预应力混凝土空心板“蒸养”裂纹产生与防范

预应力混凝土空心板“蒸养”裂纹产生与防范摘要：在预应力空心板冬季“蒸养”过程中，混凝土初期养护管理、升降温梯度、板梁上下散热速度差以及大梁内是否配置防裂钢筋等都将对大梁的浇注质量产生影响，本文以南京禄口高架桥为例，对大梁的“蒸养”裂纹作了详细分析，提出了相应的防范措施。在现代桥梁工程中，预应力混凝土空心板梁由于其自重轻、结构性能好、施工方便等诸多有利因素而被广泛使用，在我省已完工的沪宁高速公路、禄口机场高速公路、宁马高速公路等许多桥梁中就普遍采用了这种结构，取得了良好的社会、经济效益。但在冬季施工过程中，特别是当板梁的预制采用蒸汽养护时，梁体经常会出现“蒸养”裂纹。下面就以南京机场高速公路禄口高架桥为例，对空心板梁“蒸养”裂纹产生的原因及防范措施作一分析，供桥梁工程师们参考：１问题的产生禄口高架桥是南京新场高速公路的重点工程，全长２３８０ｍ，其中６０％以上的上部结构采用了先张法预应力混凝土空心板梁。该桥设计荷载为汽车一超２０，挂车－１２０，梁体混凝土标号为５０号，板梁长１９９６ｍ，宽９９ｃｍ，高８５ｃｍ，其断面尺寸如图所示。大梁的预制于年底开始，为保证质量，缩短养护周期，加快施工进度，对板梁采用了蒸气养护法。元月，气温骤降５～１０℃，日均温度在０～５℃左右。当时大梁已经过静养、升温、恒温、降温等养护过程，揭开油布冷却，发现很多梁顶部出现了裂纹，裂纹１～４条不等，裂纹宽０１～０２ｍｍ，深度在１～３ｃｍ，基本分布在大梁的跨中、１／４跨和３／４跨处的顶板。２原因分析２．１混凝土内外温差所致。在冬季施工过程中，因为外界温度较低，而大梁混凝土中由于水化热的原因产生很大的热量，根据经验公式：ｔｍａｘ＝ｔｏ＋ｑ／１０其中：ｔｍａｘ——混凝土内部最高水化热℃；ｔｏ——混凝土浇筑温度℃ｑ——每立方混凝土中水泥用量ｋｇ／ｍ３；可计算出混凝土内部最高温度ｔｍａｘ＝５℃＋４６２／１０＝５１２℃本例混凝土配比中水泥用量为４６２ｋｇ／ｍ３当油布掀开后，混凝土表面遇冷将发生急剧收缩，而内部混凝土因水化热尚未完全消失而发生较大的内外温差，从而形成一种内胀外缩的现象，导致混凝土表面产生裂缝。２．２梁体顶板与底板收缩不一致大梁横断面尺寸可以看出，顶板较薄，一般为７～８ｃｍ，而下底板较厚，一般为１５～１６ｃｍ，当油布掀开后，上顶板的冷却将快于下底板、收缩也将大于、快于下底板，而此时埋设于大梁底部的钢铰线尚未剪索，梁体预应力尚未得到再加上上顶板布筋少，抵不住这种大的拉应力，从而导致了顶部裂缝的产生。２．３养护时降温梯度过快。据当时的施工记载和监理抽测，部分大梁降温时降温梯度在１０～１５℃，而根据《公路桥涵施工技术规范》明确规定，当表面系数等于或大于６时，降温速度不得超过５℃，而在该例中，大梁表面系数已达１１９１ｍ２／ｍ３，降温梯度明显高于规范要求。表面系数为结构冷却面积与结构体积之比３防范措施３．１加强混凝土梁的养护管理。在梁体混凝土温度冷却至与外界温度相近时，方可拆除加热养护结构的模板和保温层如油布；当混凝土与外界气温相差大于２０℃而要拆除模板时，混凝土表面应加以覆盖，并使其缓慢冷却，严禁提前掀开油布。３．２大梁冬季施工采用蒸汽养护时，应适当增加大梁内的抗裂钢筋。可在大梁的顶部及两侧适当增加纵向非预应力钢筋，以提高这部分混凝土的抗拉能力，防止裂纹的出现。施工时可考虑在大梁的顶部增加２根φ１２钢筋，在大梁两侧增加４根φ８的钢筋。３．３提前释放预应力。在大梁梁体冷却至５～１０℃时应立即拆模，当混凝土强度达到设计强度的９０％时，应剪索，完成对大梁施加的予应力。３．４严格控制升降温梯度。严格按规范规定，控制升降温梯度。当表面系数大于６时，升温速度不超过１０℃；恒温温度不超过６０℃；降温速度不超过５℃，从而避免升温过程中的膨胀裂缝和降温过程中的收缩裂缝。４结束语事实表明，采用了以上防范措施后，禄口高架桥在后来施工的近千块板梁中再未出现裂纹，从而有效地解决了预应力板梁的冬季蒸养裂纹的问题。近年来由于高等级公路的迅速发展，工程质量的控制越来越严格，尽管高速公路桥梁大部分属于常见桥型，由于施工队伍素质的差异，桥梁工程在建设中都存在不同程度的质量问题，有些教训是深刻的。笔者就常见质量问题以及如何预防，提出一些看法，供质量控制时参考。１先张法空心板梁先张法空心板梁从台座制作，预应力张拉、混凝土浇筑、钢绞线放张，施工过程中均引起了足够的重视。但由于多为集中预制，混凝土采用蒸汽养护为多，这样出坑频率快，周期短施工企业效益高，然而板梁拆模后规则裂纹较多。主要是因为蒸汽养护瞬间停止后，降温太快，梁体内外温差较大，导致梁体产生温度裂缝，因此施工中，降温速度不宜超过１０℃／小时。这是很多施工单位不理解，不注意的新问题，特别在冬季，蒸汽养护停止后，立即拆开养护棚，梁外部的气温迅速下降。这时，如果梁内部和外表成温差超过６０℃，梁外面就会产生温度、裂缝。２后张法宽幅空心板梁后张法宽幅空心板梁近几年来在高速公路上应用较为广泛，因其预制方便，安装简单。但板幅宽，腹板薄，梁高度低，且多采用扁波纹管和扁锚，因而施工中应注意：①由于混凝土分两次浇筑，必须注意新老混凝土的结合，严格按照施工缝的处理办法，同时防止浇筑混凝土时的芯模上浮，以免使顶厚度减少。②由于边板与中板张拉后反拱度不一样，通常边板大于中板。因此予制台座的反拱设置应考虑此差异。③扁波纹管设计时必须满足桥梁设计规范构造要求，确保压浆饱满密实。④由于锚下常采用钢纤维混凝土，钢纤维材料尺寸、抗拉强度以及抗腐蚀性能必须符合规范要求，钢纤维混凝土拌合、试配、钢纤维含量必须严格按国家有关施工规范进行，否则钢纤维的锈蚀将危及桥梁使用安全。３部分预应力混凝土组合箱梁部分预应力混凝土组合箱梁，目前在高速公路上得到了广泛的应用，与同等跨径板梁、Ｔ梁、组合工字梁相比，结构高度低，抗扭刚度大，混凝土用量少，且较为美观。由于其底板、腹板均较薄，且结构连续处同样采用扁锚，故施工中应注意如下问题：①由于箱梁断面一次成型，底板混凝土有浇筑不密实的现象。产生原因：底板混凝土是从腹板挤进去的，由于波纹管的影响，部分粗骨料无法进入底板，因此芯模制作时必须考虑施工人员进入箱内进行补料、补振，确保混凝土密实。②负弯矩波纹管预埋，必须准确可靠，往往施工中，由于管道不对齐，增大了穿束难度，增加了预应力损失，同样也应注意扁波纹管下混凝土不易密实的问题。③由于负弯矩处预应力钢绞线长度一般小于２０ｍ，因此宜采用一端张拉，以减少由于钢绞线回缩引起的预应力损失。４满堂支架施工的ＲＣ或ＰＣ连续梁桥由于匝道桥大部分是满堂脚手现浇箱梁，施工中必须进行如下控制：１支架地基处理方法可根据现场地质情况，采用小木桩处理、灰土＋素混凝土处理等方案，必须注意施工期间防止雨水浸泡，应开沟排水，以免地基变形。地基处理后，还须进行预压。２支架预压，其预压重量为恒载重量，目的是消除支架的非弹性变形，待支架沉降稳定后，卸载。沉降稳定的标准是连续观察一周，仅有３ｍｍ以内变化为稳定。卸载前测得的总变形包括弹性和非弹性两部分，一般以弹性变形作为设置预拱度的依据。对于上跨老路桥梁，例如老路为沥青混凝土，不要认为老路已经运营多年，沉降基本稳定，不需预压，这种观点是错误的，教训也是深刻的。３混凝土浇筑必须注意浇筑程度。根据施工机械配备情况，可以采用多孔一联一次性浇筑；也可采用１／４Ｌ处设施工缝、墩顶为合拢段的分段浇筑。４落架程度必须从跨中向支点对称落架，以防产生内力重分配，使梁体开裂。这是体系转换要考虑的。５关于预应力管道预埋和预应力筋张拉５１对于连续箱梁由于管道长，波纹管直径必须大于钢绞线公称直径２ｃｍ，以防压浆不密实；同时建议混凝土浇筑前先将钢绞线穿入。５２对于采用连接器长的预应力筋，当长度超过２５ｍ，由于只能采用一端张拉，往往按现行知规计算的理论伸长值，与实侧伸长值存在较大偏差，施工单位应分析具体情况，采取正确的措施，防止预应力不足。５３目前大量采用了自锚体系锚具，锚固损失和锚圈口摩擦损失有一最佳值，施工前必须对千斤顶限位板进行试验调整，以得到一个最低值。这一点在施工过程中往往不能引起足够的重视。如某桥由于限位板限位量偏小，锚圈口的摩擦引起的损失达到预加力的３０％。以上是笔者根据几年的现场实践得出的一些体会，也是工程中常常出现的质量问题，提出来与同行们讨论，使我们的桥梁质量在施工中得到及时的控制。总结以上施工过程，该裂缝产生的原因有以下几个方面：3.2.1高标号混凝土T梁一般外形尺寸较长、大，采用的均为高标号混凝土，其水泥含量高，水泥干缩性也就大，混凝土的抗拉性有不好。一旦混凝土的外表面的水分比内部蒸发的快，虽然养护及时，也足以造成梁体内外混凝土收缩不一致。相对而言，梁体外部的混凝土收缩量较内部的大，这是造成梁体出现裂缝的原因之一。3.2.2混凝土沉降腹板在浇注完成后，依旧受附着式振动器振动，其本身还有一定的微量下沉空间，连续浇筑顶板混凝土后，腹板混凝土也就完成了其大部分的微沉，而梁顶板与腹板相连接处的梗部混凝土因钢筋阻碍无法随腹板混凝土的微沉而下沉，因而在梁梗部形成簿弱线，尤其在钢筋布设处的混凝土最为簿弱，所以混凝土在此处因腹板混凝土局部下沉而产生拉应力，容易将混凝土拉裂缝。3.2.3混凝土保护层不足在浇筑过程中，由于钢筋受到踩踏，混凝土下料高度过高冲击钢筋骨架，钢筋保护层变薄，造成钢筋下无粗集料的现象。就是说，在保护层不足的钢筋下，只剩下高标号的水泥砂浆，而其突出特点是易裂，这也是梁梗部产生裂缝的原因之一。3.3预防措施造成梁体裂缝的原因大体就是上述的三条，针对这三条原因所采取的措施是：（1）、增加腹板混凝土施工后的合理技术间隙时间（在混凝土初凝时间内），以便尽量完成混凝土剩余的自沉。（2）、增加顶板混凝土二次复振，使顶板混凝土沉实并与腹板密贴，同时也要加强振捣，消除钢筋外混凝土难以振实的缺陷。（3）、要控制好混凝土的保护层厚度，特别是梁体的薄弱部位要特殊处理，增加垫块，严禁踩踏钢筋等。（4）、在梁梗部，合理增加抗裂钢筋网，减少裂缝产生的几率。（5）、保证施工人员规范操作、机械设备配置合理等一些作业常识。3.4对已经产生裂缝的梁处治办法对已经出现的裂缝，首先应在裂缝末端钻眼截住裂缝，以防止继续开裂。截住缝钻孔深度宜小于或等于裂缝端部的缝深，随即对裂缝进行破口检查，检查裂缝深度；其次分析梁体裂缝处的应力状态，包括施工阶段和使用阶段；再者，分析裂缝深度和位置对梁的危害；最后，在上述分析的基础上，对于允许修补的梁，采用目前已有的修补方法和自己掌握的技术水平，选择适合的修补办法给予修补。如上所举实例中出现的T梁裂缝，其中除了第2、5两榀梁因为裂缝较长，安全起见报废外，其余的梁均采取上述裂缝处治办法。首先进行钻眼止缝；其次检查该缝裂深，最深1.5cm（到钢筋为止），缝宽0-2.5mm；再次分析梁体裂缝处的受力状况，该梁梗部属受压区，裂缝存在对于梁梗部受压不利，且梁梗部裂缝对内部钢筋有锈蚀。最后制定了处治措施，具体修补办法是：裂缝宽度≥0.02mm者，采用注射高强度混凝土粘合剂的办法来粘结混凝土；裂缝<0.02mm者，凿开裂缝，采用灌注环氧树脂砂浆来粘结修补裂缝。上述两种修补办法，经过检查，效果比较理想。

4、空心板裂缝

4.1实例

原新高速公路某标段预制厂生产20m和16m预应力空心大板，进入冬季后，该施工单位采取了必要的冬季施工措施，冬季施工的第1块板时室外气温为-1-4°C，日平均气温为2-5°C，该梁浇筑完成后，操作人员马上将温棚内的温度升高，温度升高的记录见表2：表2项目

单位

记

录

备注时间

h

0.5

1.0

1.5

2

4

6

10

温度

°C

1.5

6.2

8.5

11.6

13

14.2

14.8

36小时后，进行了拆模，在空心板跨度2/5处出现一条1mm宽的裂缝，该裂缝贯通空心板侧面和2/3底板，只有1/3底板未开裂，试压三天期同条件养护试件，强度已经达到设计强度的79.9%。第七天试压了同期同条件养护的试件，其强度已经上升到设计强度的101%。于是，第七天时，对该板进行了预应力张拉，张拉后裂缝消失，（用十倍放大镜只能看到板梁的上1/5高以上有细微裂缝）。由于对该板不放心，经各方面研究决定：用该板做非破坏性荷载试验，试验最大荷载为120%设计荷载。在该板浇筑完成后的第31天，进行了试载，试载过程显示情况为：在荷载达100%设计荷载时，板底未出现裂缝；在荷载达到109%设计荷载时，板底出现一条裂缝，缝宽为0.08mm；在荷载达到115%设计荷载时，板底出现四条裂缝，最大缝宽为0.22mm，最大高度0.38mm，板体原横断面裂缝处仍无破坏现象；再加荷到设计荷载的123%时（由于荷载量级原因超过原计划120%3个百分点），板底最大裂缝宽度加大到0.51mm，梁体原横断面裂缝处仍无破坏现象，卸载至100%时梁体的裂缝宽度消失。完全卸载后，梁体的预拱度有0.3mm的残余变形，比预计的残余变形小。理论上说，该梁可以使用，但为安全起见，作为试验板，不在使用。

4.2原因分析该空心板产生的