高寒地区铁路预应力混凝土裂缝成因分析

高寒地区铁路预应力混凝土裂缝成因分析

混凝土是一种承受压强度为1.8.1.20的脆弱材料。因此，如果内部变形或外部变形的拉张力受到抑制，那么混凝土就会出现裂缝，裂缝是影响结构耐久性的重要问题。因此，裂缝预防和科学研究是引起重视的问题。混凝土结构产生裂缝的原因复杂而繁多,每一条裂缝产生都有一种或几种原因。预应力混凝土梁产生裂缝的原因主要有荷载、温度变化、混凝土收缩、地基基础变形、冻胀、钢筋锈蚀、施工质量等。西部某大型铁路地处高寒地带,海拔高,气候环境严酷,其具体的特征为:年平均温度处于-2～-6℃,冬季长达8个月,日温差大,极端最高气温25℃左右,极端最低气温-45℃左右,紫外线照射强烈,大风天数较多,经常有四级以上风且气候变化无常,一天之中可见四季气候,灾难性天气较多。虽然相对湿度50%左右,但存在干湿变化频繁的问题,致使混凝土产生不可恢复的一些变形,当变形受到限制时,会造成混凝土产生裂缝。特别突出的是预应力后张梁沿管道产生裂缝。经统计,出现裂缝的梁体裂缝大部分在1～3m,最长的几乎贯穿全梁,裂纹的宽度多在0.2mm以下。虽然这些裂纹不会影响结构的安全和使用性,但会直接影响结构的耐久性。因此分析研究裂纹产生的原因极其预防对策尤为重要。1凝土凝结硬化(1)该铁路的预应力混凝土后张梁产生的裂缝大部分发生在梁跨中,在跨中开裂的趋向大于梁端。根据某桥梁厂生产的开裂梁样本调查,在跨中开裂的比例占所调查开裂梁数量的77.73%,梁端开裂的占7.27%,且裂缝主要沿着腹板处的预应力管道分布。由于腹板比较薄,混凝土凝结硬化过程中波纹管对混凝土收缩有较强的约束作用,波纹管对混凝土变形起限制作用,且这种限制作用由于波纹管较粗,梁体腹板较薄,对腹板产生较大的集中内应力使腹板处容易开裂。(2)冬季生产的梁开裂的比例大于暖季。样本调查显示,如果以5月～9月为暖季,则在冬季生产的开裂的比例占23.1%,暖季生产的梁开裂比例占15.28%。且梁架设时间越长,开裂越多。如2004年浇筑的较2003年浇筑的开裂少,2003年开裂的较2002年开裂的少,2003开裂的梁占本年被调查梁的比例是2%～15%,2002年开裂的梁占本年被调查梁的比例是40%～50%。经分析,可能是由于时间长,梁经受的热胀冷缩次数较多,这种累加作用较强,开裂的趋向较大。(3)冬季压浆梁开裂的比例比暖季压浆梁大。据统计,某桥梁厂生产的梁冬季压浆开裂的比例是53.08%,暖季压浆开裂的比例是46.92%。2较大的拉应力引发混凝土裂缝根据调查结果,产生裂缝的梁体有16%是沿预应力波纹管走向延伸,主要的原因是在预应力的作用下沿着波纹管方向混凝土处于受压状态,而垂直于波纹管方向处于自由状态。引起混凝土开裂主要应力为拉应力,由于沿着波纹管方向已有的压应力可以抵消该方向拉应力,因此沿着波纹管方向拉应力引起竖向的裂缝就比较少。而垂直于管道方向无压应力的抵消作用,则由各种原因引起的该方向的拉应力比较大,超过混凝土的允许抗拉强度时就会开裂,所以沿管道方向裂缝较多。综合分析主要是由于各种原因产生的变形在梁体内部受到钢筋、波纹管、骨料等的约束作用时,在混凝土内部产生了较大的拉应力,这种拉应力与预加外应力平衡后在梁的各腹板、各截面产生了重分布,当重分布后的拉应力超过混凝土的抗拉强度时即可造成混凝土产生裂缝。分析讨论如下:(1)压浆材料及工艺问题。预应力张拉后,进行压浆时未对梁体进行保温养护,因而导致白天气温较高,压完浆后晚上气温下降至0℃以下,造成管道内浆体材料早期受冻膨胀,使梁体沿管道垂直方向产生较大预应力,该应力与预压应力产生的横向拉应力叠加造成管道初期内部裂纹(此时尚未扩放至表面)。另外,压浆材料质量控制不好,会产生较大泌水。(或W/C过大,控制不严)泌水使得浆体局部W/C过大。自由水回流至波纹管较低处(跨中)导致随后的冻胀破坏。(2)气候原因。该铁路所处地海拔大多在4000m以上,白昼温差在20～26℃之间,晚上0℃以下的天数在180天以上,太阳辐射强烈。因此,每天的冷热交变可能使梁体内外、阴阳面温度差(同一时刻)在15～25℃之间,如此大的温差必然产生较大的温度应力。由于纵向有预应力作用不会产生拉应力,但横向(特别是在沿管道薄弱断面)将产生较大拉应力,该应力与横向压应变产生的拉应力叠加也是导致沿管道开裂的主要因素之一。另外,由于海拔高,太阳辐射强烈,干燥的大风天气导致水分蒸发快,相对湿度小,导致梁体在太阳暴晒下干燥收缩加大,加之梁所用胶凝材料用量高(530kg/m3),更增加了砼的收缩开裂。故干缩也是引发沿管道裂纹的因素之一。(3)混凝土材料。该铁路梁体砼材料采用了高性能混凝土,主要是在混凝土中掺入了高性能砼添加剂(DZ-4)和粉煤灰,胶凝材料总量达到530kg/m3。由于目前水泥细度偏细,在加上青藏沿线强辐射和干燥,必然加大砼干缩。可能由于胶凝材料用量过大,或掺入粉煤灰硅灰导致砼收缩加大,引发裂缝的开展。(4)梁体腹部混凝土保护层较薄,预应力施加后由于沿管道的腹板断面减弱,其抵抗能力相对降低。3室内实验分析与研究文章通过室内模拟梁实验,分析压浆材料冻胀与梁体开裂成因关系。(1)水灰比对膨胀率的影响在室内通过不同水灰比的水泥净浆试样,采用不同的养护条件,来模拟预应力梁波纹管内水泥净浆的早期冻胀。配制水灰比为0.32和0.42的水泥净浆试样,在标准养护条件下分别养护3h、6h、12h后进行冷冻,冷冻温度为-20℃,冷冻时间为24小时。然后测定其冷冻后的体积膨胀率,实验结果如表1。由表可见,试样的膨胀率随水灰比的增大而增大,且早期冻结发生越晚,膨胀率越小。这与理论情况一致。试验过程中还发现,试样在凝结硬化过程中存在泌水现象且水灰比0.42的试样较水灰比0.32的试样更严重。凝结成型后产生收缩,泌水部位形成空腔,且内部有大量未参与水化的自由水存在。以预养24h和2d的D系列试样为例:D0.32-24h的水泥净浆收缩率为1.2%D0.32-2d的水泥净浆收缩率为1.6%D0.42-24h的水泥净浆收缩率为2.0%D0.42-2d的水泥净浆收缩率为2.37%由此可以表明,青藏铁路32m预应力梁波纹管内水泥净浆在凝结硬化过程中,也可能发生类似的泌水。自由水在重力作用下,沿波纹管道汇聚在一起,并交变气温的作用下,在水泥浆硬化形成的空腔中发生冻胀,从而造成或加剧预应力混凝土沿波纹管道开裂。(2)混凝土径向应力在室内模拟现场制作小梁,并在小梁内埋置波纹管,在波纹管的两侧面的不同部位粘贴应变片(如图1所示),梁的尺寸为1200mm×450mm×200mm,混凝土配合比与该铁路预应力混凝土后张梁采用相同的配合比,即水泥:砂:石:水=430:562:1194:150,掺入外加剂有DZ-4:47.8kg/m3,粉煤灰:64.5kg/m3。混凝土抗压强度等级为C55,将小梁在常温下养护28d后,进行波纹管压浆,水泥采用强度等级为42.5R,参入10%DZ-4,水灰比为0.42,将梁分为三组,压浆后分别养护3h、6h、12h,养护温度控制在5℃～10℃,之后将其分别进行冷冻24h,冷冻温度为-20℃。测出梁在养护和冻胀过程中,波纹管不同部位的径向应变,由此分析混凝土的应力状况。通过实验,初步得到的结果是:1)三组梁体在经冷冻后都有不同程度的裂纹产生,且裂纹与该铁路现场出现裂纹类似,也是在沿着波纹管方向产生(如图1所示)。2)养护3h的梁经冷冻24h后的裂纹发展最严重,裂缝宽度最宽,梁体压浆后养护时间越长,所测得的波纹管径向冻胀应变增长速度越慢。3)由于应变片贴在波纹管的两侧,通过所测波纹管两侧的不同部位的径向应变,假设其变形与其附近的混凝土产生共同变形,混凝土强度等级为C55,弹性模量为3.55×104N/mm2时,计算各测点的混凝土径向应力,可以看出,三组梁最大应力都出现在中部,养护3h的梁中部应力达到了15.2MPa,且都超过了混凝土的极限抗拉强度,足以让混凝土开裂。三组梁随养护时间的不同,其中部测点的早期冻胀应力变化趋势如图2所示。4混凝土早期冻胀(1)该铁路预应力混凝土后胀梁沿管道裂纹是由环境气候、温度变化、混凝土和压浆材料等多种原因综合下产生多种应力的叠加形成的。(2)预应力管道内如果压浆后,压浆材料早期受冻会产生很大的膨胀拉应力,此拉应力足以使波纹管附近混凝土开裂。混凝土由于压浆材料早期冻胀产生的应力分布示意如图3所示。因此,水泥浆体的早