预应力空心板裂缝分析

(内蒙古大学交通学院，内蒙古 呼和浩特 010000)
摘 要：文章结合工程实例，通过对预制厂预应力空心板 预制的全过程进行调查分析,对施工工艺做了详细了解,找出了产生裂缝的原因,提出了改进 措施,使预应力混凝土空心板表面裂缝得到了控制。
关键词：预应力；空心板；施工工艺；裂缝；控制
中图分类号：U416.216^＋.1  文献标识码：A  文章 编号：1007—6921(2008)20—0115—02

预应力 混凝土空心 板在施工过程中,易产生裂缝。影响因素有:温度应力、原材料质量、施工工艺、荷载引起等 。加强施工过程主要工序的管理,特别是混凝土的养护,对消除混凝土的表面裂缝尤为关键。 在该高速公路施工中,L1合同段先张法20m预应力混凝土空心板出现了竖向裂缝的现象,通过 对预制厂预制的全过程进行调查分析,对施工工艺作了详细了解,找出了产生裂缝的原因,提 出了改进措施,使预应力混凝土空心板表面裂缝得到了控制,有效地防止了混凝土表面裂缝的 再次发生。
1 裂缝的产生

空心板在混凝土浇筑完成拆模后,沿连接筋竖向产生长度50～150mm,宽度为0.02～0.08mm 的 裂缝,顶面也出现50～100mm,宽度为0.02～0.12mm的裂缝。凿开混凝土裂缝发现,裂缝深 度在0 ～5mm之间,初步判定为收缩裂缝或温度裂缝。不影响空心板的正常使用,但考虑预应力钢绞 线放张后,有使混凝土顶面抗拉强度降低,致使裂缝长度、宽度和深度增长的可能,为此,分析 裂缝产生的原因和改进措施是完全必要的。混凝土裂缝在浇筑后第一个24h内产生,这时 混凝土最敏感产生震动裂缝、收缩裂缝和沉陷裂缝。早期裂缝一旦发生,会增加混凝土的渗 透性,并使混凝土暴露于易损伤环境的表面增加,这使混凝土早期老化,裂缝的产生使混凝土 渗水性增大,严重降低混凝土的强度,从而影响其耐久性。并缩短其使用寿命。
2 裂缝产生的原因分析

鉴于预应力混凝土空心板产生裂缝,对施工中的各个环节进行了分析。
2.1 原材料因素

水泥采用大同水泥42.5R,经检验符合规范要求,水泥用量:500kg/m³。高强混凝土由于其水 泥用量大多在(450～600kg/m³),是普通混凝土的1.5～2倍。这样在混凝土生成过程中由于 水泥水化而引起的体积收缩即自缩就大于普通混凝土,出现收缩裂缝的机率也大于普通混凝 土。同时在硬化早期由于水分蒸发引起的干缩也将大于普通混凝土。碎石采用怀来碎石,级 配符合规范要求,压碎值8.3%<12%(规范指标),含泥量0.7%符合规范要求。砂采用万全兴达, 符合规范要求,细度模数Mx=2.7,级配符合规范要求。水采用机井水,属饮用水。减水剂为北 京的FDN-5,符合规范要求。
2.2 设备因素

对张拉设备进行校验,如果张拉用的千斤顶油表度数不准,张拉力超过设计值,造成台座变形 位移,假如浇注完混凝土后,台座发生变形,混凝土表面就会产生裂纹。经检查,设备符合要 求,台座地基满足要求,没有发现台座变形、位移、下沉现象。
2.3 施工工艺因素
2.3.1 混凝土的拌制。拌和设备是500型强制式搅拌机,拌和时间为1min左右,时间过短,从 而影响混凝土的均匀性,取其坍落度为13.5,判定水灰比超过了设计用量,水灰比过大,混凝土 干缩量加大,产生干缩裂缝。
2.3.2 混凝土浇注。工地采用插入式振动器振密,振捣过程出现过振现象,致使混凝土表面 粗细集料离析,靠近模板的混凝土表面细集料集中:
2.3.3 混凝土养生。现场操作往往是等混凝土脱模后才开始养生,空心板顶面裸露在大 气中,夏季最高气温达35℃,加快了水份的蒸发,致使表面干缩裂缝。
2.4 混凝土内箍筋的影响因素

由于钢筋和混凝土膨胀率的差异,钢材的膨胀率大于混凝土的膨胀率,混凝土表面的拉应力小 于钢筋膨胀所产生的应力,从而使混凝土表面拉裂。
2.5 混凝土自身应力形成的裂缝
2.5.1 收缩裂缝。混凝土的干燥过程是由表面逐步扩展到内部的,在混凝土内呈现含水梯度 。因此产生表面收缩大,内部收缩小的不均匀收缩,致使表面混凝土承受拉力,内部混凝土承 受压力。当表层混凝土所产生的拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。
2.5.2 温度裂缝。混凝土受水泥水化放热、阳光照射、夜间降温等因素影响而出现冷热变 化时,将发生收缩和膨胀,产生温度应力,温度应力超过混凝土抗拉强度时,即产生裂缝。可以 初步推断是由于水化热过大引起的温度裂缝。由于水化热作用,使混凝土内部与外表面温差过 大,这时内部混凝土受压应力,表面混凝土受拉应力。由于混凝土抗压强度远大于抗拉强度, 表面拉应力可能先达到并超过混凝土抗拉强度,而产生间距大致相等的直线裂缝(称温差裂缝 ),该结构裂缝形态正是如此。
2.6 荷载引起的裂缝

砼桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力 裂缝、次应力裂缝两种：
2.6.1 直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力裂缝产生的原因有：①设计计算阶 段：结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载 少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系统不够。结构设计时不考虑施工的可能性； 设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不 清等。②施工阶段：不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构受力特点，随意翻 身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式； 不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。③使用阶段：超出设计载荷的重型车辆过桥； 受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。
2.6.2 次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝裂缝产生的原因有以下几方面 ：①在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从 而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“X”形钢筋 、同时消减该处断面尺寸的办法设计铰，理论算该处不会存在弯矩，但宴际该铰仍然能够抗 弯，以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。②桥梁结构中经常需要凿槽、升洞、设置牛腿等，在常 规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表日月，受力 构件挖扎后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力 连续粱中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以 看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容 易出现裂缝。
2.6.3 荷载裂缝特征依荷载不同而呈现不同的特点：这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或 振动严重部位。但必须指出，如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，往往是结构达 划承载力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。根据结构不同受力 方式产生的裂缝特征如下：①中心受拉。裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于 受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。②中心受压。泪构件 出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。③受弯。弯矩最大截面刚近从受拉区边沿开始 出现与受拉片向垂直的裂缝，并逐渐向中轴方向发展。采用螺纹钢筋刚，裂缝间可见较短的 次裂缝。当结构配筋较少时，裂缝少而宽，结构可能发生脆性破坏。④大偏心受压。大偏 心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件，类似于受弯构件。大偏心受压构件，类似于中 心受压构件。⑤小偏心受压。小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压构件，类似于中 心受压构件。⑥受剪。当箍筋太密时发生斜压破坏，沿梁端腹部出现大于45°方向斜裂缝 ；当箍筋适当时发生剪压破坏，沿梁端垫下部出现约45°方向相互平行的斜裂缝。⑦受 扭。构件一侧腹部先出现多条约45°方向斜裂缝，并向相邻面以螺旋方向展开。⑧受冲切 。沿柱头板内四侧发生约45°方向斜面拉裂，形成>中切面。⑨局部受压。在局部受压区 出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。
2.7 温度变化引起的裂缝
2.7.1 年温差由于四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥 梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移可设置柔性墩等构造措施来协调，只有结 构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、钢架桥等。
2.7.2 日照桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其他部位，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，出现裂缝。日照和下述骤然降 温是导致结构温度裂缝的最常见原因。
2.7.3 骤然降温突降大雨、冷空气侵袭、日落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。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参 考实桥资料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。
3 其他原因引起裂缝
3.1 收缩引起的裂缝
3.1.1 塑性收缩发生在施工过程中、混凝土浇筑后4～5h左右，此时水泥水化反应激烈 ，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉， 因此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。塑性收缩所产生的量级很大，可达1％左右。在骨 料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。
3.1.2 缩水收缩(千缩)混凝土硬化以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混 凝土体积减小，称为缩水收缩(干缩)。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表 面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝 土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。
3.1.3 自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿 度无关，且可以是正的(即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土)，也可以是负的(即膨胀，如矿 砟水泥砼与粉煤灰水泥砼)。
3.1.4 碳化收缩大气中的CO₂与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。碳化收缩只 有在湿度50％左右才能发生，且随CO2的浓度的增加而加快。碳化收缩一般不做计算。
3.1.5 影响砼收缩裂缝的因素。①水泥 品种、标号及用量矿砟水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高，普通水 泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨 细度越大，则混凝土收缩越大，且发生收缩时间越长。例如，为了提高混凝土的强度，施工 时经常采用强行增加水泥用量的做法，结果收缩应力明显加大。
　　②骨料品种骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低 ；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大，收缩性较高。
　　③水灰比用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。
　　④ 外掺剂 外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。
　　⑤ 养护方法 良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。
　　⑥ 外界环境 大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝 土收缩越快。
　　⑦ 振捣方式及时问 机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。
4 裂缝的预防措施
4.1 严把原材料质量关

进场材料必须经严格检验后方能使用，对高标号混凝土地使用高标号 水泥，减少水泥用量，水泥初凝时间必须大于45min，细集料使用级配良好的中砂，细度模 数Mx应大于2.6，含泥量小于2%。粗骨料使用质地坚硬、级配良好的碎石，含泥量小于1% ，针片状颗粒含量应小于5%。严格控制水灰比，保证水的用量控制在标准之内。
4.2 混凝土拌和

细致分析混凝土集料的配比，控制凝土的水灰比，减少混凝土的坍落度，合 理掺加塑化剂和减少剂。混凝土拌和时间控制2min，不能过短，也不能过长。同保证混凝土 具有良好的和易性。
4.3 混凝土的浇注

混凝土浇注应选择一天中温度较低的时候进行，采用插入式振捣器振捣时 ，移动间距不应超过振捣器作用半径1.5倍，对每一振捣部位必须振动到混凝土停止下沉， 不在冒出气泡，表面呈现平坦、泛浆，边振动边徐徐提出振动棒，避免过振，造成混凝土离 析。
4.4 混凝土养护

混凝土浇注收浆完成后，尽快草帘覆盖和洒水养护，使混凝土表面始终保持 在湿润状态，不允许混凝土在高温下裸露暴晒，混凝土浇注完成后必须在侧模外喷水散热， 以免混凝土由于温度过高，体积膨胀过大，在冷却后体积收缩过大产生裂缝，养护时间不少 于两周。
4.5 芯模

充气胶囊在使用前应经过检查，不得漏气，有些空心板混凝土顶面裂缝就是由于混 凝土在未达到2.5MPa时，芯模漏气，致使顶面混凝土开裂。因此，预制之前检查芯模是否完 好格外重要。
5 总结

通过以上改进措施,混凝土表面裂缝逐渐消失。在预制过程前,一定要制定出施工工艺规程, 对所有参与施工的人员进行技术交底;掌握关键工序的技术要点,严格按规范要求检测各项指 标,发现异常,及时找出问题产生的原因,采取合理的处理措施加以解决,确保混凝土空心板的 预制质量。

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