时间：2013-11-29 分类：交通运输
摘 要：在杭州湾跨海大桥70m箱梁预制施工过程中，通过优化海工耐久混凝土配合比，采用二次张拉，严格养护工艺等措施有效地控制了大体积预应力混凝土薄壁箱梁裂缝的产生。
关键词：70m箱梁 海工耐久混凝土 裂缝控制
1 概述
目前，公路预应力混凝土薄壁箱梁朝着大跨度、大宽度、大体积、整体预制和吊装方向发展，特别是由于跨海大桥的建造，其独特的海洋环境和设计使用寿命的提高，对混凝土提出了新的更高的要求。要求混凝土的密实度、抗氯离子渗透性能等都有一些更高的指标，即高性能混凝土。
杭州湾跨海大桥箱梁使用的是C50高性能海工耐久混凝土，它需要掺入除水泥以外其它一些如矿粉、粉煤灰等胶凝材料;需要使用性能更优的外加剂，以及低水胶比。也正是由于这些要求使混凝土薄壁箱梁在施工过程中更容易产生裂缝。在以往施工的许多类似桥梁中，都不同程度地存在箱梁顶板收缩裂缝、翼缘板横向裂缝(裂缝严重的会贯穿翼缘板)、箱梁腹板内外侧竖向裂缝等现象。这些裂缝的产生无疑是对海工混凝土的耐久性及桥梁使用寿命的一个极大的挑战。为此，我们针对杭州湾跨海大桥70m箱梁的施工一开始就对裂缝问题引起了高度的重视，在许多方面做出了一些研究和探讨以及有益的尝试，取得了良好的效果。
2 裂缝成因分析
2.1 杭州湾跨海大桥70m预制箱梁的一般断面形式及纵向预应力布置如图所示。其预制长度最大69.1m，预制混凝土方量约为823m3，预制重量2165吨。对于其C50海工耐久混凝土，《杭州湾跨海大桥专用施工技术规范》规定如下：设计工作寿命一百年，12周氯离子扩散系数小于等于1.5×10-12m2/s，最大水胶比0.33，混凝土的入模温度不大于30℃。
2.2 裂缝产生机理(本文所讨论的裂缝均为非结构裂缝)：
2.2.1 施工过程导致裂缝的原因：
由于周围环境的相互作用，以及水与胶凝材料本身的反应会使混凝土自身产生体积变化，如果体积变化受到内部或外部的约束，拉应力就会在混凝土中出现，此时的拉应力如大于混凝土当时的抗拉能力，即产生裂缝。它一般有如下几种现象：
(1)塑性沉降：浇筑过程中，处于塑性状态下的混凝土在重力作用下进一步密实，此时混凝土粘附在模板表面或钢筋上，就会产生水平裂缝。本文对此不作重点讨论。
(2)塑性收缩：新浇筑混凝土表面暴露于空气中，由于风干或蒸发作用使水份脱离混凝土表面进入空气，水份从构件内部迁移到表面的速率低于表面水份损失，则表面会发生干燥，此时，新浇混凝土的抗拉能力近乎于零，就容易出现塑性收缩。高性能混凝土拌和物细骨料多，则泌水少，且水胶比低，就容易产生这方面的问题;另一方面，空气温度、风速和湿度也会影响蒸发速率。
(3)热应力裂缝：此问题非常复杂。当温度升高或降低，混凝土发生膨胀或收缩，结构的体积变化受到约束，应力就会出现，它与水化热产生的结构内部温度峰值有很大关系，特别是弹性模量的变化等。总之，弄不好就会产生裂缝。施工时应设法减少约束，如底模、侧模表面涂润滑剂等，并控制体内与体表温差或体表与环境温差。如果体内外温差超过15-20℃就可能产生裂缝。
2.2.2 70m箱梁施工中常见裂缝对照分析：
(1)箱梁顶板裂缝：此种裂缝一般产生在混凝土浇筑完毕12h～24h内(具体与混凝土的配合比有关)，或产生在顶板混凝土初凝前后，这是一种典型的塑性收缩，是由于新鲜混凝土暴露于空气中，蒸发和风速引起的;或者由于顶板收浆不到位或再次收浆时间掌握不好，均会引起此种裂缝。它有时在箱梁内侧底板面也会产生。
(2)箱梁顶板纵向裂缝：此种裂缝均出现在翼缘板根部与腹板交接处顶板上，一般都很长，少则2～3米，多则沿着翼缘板根部通长布置。主要是由于箱梁翼缘板有4米多长，重量太大，在没有一定的强度下开始拆除外侧模板，混凝土的抗拉应力小于翼缘板自重产生的拉应力，则会沿着交接处出现纵向裂缝。
(3)箱梁翼缘板横向裂缝：主要指翼缘板下侧，一般在几天内或模板拆除一天内即会出现。这是在硬化阶段形成的温度应力裂缝，但它的产生与翼缘板纵向钢筋的布置数量多少、间距、钢筋直径大小等有关系。此类裂缝严重时会贯穿翼缘板，有时从顶板向下渗水，非常明显。
(4)箱梁腹板内外侧竖向裂缝：此类裂缝大约出现在3天左右，此类裂缝也是由于箱内混凝土温度达最高点后，然后开始下降时，由于体内外的温差变化，混凝土体积变小，但由于受模板特别是不规则的内模如变截面、锯齿块等各方面的约束，不能自由收缩引起的。此时混凝土的强度、弹模均较低，特别是混凝土的抗拉强度不足以完全抵抗此时由于体内温度收缩引起的混凝土的拉应力，致使箱梁腹板内、外侧产生裂缝。
3 裂缝控制措施
3.1 优化混凝土配合比
海工耐久混凝土的设计，包括混凝土的原材料的选用和配比优化设计原则，除满足强度等级、水胶比、胶凝材料用量、含气量、工作性能等普通混凝土的要求外，还应满足混凝土抗裂性和抗氯离子渗透性能的要求。
3.1.1 在配合比设计阶段：首先要控制原材料的配合比，高度重视配合比的工作，尽量避免早强、超强。配合比设计应遵循：试配阶段应进行抗裂性能的对比试验，并从中优选抗裂性能良好的混凝土原材料和配比，还要进行混凝土弹模，不同龄期自由收缩和徐变试验。#p#分页标题#e#
为提高混凝土的结构耐久性，改善混凝土配合比应遵循的一般原则如下：
(1)选用质量稳定并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥和集料等原材料，在混凝土中掺入矿物掺和料，并保证掺量合适。还要时刻了解原材料的变化，特别是矿粉、粉煤灰、外加剂等的变化情况。如了解生产粉煤灰原材料(煤)的变化情况等。一般情况下，掺和材料的比表面积越大，混凝土的强度越高，但混凝土的收缩量也越大。故在能保证混凝土的设计强度、弹模和氯离子扩散系数等技术指标的情况下，掺和料并非越细越好。
(2)控制混凝土的绝对温度，即控制胶凝材料的总用量或胶凝材料总的热量，并设法将水化热的温度峰值朝后推，即推迟水化热温度峰值产生的时间。
(3)适当降低混凝土的水胶比，在混凝土中添加引气剂。高性能混凝土的水胶比比较小，国际上曾用到0.28，但由此也带来了许多问题，如混凝土的早期开裂。因水胶比小，则其抵御温差的能力非常低，稍有不慎就会出现裂缝。后来国际上应用从小变到大，并不提倡一味的降低水胶比，这是许多工程实例的教训。
3.1.2 拌制混凝土时，应严格执行配合比。以前施工大都有随便变更施工配合比、随便加水等不良习惯，在此应坚决杜绝。因为任何微小的变化均有可能导致混凝土性能的变化，如早期强度、弹模、塌落度、其它工作性能等、裂缝等各种不利情况发生。应确保混凝土的拌制时间，混凝土的拌合应严格按照有关规定执行。
(1)拌制时，原材料及各种矿物掺和料、外加剂的计量要非常准确，特别是原材料(砂、石)的含水率的变化、外加剂掺量的微小偏差都将引起配合比的变化，并增加裂缝控制的难度。矿物掺合料的充分分散是影响混凝土的性能的关键。同时海工混凝土拌合时间也要比普通混凝土的拌和时间稍长一些，这都是因为海工耐久混凝土比较脆弱，波动性较大的原因。因此必须严格控制工艺，计量一定要准确。
(2)由于矿粉等掺和物的颗粒极小，比表面积为水泥的几倍或几十倍，致使海工耐久混凝土水化时释放的热量多;同时其温度控制要求高，梁体内温升峰值控制困难，特别是对于像杭州湾跨海大桥70米箱梁这种大体积、薄壁混凝土结构，由于水化热升高使体内温差加大，更容易产生裂缝。因此对原材料的入机温度、混凝土初始入模温度等各方面均要严格控制。特别是夏天，要对砂石料遮阳、降温，对水泥要提前预留散热时间或采取其它降温措施，如在拌和用水中加冰块降温等。海工耐久混凝土配合比也应针对夏天、冬天、标准常温设计不同的配合比，并有相应的措施，因为它对外界环境温度是敏感的。
3.1.3 施工时保证新拌混凝土能及时并有连续较长的养护时间。这一点将在后面做具体的分析。
3.1.4 严格控制一些关键温度：
(1)控制混凝土的入模温度，不宜超过28℃，不应大于30℃;
(2)大体积混凝土入模后30分钟的最大温升应小于30℃;
(3)混凝土的出机温度应控制在5℃～28℃之间。
3.1.5 其它有关措施：
(1)对热应力裂缝：由于胶凝材料的水化引起体积变化所导致的裂缝，在混凝土配合比试配时，为防止这种热应力裂缝的措施是减少胶凝材料的用量，降低总的水化热，不要超强，掺粉煤灰及合适数量的磨细矿粉。
(2)对收缩裂缝的防止，可以采用最小的总水量，最小的水胶比，减少水泥浆的用量，尽量采用容许的最大粒径的骨料并尽量增加其用量。
3.2 控制裂缝产生的另一个措施就是良好的养护
等待凝固的时间正是混凝土对塑性收缩裂缝最敏感的时间。因此，需要及时养护。塑性收缩裂缝还取决于混凝土泌水、气温、相对湿度、混凝土温度、风速等因素。解决的措施就是养护，也就是控制水份的蒸发，控制热量损失速率——保温隔热。但对于收缩裂缝，养护至少可以延缓裂缝的产生，这对于预应力混凝土梁是很有好处的。因为到裂缝即将产生时，正好预应力已初张拉完毕。
对于海工耐久混凝土，施工时应尽量减少混凝土暴露的工作面和暴露时间，浇筑完后应立即抹平进入养护程序。
实际上对于普通混凝土来说养护也是非常重要的环节。以前许多工程中出现的裂缝，绝大多数是因为养护没有及时跟上或是措施不当或工艺不到位等造成的。高性能的混凝土对养护的要求很高，可以说海工混凝土最后的成功与否、是否开裂，在配合比一定的前提下，养护起决定的作用，而养护要求与环境温度息息相关。
养护的一般措施有：a)对混凝土喷雾;b)建挡风设施;c)在抹面操作过程当中，对还未来得及抹面的混凝土用塑料薄膜覆盖;d)使用养护剂;e)一次完成抹面。海工耐久混凝土比普通混凝土养护措施要更多、更细、更及时。
(1)养护材料：应选择粗麻布织物，工程织物(如土工布)，液体膜形成剂或者棉织垫层材料，对此许多技术规范有相关的规定，杭州湾跨海大桥70m箱梁预制采用的是比较好的土工布与养护剂相结合的措施。
(2)养护开始时间：应在浇筑完毕后立即进行覆盖保温。对于所有暴露的没有模板覆盖的表面包括箱内底板顶面，在不影响混凝土表面质量的情况下应尽早覆盖养护材料。对箱梁混凝土顶板，在浇筑完并收浆抹平之后混凝土面能站人而无脚印时，应开始覆盖养护毯或麻布织物，并在搭接处有足够的重叠，以形成有效的防干燥密封空间，然后立即浇水保湿(冬天除外)，并在整个7天养护时期内保持湿润状态。杭州湾跨海大桥70m梁预制施工时设有专门的收浆平台，对桥面进行收浆作业时，不站在混凝土上，这样保证了不破坏混凝土面的平整性。在覆盖土工布前若天气干燥、气温较高、风速较大，可以用喷雾器在混凝土表面喷水保持潮湿，直到盖上土工布等材料后洒水养护。#p#分页标题#e#
洒水养护宜用自动喷水系统或喷雾器，保湿养护应不间断，不得形成干湿循环，同时应根据气温情况，掌握适当的时间间隔，在养护期内保持表面潮湿，如气温低于5℃时应覆盖保温，不得浇水养护，养护工作至少应持续到满足规范或设计要求为止。
(3)侧翼模及内模拆模后养护以喷洒养护剂为主，也可立即采用不间断的浇水养护。
(4)蒸养：蒸汽养生是冬天控制梁体温升的一个好方法，但它必须严格控制温度，无论升温、还是降温。还应特别注意升温的最高幅度，最高值及间隔时间。另外，还要采取措施确保密不透风，无论箱内外、箱内上下温度要确保一致，否则会有相反的作用。由于70m箱梁体积大，很难达到上述要求，因本工程工期并不受控制，因此，我们没有采取蒸养。
(5)冬季养护：当昼夜平均温度低于5℃或最低温度低于-3℃时应按冬季施工办理，不得进行浇水养护，应采取保温保湿措施。为防止冬季穿堂风对箱梁端部及箱内造成较大的温差，箱内混凝土收浆抹面完后立即对箱内两端用油布或专用养护罩覆盖住箱梁洞口进行保温处理。箱梁顶板混凝土采用三层覆盖法进行保温养护。顶板混凝土灌注完第二次收浆抹面后，首先覆盖一层塑料薄膜防止水分散失和保持混凝土表面的温度，当混凝土上能站人而不留脚印时赶快用干燥的土工布覆盖在薄膜上，而后再在土工布上再覆盖一层油蓬布并用重物压实，以防止大风吹起油蓬布降低了温度。为了保证梁体混凝土强度的正常增长，在外侧模上混凝土区域内喷上保温泡沫和延长脱外侧模的时间来对箱梁梁体进行冬季养护，实践证明养护效果非常好。
3.3 为了防止桥面纵向裂纹的产生，根据杭州湾跨海大桥技术规范的要求，当混凝土达到一定的强度后才允许拆除模板，特别是承重模板更需满足要求，且混凝土达到一定强度前不允许在桥面上堆载或承受一定的压力，确保无纵向裂纹的出现。
3.4 二次张拉的工艺措施
为防止箱梁混凝土早期出现裂缝。我们在杭州湾跨海大桥70m箱梁预制时作了一些有益的尝试，对箱梁进行二次张拉，即初张拉和终张拉。这里的初张拉与以往的概念不同，以往大多是为了加快制梁台座周转，初张拉完后即移往存梁台座进行终张拉，而在此处，我们把它作为控制混凝土早期裂缝的一种工艺措施，且此时的初张拉力不足以使70m的箱梁能够移运。必须继续待在制梁台座进行终张后才能进行下一道移梁工序。初张拉的理念是根据我们以往施工中控制混凝土早期裂缝的经验总结出来的。它的原理就是在混凝土早期温度增长过程中，由于水化热变化大，混凝土抗拉强度非常低，极易产生裂缝，此时我们采取初张拉，给其施加一定的压应力，以补偿由于早期混凝土弹模及强度不足(特别是抗拉强度的不足)，这样可以有效地控制混凝土早期裂缝的出现。
理论上来说初张拉的时间是越早越好，但考虑到混凝土早期强度和弹性模量的不足，锚下应力过大容易造成锚下混凝土局部开裂，根据我们对箱梁的测温试验记录和温度监测，混凝土在浇筑12h内到43h时升到温度最高值52℃，之后温度开始下降，七天后接近环境温度(此时环境温度20℃)。再根据我们的配合比中混凝土早期的强度增长情况统计，以及设计院针对梁体本身及锚下应力推算得出了初张拉的预应力束及初张拉力的数值，此值最好使断面均匀受压。我们控制初张拉时混凝土的强度不小于C25，弹模不小于18.8GPa，张拉控制力按箱梁腹板设计索力的30%控制。此是通过大量的实验数据提出来的，可能要根据混凝土配合比及早期的强度，弹性模量等增长曲线而定，另外，根据预应力的布置不同而变化。
另外，由于内模、锯齿块和变截面段混凝土收缩产生约束作用，为了保证初张拉的有效应力，因此必须在内模快速拆除之后方可进行。
上述初张拉的工艺措施主要是针对箱梁腹板内外侧的竖向温度应力裂缝而采取的。事实证明，这是非常有效的。但此工艺措施有一个缺点，即增加了一道施工工序，在某种程度上增加了制梁周期，加大了成本。
4 结束语
海工耐久混凝土的大跨度、大体积箱梁施工裂缝是一个普遍存在的问题，无论是在国内还是在国外;不管是现浇还是预制。如果措施不力，工艺不正确，都将会出现。我们只是在控制裂缝的产生方面做出了一些有益的尝试。事实证明效果是良好的，工艺措施是非常有效的，裂缝产生得到了有效的控制，特别是二次张拉中的初张拉工艺措施。总之通过优化混凝土配合比，加强养护，采取一些有效的工艺措施，箱梁裂缝就可以控制。
