高寒地區(qū)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土裂縫成因分析

高寒地區(qū)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土裂縫成因分析

混凝土是一種承受壓強度為1.8.1.20的脆弱材料。因此，如果內(nèi)部變形或外部變形的拉張力受到抑制，那么混凝土就會出現(xiàn)裂縫，裂縫是影響結(jié)構(gòu)耐久性的重要問題。因此，裂縫預(yù)防和科學(xué)研究是引起重視的問題?；炷两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因復(fù)雜而繁多,每一條裂縫產(chǎn)生都有一種或幾種原因。預(yù)應(yīng)力混凝土梁產(chǎn)生裂縫的原因主要有荷載、溫度變化、混凝土收縮、地基基礎(chǔ)變形、凍脹、鋼筋銹蝕、施工質(zhì)量等。西部某大型鐵路地處高寒地帶,海拔高,氣候環(huán)境嚴酷,其具體的特征為:年平均溫度處于-2～-6℃,冬季長達8個月,日溫差大,極端最高氣溫25℃左右,極端最低氣溫-45℃左右,紫外線照射強烈,大風(fēng)天數(shù)較多,經(jīng)常有四級以上風(fēng)且氣候變化無常,一天之中可見四季氣候,災(zāi)難性天氣較多。雖然相對濕度50%左右,但存在干濕變化頻繁的問題,致使混凝土產(chǎn)生不可恢復(fù)的一些變形,當(dāng)變形受到限制時,會造成混凝土產(chǎn)生裂縫。特別突出的是預(yù)應(yīng)力后張梁沿管道產(chǎn)生裂縫。經(jīng)統(tǒng)計,出現(xiàn)裂縫的梁體裂縫大部分在1～3m,最長的幾乎貫穿全梁,裂紋的寬度多在0.2mm以下。雖然這些裂紋不會影響結(jié)構(gòu)的安全和使用性,但會直接影響結(jié)構(gòu)的耐久性。因此分析研究裂紋產(chǎn)生的原因極其預(yù)防對策尤為重要。1凝土凝結(jié)硬化(1)該鐵路的預(yù)應(yīng)力混凝土后張梁產(chǎn)生的裂縫大部分發(fā)生在梁跨中,在跨中開裂的趨向大于梁端。根據(jù)某橋梁廠生產(chǎn)的開裂梁樣本調(diào)查,在跨中開裂的比例占所調(diào)查開裂梁數(shù)量的77.73%,梁端開裂的占7.27%,且裂縫主要沿著腹板處的預(yù)應(yīng)力管道分布。由于腹板比較薄,混凝土凝結(jié)硬化過程中波紋管對混凝土收縮有較強的約束作用,波紋管對混凝土變形起限制作用,且這種限制作用由于波紋管較粗,梁體腹板較薄,對腹板產(chǎn)生較大的集中內(nèi)應(yīng)力使腹板處容易開裂。(2)冬季生產(chǎn)的梁開裂的比例大于暖季。樣本調(diào)查顯示,如果以5月～9月為暖季,則在冬季生產(chǎn)的開裂的比例占23.1%,暖季生產(chǎn)的梁開裂比例占15.28%。且梁架設(shè)時間越長,開裂越多。如2004年澆筑的較2003年澆筑的開裂少,2003年開裂的較2002年開裂的少,2003開裂的梁占本年被調(diào)查梁的比例是2%～15%,2002年開裂的梁占本年被調(diào)查梁的比例是40%～50%。經(jīng)分析,可能是由于時間長,梁經(jīng)受的熱脹冷縮次數(shù)較多,這種累加作用較強,開裂的趨向較大。(3)冬季壓漿梁開裂的比例比暖季壓漿梁大。據(jù)統(tǒng)計,某橋梁廠生產(chǎn)的梁冬季壓漿開裂的比例是53.08%,暖季壓漿開裂的比例是46.92%。2較大的拉應(yīng)力引發(fā)混凝土裂縫根據(jù)調(diào)查結(jié)果,產(chǎn)生裂縫的梁體有16%是沿預(yù)應(yīng)力波紋管走向延伸,主要的原因是在預(yù)應(yīng)力的作用下沿著波紋管方向混凝土處于受壓狀態(tài),而垂直于波紋管方向處于自由狀態(tài)。引起混凝土開裂主要應(yīng)力為拉應(yīng)力,由于沿著波紋管方向已有的壓應(yīng)力可以抵消該方向拉應(yīng)力,因此沿著波紋管方向拉應(yīng)力引起豎向的裂縫就比較少。而垂直于管道方向無壓應(yīng)力的抵消作用,則由各種原因引起的該方向的拉應(yīng)力比較大,超過混凝土的允許抗拉強度時就會開裂,所以沿管道方向裂縫較多。綜合分析主要是由于各種原因產(chǎn)生的變形在梁體內(nèi)部受到鋼筋、波紋管、骨料等的約束作用時,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力與預(yù)加外應(yīng)力平衡后在梁的各腹板、各截面產(chǎn)生了重分布,當(dāng)重分布后的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時即可造成混凝土產(chǎn)生裂縫。分析討論如下:(1)壓漿材料及工藝問題。預(yù)應(yīng)力張拉后,進行壓漿時未對梁體進行保溫養(yǎng)護,因而導(dǎo)致白天氣溫較高,壓完漿后晚上氣溫下降至0℃以下,造成管道內(nèi)漿體材料早期受凍膨脹,使梁體沿管道垂直方向產(chǎn)生較大預(yù)應(yīng)力,該應(yīng)力與預(yù)壓應(yīng)力產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力疊加造成管道初期內(nèi)部裂紋(此時尚未擴放至表面)。另外,壓漿材料質(zhì)量控制不好,會產(chǎn)生較大泌水。(或W/C過大,控制不嚴)泌水使得漿體局部W/C過大。自由水回流至波紋管較低處(跨中)導(dǎo)致隨后的凍脹破壞。(2)氣候原因。該鐵路所處地海拔大多在4000m以上,白晝溫差在20～26℃之間,晚上0℃以下的天數(shù)在180天以上,太陽輻射強烈。因此,每天的冷熱交變可能使梁體內(nèi)外、陰陽面溫度差(同一時刻)在15～25℃之間,如此大的溫差必然產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。由于縱向有預(yù)應(yīng)力作用不會產(chǎn)生拉應(yīng)力,但橫向(特別是在沿管道薄弱斷面)將產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,該應(yīng)力與橫向壓應(yīng)變產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加也是導(dǎo)致沿管道開裂的主要因素之一。另外,由于海拔高,太陽輻射強烈,干燥的大風(fēng)天氣導(dǎo)致水分蒸發(fā)快,相對濕度小,導(dǎo)致梁體在太陽暴曬下干燥收縮加大,加之梁所用膠凝材料用量高(530kg/m3),更增加了砼的收縮開裂。故干縮也是引發(fā)沿管道裂紋的因素之一。(3)混凝土材料。該鐵路梁體砼材料采用了高性能混凝土,主要是在混凝土中摻入了高性能砼添加劑(DZ-4)和粉煤灰,膠凝材料總量達到530kg/m3。由于目前水泥細度偏細,在加上青藏沿線強輻射和干燥,必然加大砼干縮?？赡苡捎谀z凝材料用量過大,或摻入粉煤灰硅灰導(dǎo)致砼收縮加大,引發(fā)裂縫的開展。(4)梁體腹部混凝土保護層較薄,預(yù)應(yīng)力施加后由于沿管道的腹板斷面減弱,其抵抗能力相對降低。3室內(nèi)實驗分析與研究文章通過室內(nèi)模擬梁實驗,分析壓漿材料凍脹與梁體開裂成因關(guān)系。(1)水灰比對膨脹率的影響在室內(nèi)通過不同水灰比的水泥凈漿試樣,采用不同的養(yǎng)護條件,來模擬預(yù)應(yīng)力梁波紋管內(nèi)水泥凈漿的早期凍脹。配制水灰比為0.32和0.42的水泥凈漿試樣,在標(biāo)準養(yǎng)護條件下分別養(yǎng)護3h、6h、12h后進行冷凍,冷凍溫度為-20℃,冷凍時間為24小時。然后測定其冷凍后的體積膨脹率,實驗結(jié)果如表1。由表可見,試樣的膨脹率隨水灰比的增大而增大,且早期凍結(jié)發(fā)生越晚,膨脹率越小。這與理論情況一致。試驗過程中還發(fā)現(xiàn),試樣在凝結(jié)硬化過程中存在泌水現(xiàn)象且水灰比0.42的試樣較水灰比0.32的試樣更嚴重。凝結(jié)成型后產(chǎn)生收縮,泌水部位形成空腔,且內(nèi)部有大量未參與水化的自由水存在。以預(yù)養(yǎng)24h和2d的D系列試樣為例:D0.32-24h的水泥凈漿收縮率為1.2%D0.32-2d的水泥凈漿收縮率為1.6%D0.42-24h的水泥凈漿收縮率為2.0%D0.42-2d的水泥凈漿收縮率為2.37%由此可以表明,青藏鐵路32m預(yù)應(yīng)力梁波紋管內(nèi)水泥凈漿在凝結(jié)硬化過程中,也可能發(fā)生類似的泌水。自由水在重力作用下,沿波紋管道匯聚在一起,并交變氣溫的作用下,在水泥漿硬化形成的空腔中發(fā)生凍脹,從而造成或加劇預(yù)應(yīng)力混凝土沿波紋管道開裂。(2)混凝土徑向應(yīng)力在室內(nèi)模擬現(xiàn)場制作小梁,并在小梁內(nèi)埋置波紋管,在波紋管的兩側(cè)面的不同部位粘貼應(yīng)變片(如圖1所示),梁的尺寸為1200mm×450mm×200mm,混凝土配合比與該鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土后張梁采用相同的配合比,即水泥:砂:石:水=430:562:1194:150,摻入外加劑有DZ-4:47.8kg/m3,粉煤灰:64.5kg/m3。混凝土抗壓強度等級為C55,將小梁在常溫下養(yǎng)護28d后,進行波紋管壓漿,水泥采用強度等級為42.5R,參入10%DZ-4,水灰比為0.42,將梁分為三組,壓漿后分別養(yǎng)護3h、6h、12h,養(yǎng)護溫度控制在5℃～10℃,之后將其分別進行冷凍24h,冷凍溫度為-20℃。測出梁在養(yǎng)護和凍脹過程中,波紋管不同部位的徑向應(yīng)變,由此分析混凝土的應(yīng)力狀況。通過實驗,初步得到的結(jié)果是:1)三組梁體在經(jīng)冷凍后都有不同程度的裂紋產(chǎn)生,且裂紋與該鐵路現(xiàn)場出現(xiàn)裂紋類似,也是在沿著波紋管方向產(chǎn)生(如圖1所示)。2)養(yǎng)護3h的梁經(jīng)冷凍24h后的裂紋發(fā)展最嚴重,裂縫寬度最寬,梁體壓漿后養(yǎng)護時間越長,所測得的波紋管徑向凍脹應(yīng)變增長速度越慢。3)由于應(yīng)變片貼在波紋管的兩側(cè),通過所測波紋管兩側(cè)的不同部位的徑向應(yīng)變,假設(shè)其變形與其附近的混凝土產(chǎn)生共同變形,混凝土強度等級為C55,彈性模量為3.55×104N/mm2時,計算各測點的混凝土徑向應(yīng)力,可以看出,三組梁最大應(yīng)力都出現(xiàn)在中部,養(yǎng)護3h的梁中部應(yīng)力達到了15.2MPa,且都超過了混凝土的極限抗拉強度,足以讓混凝土開裂。三組梁隨養(yǎng)護時間的不同,其中部測點的早期凍脹應(yīng)力變化趨勢如圖2所示。4混凝土早期凍脹(1)該鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土后脹梁沿管道裂紋是由環(huán)境氣候、溫度變化、混凝土和壓漿材料等多種原因綜合下產(chǎn)生多種應(yīng)力的疊加形成的。(2)預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)如果壓漿后,壓漿材料早期受凍會產(chǎn)生很大的膨脹拉應(yīng)力,此拉應(yīng)力足以使波紋管附近混凝土開裂?；炷劣捎趬簼{材料早期凍脹產(chǎn)生的應(yīng)力分布示意如圖3所示。因此,水泥漿體的早