高原季节性冻土地区桥涵裂缝成因[优秀]_季节性冻土地区

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高原季节性冻土地区桥涵裂缝成因及预

2.1 混凝土原材料的原因

(1)水泥:在青藏铁路施工中,主要采用大通河牌、祁连山牌三种普通硅酸盐水泥,按青藏铁路高原冻土区混凝土 段全长1142km , 年平均气温在-2 ℃ ～

-6 ℃,日正负温度变化天昆仑山牌、数高达45 ℃,且干湿交替

频繁,冻融环境、风沙磨蚀等自然环境严酷。为了满足在青藏铁 路沿线恶劣的自然环境下进行混凝土施工的需要,确保混凝土 180d , 最高气温25 ℃,极端最低气温

耐久性技术条件要求,桥涵混凝土结构最小胶凝材料用量为 裂缝调查情况

1.1 涵洞裂缝类型及分布

在2 个标段142 座盖板箱涵中,风沙路段的涵洞比通道涵洞 的裂缝多,而通道涵的裂缝比过水涵的裂缝多。裂缝主要呈龟裂 纹和网状裂缝。涵洞裂缝主要分布在八字墙和盖板箱涵墙身。八字墙身裂缝在外侧迎风面,裂缝呈龟纹状,裂缝长度通常不超 过10cm , 裂缝深度2mm 以内,裂缝宽度在0.1～0.2mm 之间。盖板箱涵墙身裂缝主要呈倒八字形,裂缝长度5cm 左右,裂缝深 度2mm 以内,裂缝宽度在0.05～0.1mm 之间。预制盖板底部基 本没有裂缝,盖板上部有不规则的龟裂纹,裂缝长度5cm 左右, 裂缝宽度在0.1～0.2mm , 裂缝深度2mm。涵洞八字墙,箱涵墙 身裂缝,在混凝土拆模后第一天开始少量出现,到养护期结束后 3 个月基本稳定,经过一个冬季后,裂缝未发现新的变化。1.2 桥墩裂缝类型及分布个标段15 座大桥,有181 个桥墩30 个桥台。根据调查, 桥台裂缝比桥墩裂缝多,桥墩有圆型墩和圆端型墩两种,圆端型 墩比圆型墩裂缝多,并且圆端型桥墩裂缝,多数集中在矩形面上。裂缝主要呈不规则的龟裂纹及竖向通长裂缝两种,龟裂纹长度 通常不超过10cm , 裂缝深度小于2mm , 裂缝宽度在0.04 ～

0.08mm 之间。个别竖向通长裂缝长度在1.5～3.0m 之间,裂缝 宽度均在0.1mm 以内。2 裂缝成因分析

混凝土裂缝原因是多方面的,由于裂缝是在混凝土浇筑完 工后至养护期形成的,此时结构物未受外力,故这些裂缝为施工 早期裂缝。从裂缝的形状、大小、深度来看,虽然涵洞和桥墩、台 的结构类型不同,但产生裂缝的特征和规律却很相似,裂缝主要 呈龟裂缝和网状裂缝。根据统计观察分析,我们认为混凝土产生 裂缝的主要原因有以下几个方面:

400kg/ m3。由于水泥用量较大,水化热较高,水泥的化热引起的 内外温差是使混凝土产生龟裂缝的主要原因。另外水泥的异常 膨胀,也可以使混凝土在凝结硬化阶段产生小裂缝。

(2)骨料:骨料主要包括粗骨料和细骨料,它在混凝土结构中 占主要数量。骨料的形状、大小、级配、含泥量以及热学性能、抗 碱性能,都对混凝土的膨胀收缩有着重要的影响。在藏北那曲地 区,细骨料为级配良好的中粗河砂,要求砂的含泥量不得超过 3 %;粗骨料为5～40mm 的碎石或卵石,要求石子的含泥量不得 超过1%, 石子的针片状颗粒总含量不得超过10 %。在实际施工 过程中,粗骨料级配差,配制混凝土时含砂率必然加大,砂浆量大 的混凝土干缩性大,这样容易产生干缩裂缝。若使用的石子粒径 偏大,级配不良,使用的砂子又过细,浇筑混凝土很容易使石子下 沉,砂浆上浮集中在某一断面,在凝结前发生塑性收缩,产生收缩 裂缝。另一方面,由于骨料级配不良,骨料中的泥份的收缩,使砂 石沉降分离、分层、泌水,细砂比表面积加大,混凝土失水快、收浆 快,容易产生沉降分层,形成薄弱断面,出现较长裂缝。在粗骨料 方面,由于碎石表面比卵石表面粗糙,它与水泥砂浆的粘结性比 卵石强,当水灰比相等或配合比相同时,两种材料配制的混凝土, 碎石混凝土强度比卵石高。在同等级混凝土中,卵石混凝土结构 表面裂缝比碎石混凝土结构裂缝多。骨料含碱量较高,碱—骨料 反应会因吸收周围水分产生化学反应,出现龟裂缝。2.2 当地气候条件的原因

桥涵所处施工地段,属高原亚干旱气候区,平均绝对湿度

3.1mb ,平均相对湿度51 %, 最小相对湿度0, 蒸发量远大于降水 量,年平均降水量428mm , 年平均蒸发量1783mm。气候严寒多 变,年平均气温-2.9 ℃, 最热月平均7.5 ℃, 最冷月平均-14.7 ℃,最大月平均日温差19.4 ℃。气压低,含氧量少,太阳 辐射强,总辐射量大,日照时间长,年平均大风(8 级以上)天数为 147d , 风沙大,平均雷暴日数75d。由于恶劣的气候环境,使得混 凝土内外温度和湿度的变化梯度加大,加剧了混凝土表面的干 缩。在干燥过程中,毛细孔水分蒸发使毛细孔形成负压,随着水 分的不断蒸发,负压逐渐增大产生收缩力,当收缩受到限制时产 生拉应力,应力超过混凝土的抗拉强度时,就会产生干缩裂缝。

2006 年

田慧生:高原季节性冻土地区桥涵裂缝成因及预防 第6 期215

较大,施工时间比较长,临时便道路况较差,混凝土搅拌运输车来 往频繁,若调度指挥不当,容易出现堵车,使混凝土供料不及时, 浇筑不连续,出现冷接缝,形成薄弱面,产生较长的接茬裂缝。(4),坍落度为

强度等级为C30 时,水泥用量可调整到小于350kg/ m3。试选混 凝土配合比时,尽可能采用较低的砂率,低用水量,低坍落度。(3)合理选用外加剂,不同外加剂品种对混凝土收缩影响区 别较大。应首选减水剂,因减水剂可以降低混凝土拌合用水,降 低水灰比,提高混凝土抗渗性能和抗拉强度,对减小混凝土收缩 十分有利;但过量掺入,混凝土泌水率加大从而增加沉降变形。引气剂也可掺用,混凝土中适量引进含气量可以减小混凝土泌 水沉降,有利于防止混凝土收缩开裂,有利于提高混凝土耐久性。早强剂和缓凝剂应慎重使用。

(4)有条件的掺加粉煤灰。一般可按水泥用量的10 %～ 15 % 掺用,这样可以提高拌和料的和易性,改善混凝土的工作性 能,降低水化热,从而减少裂缝的发生。

(5)加强拌和站管理,严格控制材料进场和计量。引导碎石 采砂场生产合格的级配砂石,进场的砂石,要分级堆放,分级 合理安排施工机具,保持混凝土浇筑的连续性。混凝土 的拌和运输要满足连续浇筑施工需要,当远距离浇筑混凝土时,(6)厂、使用。

2.3 混凝土施工方法和施工工艺的原因

(1)骨料进场控制不严。碎石厂对碎石的分级生产控制不严 格,当地的采石场、采砂场,对中粗砂、卵石级配把关不严,以及施 工单位进场的石子混堆、混放,导致混凝土拌合物和易性时好时 坏,造成混凝土质量波动,质量差的混凝土容易产生裂缝。(2)配合比控制不严,搅拌时间控制不好。由于拌合站管理 不到位,人工或机械投料不准确,使混凝土塌落度忽大忽小,导致 混凝土和易性不良。搅拌时间过短,拌合物不均匀,搅拌时间过 长,拌合物产生分层离析现象,最终造成混凝土匀质性差,容易产 生局部裂缝。

(3)混凝土浇筑供料速度不及时,连续性差。按青藏铁路环 境保护的要求,采用集中设置拌合站,减少对环境的破坏。由于 铁路施工特点,桥涵施工工点分散,桥涵一次浇筑的混凝土量比 30～90mm , 水胶比≤

440kg/ m30.38 , 胶凝材料为400～420kg/ m3 ,而部分 桥涵采用泵送法浇筑混凝土,坍落度为120～180mm , 水胶比≤

0.38 ,胶凝材料为420～。为了满足强度和可泵性要

求,该混凝土胶凝材料用量增加,这就引起混凝土体积收缩增大, 故泵送施工比斗送施工的混凝土结构物收缩裂缝多。(5)混凝土漏振与过振。漏振使局部混凝土的匀质性差,容 易产生不规则局部裂缝;过振使混凝土中石子下沉,砂浆上浮,表 面泌水量加大,砂浆的收缩大约是混凝土的3 倍。因此,砂浆量 过于集中的层面极易形成较长的贯穿裂缝。

(6)模板加工及拆模。桥涵施工主要采用大块定型钢模板, 大块钢模在混凝土浇筑振捣时,气泡不容易排出,当气泡聚集附 在钢模表面,形成混凝土表层的薄弱面,在拆模时出现裂缝。拆 模时间过早,混凝土强度较低,外力作用或振动,也可能产生局部 裂缝。

(7)混凝土养护方法不当。混凝土养护方法对裂缝的产生至 关重要。如果养护不到位,在风速快、气候干燥的条件下,就会使 混凝土的水分流失、蒸发得不到补充,混凝土失水后表面产生拉 应力,使混凝土开裂,出现不规则的裂缝。

综上所述,当地地材的“先天不足”和恶劣气候条件的影响, 决定了高寒地区混凝土裂缝产生的必然性。施工方面缺乏经验、考虑不周、疏于管理、措施不力,更进一步增加和加深了混凝土裂 缝出现的机率和程度。混凝土材料的自缩,混凝土本身的塑性收 缩和干缩,以及外界条件引起的冷缩和干缩叠加在一起,使得混 凝土在比较薄弱的断面,出现拉应力集中,超过混凝土抗拉强度, 从而导致混凝土裂缝。混凝土裂缝的预防和缓解措施

(1)改善粗骨料级配,使其空隙率减至最小;适当减小粗骨 料最大粒径(一般≤40mm),降低粗细骨料的粒径梯度。有条件 的尽量避免使用线膨胀系数较大的砂岩。骨料含碱量要严格控 制,混凝土骨料的砂浆棒膨胀率不得大于0.1 %, 岩石柱膨胀率 不得大于0.1 %。

(2)采用降低水泥用量的方法来控制混凝土的早期温度,当 要根据便道状况,距离长短、浇筑时间等情况,综合分析,合理配 置搅拌运输车,以满足连续浇筑的需要。

(7)采用“分层浇筑,一次到顶”的浇筑工艺,分层厚度一般 不超过50cm。振捣采用振动棒垂直振捣,振捣时不得采用振动 棒赶送混凝土,不得漏振或过振。要合理选定拆模时间,避开大 风季节拆模。

(8)加强养护措施,确保混凝土结构内外温差及降温满足温 控要求,避免混凝土过早失水。桥涵应采用“保湿、保温”养护,不 宜采用喷施养护剂或蒙裹塑料薄膜的方法,也不宜单纯采用洒 水养护。4 结束语

(1)混凝土浇筑完工后,前期的预养温度控制和预养时间的 保证,对混凝土后期的强度和裂缝影响较大,应充分重视混凝土 前期的保温保湿养护。由于青藏铁路气候干湿交替频繁,干燥多 风、昼夜温差大,对混凝土的保温保湿问题要引起高度重视。桥 涵结构物,要采取有效的保温保湿措施,缓解因温差过大造成的 混凝土内部的温度压力差,避免混凝土表面失水过快而产生裂 缝,影响混凝土长期耐久性。(2)高寒地区的地材资源和气候条件,给混凝土施工带来不 利,混凝土裂缝的出现,使混凝土结构的长期耐久性受到影响。因此,预防和控制裂缝的发生,提高混凝土抗裂性能,需要设计、科研、施工等方面的重视和配合,要综合利用各种技术措施,在工 程实践中不断总结,不断改进材料性能,才能最终达到混凝土长 期耐久性要求。