预制70米预应力混凝土箱梁海工耐久混凝土裂缝控制技术

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

Abstract: In the Hangzhou Bay Bridge 70m box girder prefabricated construction process, optimization of marine durable concrete mix ratio and applying twice tension, strict maintenance technology and other measures has effectively control the cracks appearing in the large prestressed concrete thin-walled box girder.

Key words: 70m box girder; marine durable concrete; crack control

中图分类号：TU377 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

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。

2.2.270m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。

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。