 公路工程 3 7卷 元 m 左右 ， 抛丸糙 化法成 本 为 1 0 1 4元 m 左 右 ； 可见缓凝水冲法成本优势 明显。 7 结语 本方法用 宁波市江 山老虎山牌缓凝 剂的经 济喷洒量为0 1 5 k g m 左右 ， 对应的冲水时间为 8 0 ho C左右。实际使用时， 应先采用小试块进行工艺 试验 ， 结合试验的结果综合取值。 初步建立 了环境温度 与冲水时间的关系 曲 线 ， 拟合 了曲线方程 ：日 = 一1 5 +1 7 5 9 8 一 6 0 2 6 3 T+1 3 0 9 3 ， 相关系数为 R= 0 8 3 。并提出了 工艺操作流程 ， 供使用者参考。 缓凝剂 的喷洒量对 冲水时间有一定的影响。 同样一种品牌的缓凝剂， 随着喷洒量的增加 ， 缓凝时 间相应的有所增加 ； 但 是， 达到了 0 4 0 k g m 以上 时 ， 影 响较小 。 不 同性能的混凝土对缓凝剂的喷洒量和冲 水时间均有影响 ； 相 同性能的混凝土 ， 塌落度越大 ， 冲水时间越长 。 缓凝水冲法操作简单方便、 成本低、 效果好、 适用范围广 ， 推广应用后能得到很好 的社会效益和 经济效益。 参考文献 韩 菊红 新老混凝土粘 结面粗糙 度处理实 用方法探讨 J 工 业建筑 ， 2 O O l ， ( 2 ) 韩森 露石水泥混凝 土路 面研究 D 长安大学 ， 2 0 0 6 马振生 裸石施工法 在砼路面 中的应用 J 东北 公路 ， 1 9 9 6， ( 3 ) 郭庆海 ， 张剑 ， 李平先 ， 等 新老混凝 土粘结面 的树脂糙化 处 理与工程应用 J 人民黄河 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 8 ) ： 5 5 5 6 刘小明 ， 侯发亮 ， 朱培喜 新 老混凝 土界面处 理技术 与工程应 用 J 中国农村水利水电 ， 2 0 0 3 ， ( 3 ) ： 4 44 6 徐德 明， 应国刚 ， 等 混凝 土缓凝水 冲法界 面处 理研究 J 桥 梁建设 ， 2 0 0 8 ， ( 3 ) ： 7 57 8 闰国新 ， 张雷顺 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c P a r i s ， 1 9 9 0 朱伯芳 水工混凝土的温度应力与温度控 制 M 北京 ： 水利 水电出版社 ，1 9 7 6 ： 3 4 3 9 ； i ) 二 - 三 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m