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浅谈 T梁混凝土裂纹成 因及控制措施 周 奇 ( 中 铁四 局 集团 工 程管理中 心， 安徽 合肥 2 3 0 0 2 3 ) 0 前言 据统计调查，近年来在对北方低温多雨雪地区的铁路 、 公 路项 目桥梁预制件， 因管理人员对多种因素组合作用下裂纹预 防认识不到位、 温控施工措施不到位 ， 裂纹控制效果不佳 ， 给工 程质量带来隐患， 有些还带来不必要的经济损失。本文结合具 体工程实例， 针对寒冷气候条件下的铁路 T梁生产过程中引起 裂纹的主要原因进行了分析， 总结了控制较大危害裂纹产生预 防措施， 给类似工程提供借鉴。 1 工程案例 北方某铁 路梁场承担着 4 4 9孔铁路单线 T梁生产任务 ， 预 制梁结构设计为 C 5 5混凝土， 后张法施工。在 2 0 0 9年 1 1月份 进入冬休前， 共预制 7 4片梁 ， 在 2 0 1 0年恢复生产前， 发现了9 片梁存在不同程度的沿预应力管道的裂纹， 部位多集中在梁两 端 8 m范围内，其中2片梁裂纹纵向贯通粱体的 l 4 L 3 4 L范 围， 在横隔板与腹板连接处， 沿横隔板有局部竖向裂纹， 裂纹长 度范围为 0 0 8 m 5 m不等，宽度范围为 O O l m m 1 0 5 mm不等， 深度最大为 7 e ra。出现裂纹的梁大部分施工在冬休前夕， 整个 冬休期间粱场被冰雪覆盖。 2 裂纹产生 的机理 混凝土桥梁结构裂纹产生的因素复杂而繁多 ， 甚至多种因 素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原 因， 基本可分为以下几种。 2 1 温度变化引起的裂纹 混凝土具有热胀冷缩的性质 ， 当结构内部或外部环境温度 发生变化， 混凝土将发生变形， 若变形遭到约束， 则在结构内产 生应力， 当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂纹。 2 1 1 结构内外温差 由于混凝土凝结、 硬化过程中， 胶凝材料水化后产生大量的 水化热， 聚在内部不易散发， 使内部温度上升内 外温差弓 I 起巨大 的内应力和温度变形， 使混凝土产生裂纹、 变形， 甚至破坏。 混凝土绝热温升 ： t ， + ；混凝土最高温度 T = t t o 式中： w 为水泥用量 ( k g m ) ； F为粉煤灰用量( k g m ) ； Q 。 为水泥水化热( V 3 & g ) ； C为混凝土比热( k 3 k g 。 I 二 ) ； 为混凝 土容重 ( k ed m ) ； 为不同浇筑块的热系数； t 为混凝土人模 温 度。 水泥品种 、 标号、 用量和其它胶凝材料、 混凝土入模温度及 外加剂使用对混凝土内外温差都有重大影响。 2 1 2 环境 温差 一 是梁桥顶面或向阳侧面受太阳曝晒后， 温度明显高于其 它部位， 温度梯度呈非线形分布， 由于受到自身约束作用， 导致 局部拉应力较大， 出现裂纹； 二是突降大雨、 冷空气侵袭等可导 致结构外表面温度突然下降， 但因内部温度变化相对较慢而产 生温度梯度 。 2 2收缩引起的裂纹 混凝土收缩分为凝缩和干缩 ， 其凝固过程时， 一些与水泥 颗粒结合， 使体积减小， 为凝缩， 另一些蒸发， 使体积减小， 成为 干缩。混凝土干燥过程是从表面逐步扩展到内部的， 因内外存 在温差， 产生了表面收缩大 ， 内部收缩小的不均匀收缩， 导致表 面混凝土受拉力， 内部受压力， 产生了收缩性裂纹。 在施工中水泥标号越高、 水泥颗粒越细、 水泥用量越多、 单 位用水量越大时， 混凝土的收缩也越大， 此外， 砂石愈干净、 捣固 愈密实， 混凝土的收缩量也就愈小。 2 3冻涨 引起的裂纹 大气气温低于 O C 时，混凝土内部游离的水转变成冰 ， 体 积膨胀， 因而产生膨胀应力； 同时混凝土凝胶孔 中的过冷水重 分布引起渗透压 ， 使膨胀力加大， 强度降低 ， 并导致裂纹出现。 特别是冬季施工时，对预应力孔道压浆后若不采取保温措施， 也可能发生沿管道方向的冻胀裂纹。 当混凝土中骨料空隙多、 吸水性强， 骨料中含泥土等杂质 过多， 水灰比偏大 、 振捣不密实 ， 养护不力使混凝土早期受冻 等， 均可能导致冻胀裂纹。 2 4混凝土原材料引起的裂纹 2 4 1 水泥 游离的氧化钙含量超标，氧化钙在凝结过程中水化很慢， 凝结后仍然继续起水化作用， 可破坏已硬化的水泥石， 使混凝 土抗拉强度下降 ； 当含碱量较高 ， 同时又使用含有碱活性的骨 料， 可能导致碱骨料反应。 2 4 2砂 、 石骨料 含泥量高不仅将造成水泥和拌和水用量加大， 而且还降低 混凝土强度和抗冻性 、 抗渗性 ； 有机质和轻物质过多， 将延缓水 泥的硬化过程， 降低混凝土强度； 骨料中含有一定含量的活性 成分， 引起碱骨料反应。 2 4 3外加剂 过量使用会影响混凝土施工性能 ， 造成离析、 泌水、 缓凝、 强度降低等不利因素， 碱含量过大加剧了碱骨料反应 ， 尤其是 早强剂会加快混凝土早期收缩裂纹的产生， 膨胀剂的使用如过 养护不当会造成破坏性后果。 2 5施工工艺质 引起 的裂纹 混凝土在浇筑前滞留时间过长 ， 使水分蒸发过多， 引起 塌落度过低， 使得在混凝土出现不规则的收缩裂纹 ； 混凝土过振造成了局部混凝土离析， 粗细集料和胶结料 分布不均、 密实度差 ， 降低了结构整体强度和抗温度力能力； 施工时拆模过早， 混凝土强度不足 ， 使得构件在 自重或 施工荷载作用下产生裂纹； 混凝土蒸养时间不够 ， 或蒸养过程中升温、 降温速度过 快， 内外温差较大引起的裂纹； 施加预应力时混凝土强度不足， 或超张拉及压浆施工不 当时引起的裂纹； 存梁台座基础不均匀下沉引起梁产生附加应力。 3 裂纹产 生的原 因分析 经对梁场内外业调查和分析 ，认证研究了裂纹产生的机 理，判断预应力管道冻涨是造成本梁场梁体开裂的主要原因， 其产生原因分析如下。 浆体泌水造成管道积水， 低温条件下发生冻涨。一方面 浆体毛细泌水和压力泌水是客观存在的， 另一方面压浆工艺控 制不严， 投料精度不准， 加水量较大导致浆体较稀 ， 压力过大导 致泌水严重 ， 使孔道内留存有较多的自由水。 蒸养、 降雨及自然养生使孔道 自由水增加 ， 低温条件下 发生冻涨。 蒸养过程中， 因抽拔管被拔出， 使得蒸汽水进入管道 内， 停汽后冷却成自由水停留在管内， 压浆不能完全排除； 穿孔 压浆前， 降雨或 自然养生阶段 ， 雨水进入管道 ， 压浆前未采取有 效处理措施。 按规范要求在压浆前、压浆过程中和压浆后 3 d内梁体 及环境温度不等低于 5 C， 现场压浆前未对梁体预养 ， 梁体在 低温条件下压浆， 浆体进入管道后遇冷结冰。 冬休期间气候恶劣， 昼夜温差较大， 造成梁体开裂。 依据 当地气象资料， 该地区最低温度为 4 4 q c， 昼夜温差在 1 5 2 5 C 之间， 一是梁表面产生较大的温度应力， 二是使管道内自由水 结冰冻涨。 综上分析， 压浆浆液配比和压浆工艺控制不严， 压浆前未对 管道自由水进行处理， 极度低温、 昼夜温差较大引起的温度应力 和冻涨等多种因素， 造成了梁体裂纹从表层往内部逐步发展。 4 裂纹控制措施 针对裂纹产生的原因， 为克服混凝土体温差、 日照温度梯 度 、 冬期施工及温控工艺不到位引起的结构裂纹， 可从以下几 个方面进行控制。 4 1混凝土质量 的控 制 4 1 1 原材料的选择 水泥： 应选用收缩小、 放热小的水泥品种， 控制水泥的安 定性 ， 减小碱含量 。 砂石骨料 ： 应具有 良好 的颗粒级 配 ， 砂石表 面应 干净 ， 以 保证与水泥浆更多地结合 ； 应尽可能减少含有的杂质， 以保证 混 凝 土 的 耐 久 性 。石 子 的 粒 径 选 用 两 个 级 配 ，一 种 为 5 m m l O mm碎石 ， 另一种为 l O mm 2 5 mm粒径石子。 砂子过粗易使新拌混凝土产生泌水 ， 较细时， 又会使混凝 土粘聚性略大、 保水性好， 但干缩较大 、 表面容易产生干缩裂 缝， 应优选粗砂 ， 细度模数为2 6 3 0 。 H J u 剂 ： 严格控制掺加量 ， 防止对混凝土施工性能造成 影响， 对含引气性减水剂控制含气量。 配合比： 在确保混凝土的浇筑均匀、 振捣密实的前提下， 采用较少的拌合水量 ， 较小的水灰比， 较好的骨料级配以及较 小些的坍落度 ， 较低的拌合温度， 掺入适量 , b J J u 剂和掺合料 ， 以 控制混凝土的收缩和放热量。 4 1 2 适当提高混凝土的抗拉性能 混凝土温度裂缝的引发条件是： ( 温度应力) 混凝土的 抗拉强度) ，混凝土的抗拉伸变形能力是制约混凝土裂缝的重 要因素之一， 在混凝土中掺加适量的细纤维 ，则可承受因不一 致的变形而引起的内应力 ， 从而抑制裂缝的生成与发展 ； 另有 资料显示， 混凝土的极限拉伸强度除相关其强度之外还受粗骨 料粒径形态影响， 采用碎石的混凝土， 其抗拉伸性可比卵石混 凝土强； 骨料的最大粒径越大， 抗拉性能可能越低。 4 2施工工艺控 制 严格控制钢筋保护层厚度，加强钢筋加工精度控制。 钢 筋绑扎必须在专门的胎具上进行， 混凝土垫块应严格按要求布 置 。 混凝土施工应精心组织， 控制好混凝土生产 、 运输环节， 严格控制混凝土出机温度、 入模温度 ， 加强振捣和旁站监督， 避 免漏振 、 过振现象。 加强混凝土养生控制， 一是加强蒸汽养护， 静停 、 升温、 恒温和降温环节的温度和时间要求必须满足规范和实际梁体 强度增长要求； 二是严格控制梁体停汽拆模后的温度差不能超 过 1 5 。 加强控制混凝土拆模时间控制 ，以混凝土强度达到 2 5 MP a 为宜， 在施工现场拆模时间为混凝土浇筑 2 4 h后( 经试 验一般能达到 5 MP a 以上) 。 加强对预应力施工控制， 在混凝土强度达到要求及时进 行预、 初张拉， 使梁体有一个约束应力并具有一定的预拱度， 对 防止混凝土早期裂纹有重要作用。 同时不得在张拉条件不具备 情况下提前张拉 ， 张拉顺序和过程控制须严格按照设计、 规范 要求进行。 严控低温条件下压浆施工质量 ， 一是必须保证浆体性能 合格， 通过压力、 浆液量双控指标来确保管道压浆饱满； 二是应 设置专门的压浆养护的蒸养棚对梁体进行保温，结合当地气 候， 对压浆后的梁体保温时间可比规范要求的3 d可适当延长； 三是压浆前必须清除孔道内的游离水 ， 尚未压浆孔道要采取防 护措施。 加强对存梁台座基础的处理 ，使其有足够的承载力 ， 周 围排水要畅通，防止因水渗透到基座底 计算时要充分考虑冻 融影响， 避免出现不均匀沉降发生。 做好冬期施工中原材料保温、 加温措施 ， 注意预制梁施 工过程中对环境温度的要求 ，避免温差过大或骤冷情况出现， 在恶劣气候下应考虑对成品梁采取适当的防护措施。 5 实施效果 依据原因分析， 梁场通过控制原材料进场和混凝土浇筑质 量， 优化预制梁压浆配比， 改进压浆工艺 ， 重点做好梁体压浆 前、 压浆后的温控养护， 合理延长养护时间等措施 ， 裂纹得到有 效控制。 6 结束语 混凝土裂缝本身是一个较复杂的问题， 它涉及到混凝土的 材性 、 构性及施工环境等各方面的问题， 因此对于裂纹的产生 不能单一的分析和预防， 它的形成往往是多种因素综合作用的 结果， 因此必须严把各个环节关 ， 才能有效控制裂纹产生和发 展。 此外， 要重视环境因素的影响， 它就像催化剂一样加大了裂 纹发展 。 参考文献 1 铁建设 2 0 0 5 ) 1 6 0号， 客运专线铁路桥梁工程施工质量验收暂行 标准【 S 1 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 5 2 铁建设 2 0 0 5 1 6 0号， 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准 【 S 】 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 3 徐子英 浅谈混凝土裂缝产生的预防措施m科技创新导报， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ( 上接第 5 5页) 射或 间歇采 暖造成 的室 内温度变化减缓 ， 室温较为稳定 。而且 由于外保温提高了外墙的内表面温度， 即使室内的空气温度有 所降低 ， 也能得到舒适 的室 内热环境 。 从实际施工的角度来说， 在旧房改造时， 在内侧添加保温层 存在使住户搬动家具、 施工扰民、 甚至临时搬迁等诸多麻烦， 产生 许多不必要的纠纷， 还会因此而减少使用面积， 采用外保温则可以 避免这些麻烦的发生， 使得旧房改造的可实施性大大提高。 外墙外保温可以保护主体结构， 延长建筑物寿命。 在既有住宅的节能改造时， 就冬季而言 ， 外墙采用外保温 的形式是可取的。由北京振利高新技术公司 自行开发研制的 z L涂抹胶粉聚苯颗粒外保温方式 ，采用 Z L聚苯颗粒保温浆 料、 耐碱玻纤网布 、 抗裂砂浆材料 ， 在现场成型的墙体保温系 统。 其技术具有材料配套、 施工方便 ， 保温层连续、 整体性好， 施 工适应性强， 工程造价较低等优点。而且保温层主体材料采用 的是废弃的聚苯颗粒， 符合绿色环保理念。改造前墙体为实心 粘土砖 2 4 0 m m厚， 内外各抹 2 0 mm厚的混合砂浆。总传热系数 K约为 1 9 7 W( m K ) ， 改造后 ， 若采用 4 0 m m厚的胶粉聚苯 颗粒保墙体的总传热系数 K约为 0 8 4 W ( m 2 K ) 。 保温效果明 显 ， 完全可以达到国家夏热冬冷地区标准节能 5 0 的要求( 1 ( 1 5 W ( m K ) ) 。 4 2季隔热改造 隔热性能通常是指在夏季自然通风情况下 ，围护结构在室 外综合温度( 由室外空气和太阳辐射合成) 和室内空气温度波动 作用下， 其内表面保持较低温度的能力。一般来说， 围护结构外 表面的隔热方式为两种： 即反射降温隔热和吸收升温隔热。 前者 是控制围护结构外表的吸收太阳辐射热，使入射到外墙外表面 上的太阳辐射热减少， 降低外表面温度， 从而使外表面传入表面 内的热流的峰值降低而且时间上延迟， 以达到隔热的目的。 后者 是借助于热绝缘材料的蓄热系数与导热系数小、 热阻大， 使外表 面升温快而加强向室外对流辐射热交换散热来减少向围护结构 内部的传热， 从而达到隔热的目的。通过分析， 设计者可利用两 者不同原理， 在既有住宅的外墙改造过程中采取许多有效措施 ， 来降低外墙内表面的温度， 从而达到隔热节能的目的。 外墙的外表面层处理时采用外观较为光滑的浅色材料 ， 如在外墙的抹灰面上使用浅色的金属漆 ， 可有效的提高对太阳 光的反射， 减少对直接或间接的太阳辐射热量的吸收。 在外墙上设置外墙外保温的形式 ， 正是利用保温材料的 蓄热系数与导热系数小 、 热阻大， 使外墙表面升温快而加强向 室外对流辐射热交换散热来减少向围护结构内部的传热。 在外墙上添加绿化遮阳隔热 ，由植被吸收太阳辐射， 由 植被储存热和蒸发散热， 从而大大减少外围护结构所吸收的太 阳热量， 同时克服了单纯的外墙面反射吸收隔热对住宅外部环 境的不利影响。 近年某些节能小区采用一种新型外墙外保温方式， 该方 式是在常规粘贴聚苯外保温的基础上 ， 在保温层与外挂石材间 增 加一个约 1 0 0 m m的空气夹层 ，该 空气夹层在整个外 立面上 下联通 ， 并在顶部设有通风口， 冬季将该通风口关闭， 阻止空气 夹层内空气流动， 增加了外墙的传热热阻。夏季将上部的通风 口打开， 夹层空气上下流通 ， 可将外挂石材吸收的太阳辐射热 及时带走， 降低了降低保温材料外层的温度， 也大大减少了向 室内传递的热量， 隔热效果非常明显。此外 ， 流通的空气夹层还 能够将保温材料的湿气及时带走 ， 防止保温材料受潮。 5结束语 在苏北地区既有住宅的节能改造中， 墙体围护结构的改造 既要兼顾冬季保温 ， 又要保障夏季隔热。 笔者认为， 在住宅节能 改造中，外墙改造仅为住宅外围护结构改造的一个组成部分， 应把住宅围护结构的各个组成部分( 屋顶、 门窗、 阳台) 作为一 个体系研究，从整体的角度考虑外围护结构的保温隔热性 ， 从 而有效地降低既有住宅冬季采暖和夏季制冷能耗 ， 更加有效地 改善我国的建筑能源消耗状况。 参考文献 1 江亿， 林波荣， 曾剑龙， 朱颖心 住宅节能【 M E 京 ： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 6 2 J G J 3 4 - 2 0 0 0 ， 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准【 s 】 北京 ： 中国 建 筑工业 出版社 2 0 0 0 3 G B 5 1 0 7 6 9 3 ， 民用建筑热工设计规范f s 】 北京： 中国建筑工业出版 社 1 9 9 3