杭州湾跨海大桥预制墩身湿接头裂缝控制技术总结.docx
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杭州湾跨海大桥预制墩身湿接头裂缝控制技术总结
杭州湾跨海大桥预制墩身湿接头裂缝控制技术总结
1、引言
1.1、设计概况
杭州湾跨海大桥海中引桥基础由9根Φ1.5m钢管桩和直径10.5m,厚度2.8m圆形承台组成。
墩身为预制安装钢筋混凝土结构,墩身与承台安装接头,采用现浇钢筋混凝土,见图1.1示:
图1.1施工完成的混凝土湿接头
为解决安装固定,墩身下部设有临时混凝土支座.承台顶面留有杯形槽口和预留钢筋,墩身安装后,将上下预留钢筋相连。
临时支座详见图1.2:
图1.2标准混凝土支座结构图
预制墩身现浇混凝土湿接头为3.8×7.45×1.2m圆形椎台,单个湿接头混凝土方量为43.9m3,为C40高性能海工耐久混凝土,要求84天氯离子扩散系数小于1.5×10-12m2/s,全桥共474个湿接头。
1.2、施工特点和难点
⑴、湿接头处于风、浪、流条件极为恶劣的浪溅区,施工都很困难;
⑵、每天潮水两次变化,对湿接头混凝土环境温度和湿度有较大影响;
⑶、大体积海工耐久性混凝土,需要进行温控,防止收缩裂纹;
⑷、湿接头混凝土受上下、内外三向约束,收缩应力各向不均,易产生裂纹。
1.3、目前国内外湿接头混凝土裂纹控制水平
国内外已建成的东海大桥和美国弗罗里达州大桥预制墩身湿接头都存在较多裂纹。
美、法等国著名的桥梁专家,对杭州湾跨海大桥设计咨询认为,湿接头的裂纹问题很难解决,建议少用或不用这种接头形式。
1.4、杭州湾跨海大桥湿接头裂纹控制的主要思路
应用目前高性能混凝土研究成果,分析产生裂纹因素,在确保湿接头混凝土强度,抗氯离子渗透性、混凝土耐久性等设计性能前提下,通过室内试验、现场测试等手段,采取预控措施,分阶段召开专家会议,分析、总结、实施、逐步减少,以致达到消除湿接头裂纹目的。
本桥从2004年10月开始施工湿接头,到2006年11月份完成。
大致可分成四个阶段。
2、湿接头裂纹控制的第一阶段(2004年10月~2005年1月)
2.1、首批湿接头混凝土配合比设计
根据“杭州湾跨海大桥专用施工技术规范”和设计要求,首批湿接头混凝土配合比设计为表一中的配合比1。
详见表2.1:
混凝土配合比组分一览表表2.1(单位:
kg/m3)
材料产地
配合比
砂子Ⅱ区中砂
石子5~25
水泥
PⅡ42.5
矿粉Ⅰ级
粉煤灰Ⅱ级
膨胀剂UEA-B
减水剂
SP-8CN
阻锈剂Ca(NO2)2
水
胶泥材料(kg)
水胶比
福建闽江
宁波青峙山
安徽海螺
上海宝田
镇江谏壁
上海银鸽
上海麦斯特
山西克翕克
乍浦自来水
1
759
1006
135
180
90
45
5.4
9.0
135
450
0.3
2
788
1003
172
172
86
/
5.16
8.6
129
430
0.3
3
779
1032
162
81
162
/
4.86
8.1
142
405
0.35
4
779
1032
142
81
182
/
4.86
8.1
134
405
0.33
5
779
1032
140
60
200
/
4.86
8.1
132
400
0.33
2.2、施工工艺
湿接头模板采用单层专用钢模板。
混凝土采用水上搅拌船拌合,吊抖入模,混凝土坍落度16~18cm。
插入式高频振捣棒振捣密实,终凝收面后,蓄30cm深淡水养护,养护7天后拆模板。
2.3、拆模后的裂纹情况
第一阶段,即2004年10月12日份到2005年1月3日共施工了36个湿接头,做了5个典型墩的试验,使用的混凝土配合比为表2.1中配合比1,胶泥材料450kg/m3,掺用了微膨胀剂。
此阶段施工的湿接头,刚拆模时只有2个没有裂纹,刚拆模时未出现裂纹几率为5.6%,三个月稳定后出现裂纹的几率100%。
大部分裂纹上下贯通,裂纹宽度在0.1~0.2mm。
湿接头裂纹分布如图2.1示,裂纹条数与湿接头个数关系如图2.2示,裂纹宽度与湿接头个数关系如图2.3示。
湿接头裂缝分布简图图2.1
第一阶段裂纹条数与湿接头个数关系图图2.2
第一阶段单个湿接头裂纹宽度与湿接头个数关系图2.3
3、湿接头裂纹控制的第二阶段(即2005年1月3日到2005年2月15日)
3.1、产生裂纹原因分析
为了弄清裂纹发生原因,项目部委托武汉港湾设计研究院做了水化热和现场温控测试。
3.1.1、胶泥材料的水化热试验
不同混凝土配合比水化热结果如表3.1示:
编号
水泥
粉煤灰
矿粉
水化热(kJ/kg)
绝热温升(℃)
1d
3d
7d
1
30%
20%
40%
117
210
251
47.0
2
40%
20%
40%
76
164
203
36.3
3
60%
40%
/
123
170
191
32.2
4
40%
40%
20%
102
193
209
35.3
5
30%
/
70%
86
185
205
34.6
6
35%
50%
15%
60.75
129.25
180.46
30.0
7
30%
50%
20%
63.51
133.43
186.74
31.0
3.1.2、现场湿接头温控测试
为了探明湿接头内部温度情况,采用表2.1中的配合比1,在陆地上进行了模拟浇筑混凝土,测定混凝土温度。
混凝土内部温度变化情况图3.1示:
图3.1湿接头模拟试件温度变化曲线图
混凝土内部温度变化情况图3.1
环境温度20℃,混凝土入模温度25℃,最高温升62℃,内表最大温差20℃。
从表3.1和图3.1可看出,1组的水化热和最高温升最高。
3.1.3、湿接头产生裂纹原因分析
通过第一阶段试浇筑,产生裂纹的主要原因如下几方面:
1、大体积混凝土内外温差及不均匀收缩;
2、上下内外不均匀约束;
3、混凝土的自身收缩和干燥收缩;
4、不宜外掺混凝土膨胀剂。
现代理论,实践证明钙矾石类膨胀剂其膨胀效能与水胶比及矿物掺合料的掺入有着直接关系,更为重要的是,作为其膨胀源的钙矾石C3AC3CuSO4.32H2O的生成要吸收32个水分子,必须要有充分的水分提供保证,这在过去高水胶比低强度等级混凝土容易满足,然而对低水胶比就不容易。
如果即使膨胀在外界不均匀约束条件下,也会产生不均匀应力而开裂。
所以在湿接头混凝土中掺膨胀剂是没有作用的。
3.2、采取相应措施
⑴、优化混凝土配合比,减少自身收缩和内外温差,减少胶泥材料用量,胶材由450kg降到430kg、水泥由135kg升到172kg、矿粉由180kg降到172kg、粉煤灰由90kg降到86kg,采用表2.1中的配合比2;
⑵、取消膨胀剂;
⑶、改进支座的约束条件,由钢支座改为混凝土支座;
⑷、调整钢筋间距,将原设计环向水平筋放在外侧,其间距由15cm减少到10cm。
5、现场控制好混凝土配合比和坍落度16~18cm;
6、外掺聚丙烯纤维、防止早期裂纹;
7、混凝土浇筑过程中,布料均匀,振捣合适,不过振或漏振,及时收面,蓄淡水30cm养护。
3.3、不同品种聚丙烯纤维试验
2004年11月12日至2005年元月10日期间,对31个湿接头进行多种纤维效果试验,结果见表3.2:
掺加不同纤维湿接头裂纹发生数据表表3.2
序号
采取工艺
墩座数量
拆模时裂纹数
稳定后裂纹数
最大缝宽
最大缝≥0.15mm占的比率
1
掺加上海新纺织长度38mm聚丙烯纤维网
1
8
9
0.21
100%
2
掺加上海新纺织长度19mm聚丙烯纤维网
2
5~6
9~16
0.18
100%
3
加奥地利SAOTA中空短切割聚丙烯纤维
9
2~8
7~11
0.21
55.6%
4
掺加北京佳路得聚丙烯网状次要加筋纤维
19
0~8,3个无裂纹
5~12
0.17
10.5%
从试验结果反映的数据来看,单纯依靠掺加纤维材料不能根本性解决本工程中的裂纹问题,但能减少裂纹出现的几率或减少裂纹宽度。
作为辅助解决裂纹的手段,该实验证实了如下结论:
①在混凝土内掺加纤维材料能提高其抗裂性能,其表现主要在早期裂纹减少和裂纹宽度减少上;②北京佳路得聚丙烯网状次要加筋纤维比较适宜于本工程。
3.4、临时支座的试验
施工初期,墩身安装临时支座是预制安装钢筋混凝土构件,拆模后出现的裂纹位置大都处于六个支墩部位,分析认为,裂纹是否与刚度较大的支座的约束有关。
为此,将钢筋混凝土支座更换成钢结构支座,以减少刚性约束,消除裂纹。
通过14个钢支座的试验,湿接头早期裂纹有一定减少,但随着混凝土龄期增长,裂纹又逐渐出现。
试验证明支座的约束不是主要问题。
另一方面,钢支座成本高,安装的稳定性差,最后支座仍然采用钢筋混凝土支座。
3.5、第二阶段效果
第二阶段施工中主要采取了3.2除(3)以外的其他措施。
经过上述措施后,共施工了22个湿接头,刚拆模时未出现裂纹的湿接头6个,未发生几率27.3%,三个月稳定后出现裂纹的几率100%,但裂纹情况比第一阶段有明显好转,裂纹的数量大幅度减少,裂纹的宽度和深度均明显变小。
裂纹条数与湿接头个数关系如图3.2示,裂纹宽度与湿接头个数关系如图3.3示。
第二阶段裂纹条数与湿接头个数关系图图3.2
第二阶段单个湿接头裂纹宽度与湿接头个数关系图3.3
4、湿接头裂纹控制的第三阶段(即2005年2月16日到2005年10月7日)
4.1、第二阶段裂纹状态
第二阶段采取措施后,拆模早期裂纹出现率虽有所降低,但后期仍然很高,说明还要继续优化混凝土配合比,进一步降低自收缩和干缩裂纹。
4.2、混凝土干缩试验
项目部委托武汉港湾设计研究院,做了干缩试验。
4.2.1、干缩试验配合比(如表4.1示)
混凝土干缩试验配合比(单位:
kg)表4.1
配合比
水泥
粉煤灰
矿粉
砂
石
水
外加剂
1
430
0
0
819
1086
129
5.16
2
172
172
86
780
1034
129
5.16
3
162
162
81
800
1061
121.5
4.86
4.2.2、试验按《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270-98)中6.101混凝土干缩试验方法进行,结果见表4.2,干缩曲线如图4.1示。
混凝土干缩试验值表4.2
日期
干缩值(mm)
1
3
7
14
28
60
90
1
0.124
0.592
1.452
2.411
2.836
3.144
3.510
2
0.047
0.298
1.191
1.865
2.522
2.931
3.322
3
0.038
0.325
1.142
1.687
2.441
2.872
3.275
混凝土干缩曲线图图4.1
从试验结果可以看出:
1、混凝土干缩前28天与水泥用量有关,与胶泥材料总量有关;
2、三组混凝土配合比28天以前相差较大,90天以后干缩值比较接近。
3、配合比表一中的2号配合比即第二阶段使用配合比可以进一步优化成表2.1中的3号配合比。
4.3、从高性能混凝土研究的成果看,混凝土的收缩性能有18条因素,如水泥性能、外加剂、外掺物、水胶比等,其中粉煤灰可以降低收缩,超量的磨细矿粉,可增加收缩,并可使早期弹模增加,浇筑混凝土提前开裂。
为此,配合比适当增加粉灰用量,较少矿粉用量,减少矿粉的细度。
4.4、调整混凝土配合比
⑴、施工用配合比由表2.1中的2号配合比调整为3号配合比,胶泥材料总量降低为405kg/m3,水泥、矿粉、粉煤灰用量相应下降。
⑵、矿粉产地由上海莆田改为安徽芜湖朱家桥,矿粉比表面积由660cm2/kg降到400cm2/kg。
4.5、环境温度对湿接头裂纹的影响
采用上述配合比后,在2005年3~4月份,还有一定效果,但进入5月份,随着气温的升高,拆模后的裂纹明显增多,说明环境温度对裂纹的影响较大。
为了解决这个问题,采取了如下措施:
1、高温季节,采用新材料,混凝土水化热减低剂,降低湿接头内部温升,减少
内外温差。
2、应用透水模板布,增强混凝土表面密实度,减少气泡和砂线。
水化热减低剂是一种新型外掺剂,能有效降低延缓水化热温升峰值,降低大体积混凝土内外温差,减少或消除由温差引起的裂纹。
为了验证水化热减低剂的实际效果,采用表2.1中的配合比3,选择E15#墩上下游,做一组掺减低剂,一组不掺减低剂的对比温控试验,其掺量为1.36kg/m3,占胶泥材料总量的0.34%。
温控试验结果如表4.3示:
E15#墩湿接头温控试验结果表4.3
上游(掺降低剂)
下游(不掺降低剂)
1#~4#
5#~9#
10#~12#
13#~16#
17#~19#
测点最高温度
67.1
67.3
47.8
79.2
56.2
最高断面均温
62.1
62.8
46.4
74.9
54.7
最大内表温差
22.9
20.2
3.5
18.5
4.3
E15#墩上下游湿接头最高温升过程线如图4.2示:
E15上下游湿接头温控工程线图4.2
从测温结果看:
1、不掺水化热减低剂,浇筑后16h时达到峰值79.2℃,掺减低剂28h达到峰值67.1℃;
2、综合比较可知:
水化热减低剂的掺入使内部最高温升降低了8.3~12.8℃,同时还减缓了降温速率。
3、拆模后,掺减低剂的湿接头无裂纹,不掺的湿接头有裂纹。
4.6、透水模板布的试用
为了解决湿接头表面气泡、砂线增加表面密实性问题。
项目部部引进荷兰透水模板布新材料,在C20#墩试用。
拆模后,裂纹数量和裂纹宽度都超过不用模板布。
分析原因:
模板早期透水,将多余的泌水都流出。
终凝后混凝土需要的养护水、保湿模板布继续透水,使混凝土内本不多的水分流出,造成干燥收缩裂纹。
4.7、第三阶段实施效果
第三阶段混凝土配合比优化为表2.1中的3号配合比。
胶泥材料由430kg降低到405kg、水泥由172kg降低到162kg、矿粉由172降低到81kg、粉煤灰由86kg增加到162kg。
改换矿粉产地和细度,高温时,采用水化热降低剂等措施后,透水模板布没有推广应用。
期间共施工了142个湿接头,刚拆模时未出现裂纹个数99个,刚拆模时未出现裂纹几率为69.7%,稳定后仍无裂纹个数42个,稳定后的未出现裂纹几率为29.6%。
其余的湿接头混凝土表面均发现不同程度的裂纹,但裂纹的数量和宽度比第二阶段有所减少。
裂纹条数与湿接头个数关系如图4.3示,裂纹宽度与湿接头个数关系如图4.4示。
第三阶段裂纹条数与湿接头个数关系图图4.3
第三阶段单个湿接头裂纹宽度与湿接头个数关系图4.4
5、湿接头裂纹控制的第四阶段(2005年10月12日~2006年11月14日)
5.1、对第三阶段裂纹情况的分析评价
第三阶段对未出现裂纹的控制虽然有所提高,但还未达到指挥部要求的成功控制率80%以上,其次对第一、二阶段未出现裂纹湿接头,通过一个夏天的季节变化,又出现了裂纹,所以第四阶段裂纹控制的目标不仅继续控制早期裂纹,而且还要把重点放在后期控制。
5.2、第四阶段的主要措施
(1)、根据高性能混凝土的研究成果和湿接头C40混凝土干缩试验的成果,继续优化混凝土配合比,减少混凝土收缩,防止裂纹;
(2)、增设不锈钢网片,防止后期裂纹开展;
(3)、冬天保温、保湿养护增设7cm厚聚氨酯保温层。
混凝土养护时间大于14天;
(4)、夏季施工确保混凝土入模温度不大于28℃,增购一台水冷却机,使拌和用水冷却后,温度降低到8℃以下;
(5)、同南京建筑材料科研部门合作研究新的混凝土防裂方法。
5.3、第四阶段混凝土配合比作如下调整:
(1)、总胶泥材料降到规范规定的最低值400kg;
(2)、粉煤灰掺量增加了规范要求的最大值(胶泥总量的50%);
(3)、水泥降到35%即140kg/m3;
(4)、矿粉降到15%即60kg/m3;
(5)、水胶比调到0.33,R7=40.7MPa、R28=57.3MPa,氯离子扩散系数〈1.5X10-12m/s。
5.4、混凝土防裂网片的选择
国内外不锈钢网片性能表表5.1
序号
名称
型号
直径
抗拉强度mpa
弹性模量
线膨胀系数
经济性
1
普通钢筋
Q215
Φ6
215
2.1×105
10×10-6
低
2
环氧钢筋
Q215
Φ6
215
2.1×105
10×10-6
较高
3
刻痕不锈钢
304L
Φ6
≥175
1.94×105
17.3×10-6
很高
4
螺纹不锈钢
2205
Φ6
≥205
2.0×105
9.9×10-6
最高
5
螺纹不锈钢
316L
Φ6
≥205
1.94×105
16×10-6
较高
通过几种不锈钢筋的比较,普通钢筋在3cm保护层内易锈蚀,环氧钢筋施工时易损坏涂层,螺纹不锈钢2205,国内无法生产,美国进货价格高且进货时间无法满足国内施工进度要求。
最后选用不锈钢304L,Φ6不锈钢厂内加工成5×10cm网状,固定在湿接头钢筋外表面,保护层后3cm。
5.5、混凝土减缩剂对比试验
为了开辟新的防裂外掺剂,同江苏博特新材料有限公司合作研究SBT-SRA减缩剂对混凝土收缩开裂的影响。
试验配合比具体见表5.2
试验配合比(kg)表5.2
序号
水泥
粉煤灰
矿粉
砂
石
水
外加剂
SRA
1
142
182
81
779
1032
134
4.86
0
2
142
182
81
779
1032
134
4.86
1.5
(1)、采用圆环开裂,试验结果:
第一组:
成型后第7天开裂,初始裂纹宽度0.11mm,第二天裂纹宽度0.23mm;
第二组:
10天后开裂。
(2)、胶砂干缩
序号
1天
3天
7天
1
1.3/万
3.0/万
4.3/万
2
0.8/万
1.9/万
3.0/万
试验结果出来后,工程快要结束,作为技术筹备,没有投入使用。
5.6、第四阶段控制效果
在前三阶段施工基础上,进一步优化混凝土配合比,主要使用的配合比为表2.1中配合比4,增加粉煤灰用量,减少矿粉用量;为了提高混凝土的抗裂性,在湿接头表层增加了不锈钢网片;拆模时间由10天延长至14天;在模板外表面增设一层7cm厚的聚氨酯保温层。
在夏季高温季节采用降温措施:
搅拌站增设一台水冷却机,降低原材料温度,选择气温偏低时间段浇筑混凝土,混凝土入模温度控制在30℃以内,并在部分湿接头内部掺加水化热减低剂。
同时加强混凝土养护工作;在冬季采取升温和保温措施:
搅拌水加温,选择气温偏高时间段浇筑混凝土,湿接头顶面喷涂养护液,麻袋覆盖保温。
由于该阶段裂纹控制措施得当,效果比较明显:
共浇筑274个湿接头,刚拆模时只有4个湿接头出现裂纹,未出现裂纹几率为98.5%,稳定后无裂纹湿接头229个,成功控制几率83.9%。
单个湿接头裂纹数量和裂纹宽度明显较少。
裂纹条数与湿接头个数关系如图5.1示,裂纹宽度与湿接头个数关系如图5.2示。
第四阶段裂纹条数与湿接头个数关系图图5.1
第四阶段单个湿接头裂纹宽度与湿接头个数关系图5.2
6、结束语
6.1、四个阶段采取的有效措施
三年来四个阶段防裂抗裂采取主要措施是以预防为主,优化混凝土配合比、减少胶泥材料用量、水泥用量、矿粉用量,最大限度增加粉煤灰用量,保持适当的水胶比为主要手段,同时应用新材料控制收缩、大体积混凝土温升。
再以加密钢筋、增加不锈钢网片,掺聚丙烯纤维,增加混凝土抗力为辅助手段。
认真落实常规混凝土夏季、冬季施工措施和养护措施,最后湿接头裂纹就能得到有效控制。
6.2、从2004年10月~2006年11月止,共施工湿接头474个,其中拆模时无裂纹355个占74.9%,稳定后复查无裂纹274个占57.8%,后期出现的裂纹宽度在0.1mm以内,为无害裂纹。
6.3、存在问题
(1)、虽然湿接头裂纹总体得到控制,但后期裂纹问题还没有完全解决,有待继续观测;
(2)、解决裂纹投入不锈钢网片,增加钢筋纤维,外掺剂等材料,价格较高。
6.4、裂纹的修补
(1)、待裂纹发展稳定后,裂纹宽度小于0.20mm以内,凿成V型槽,用环氧树脂类或聚氨酯类丙烯酸盐类材料封闭;
(2)、裂纹宽度大于0.20mm,采用上述材料压力灌浆;
6.5、几点体会
混凝土裂纹目前是常见顽疾,只要下决心攻坚克难,也会得到有效控制的。
建议设计湿接头时,取消承台杯型槽口,对防裂的有效措施如:
加纤维、不锈钢网片、加密钢筋等同时考虑。
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