铁路混凝土塑性开裂的原因及预防措施

2018年9月13日16:19:37 1 2,917

中铁五局集团有限公司 陈跃龙

摘要

本文讨论了新拌混凝土的两种塑性开裂定义,并分析了塑性开裂的原因,进而追溯到混凝土工程全过程中某些环节的不当操作。指出不当操作导致混凝土塑性状态不稳定,混凝土塑性开裂风险大为增加,进而分析了施工控制的关键环节和技术要点。

    1简介

铁路混凝土存在多种多样的裂纹,按混凝土的硬化过程来分,可以分为硬化前和硬化后形成的裂纹。在硬化之前,有可能是模板支护结构或地基变动造成混凝土结构形成裂纹,也有可能是在混凝土硬化前就受到严寒气温的冻害,还有就是塑性收缩塑性沉降导致的裂纹。在混凝土硬化后,可能因为体积变化并且这种变化在空间某些维度上受到约束而产生裂纹,比如温度变化、内外温度差等,也可能是因为失水干燥收缩造成裂纹; 也有可能是设计导致的裂纹,比如超载、地基设计不合理以及混凝土长期受动载作用所造成的疲劳破坏等,当然还有各种化学的、物理的作用所导致的裂纹,还有钢筋锈蚀导致的裂纹。

导致混凝土形成裂纹的原因不同,其机理也是千差万别,要想在本文中一一叙述清楚并提出相应的处理及预防措施是很困难的。混凝土硬化前的塑性收缩和塑性沉降导致的裂纹是宏观裂纹,其宽度常常会大于0.1毫米以上,这些裂纹对结构承载力、耐久性都会带来灾难性的影响。而我们通过恰当的配合比设计以及合理的施工工艺控制,可以大幅度减少甚至消除这样的宏观裂纹。正是基于这一原因,本文希望能分析这两种塑性裂纹产生的原因及机理,并由此提出相应的控制和预防措施,以图解决或缓解混凝土的这两类裂纹所带来的问题。

为了叙述方便,在本文中如果针对这两类方式的裂纹,我们统一称为塑性裂纹;如果需要分别叙述,我们分别称为塑性收缩裂纹和塑性沉降裂纹。如果希望表达裂纹形成过程,我们使用开裂一词。还可以组合使用,比如,塑性开裂指这形成这两类裂纹的过程,而塑性收缩开裂则指因为塑性收缩导致的开裂过程。

 

2塑性裂纹的定义

当新浇筑的混凝土表面暴露在空气中,并且相对体积来说,表面积较大时,比如铁路的桥面板、无砟轨道的底座和轨道结构以及隧道二次混凝土衬砌等结构,由于表面水份散失的速度大于内部水份蒸发或上升补充的速度,因此表面会失去流动性而变硬;它的抗拉强度还不足以抵抗收缩带来的拉应力,会在表面形成浅的网状裂纹,裂纹之间的间隔不等,长度有可能在0.1米至几米,严重时可能会贯穿整个表面。我们称这种裂纹为塑性收缩裂纹。混凝土完成浇筑、收面之后,但在开始养护之前常常产生这种裂纹。

新拌混凝土可以认为是胶凝材料与水形成水泥浆包裹砂子成为砂浆,而砂浆包裹碎石形成混凝土。也可以认为砂浆是一种基体材料而碎石则悬浮在砂浆中。但是粗重颗粒在重力作用下,总会有下沉的趋势。这种下沉趋势如果不加以控制,则会导致上部的浆体或水比下部多,上部的体积收缩比下部大,从而在结构上部形成平行的裂纹。在高或深的结构中,这种裂纹会很明显,我们称这种裂纹为塑性沉降裂纹。在铁路工程结构中,桥梁承台、桥墩、分部浇筑时的隧道混凝土二次衬砌边墙下部等结构中常常能见到塑性沉降裂纹。隧道分部浇筑时的二次衬砌浇筑拱顶混凝土,由于当前工装和工艺现状的限制,需要加大混凝土的流动性;上部的粗颗粒会大量下沉到边墙,导致拱顶混凝土中碎石严重不足,拱顶的体积减少量极大,因此常常会在拱顶产生极多裂纹。相对来说,拱顶的混凝土厚度有限,因此对它的约束主要来自于边墙和隧道净空外部的结构;拱顶的塑性沉降裂纹的发展维度相对更自由,更易形成网状裂纹。这与墙、柱、承台等等结构还有区别,但原因是相同的。

塑性收缩裂纹往往发生在暴露在空气中的、面积比较大的表面,裂纹往往较浅但很长,有可能在各个方向生成裂纹;塑性沉降裂纹往往发生在结构的上部,宽度和深度都可能较大,严重时还可能贯通整个结构上部,形成贯通性裂纹,这是两种塑性裂纹的明显区别。它们的第二个区别是,塑性沉降裂纹是集中裂纹,并且有规律地平行排列,间距通常在4~6米。

3产生塑性裂纹的原因

要分析在实际施工过程中产生塑性裂纹的具体原因,特别是分析产生塑性沉降收缩裂纹的具体原因;则需要从结果、具体现象以及部分已知原因,通过逻辑分析逆向追溯,找到特定情况下的具体原因。为方便叙述,我们需要先介绍混凝土的离析和泌水这两个常见的问题。

3.1新拌混凝土离析和泌水的定义

离析是指新拌混凝土的各相组分相互分离,造成混凝土各相组分不再按空间均匀分布。细骨料或水泥、矿物外掺料等等相对细的材料不足导致混凝土的粘聚性能不足,或者是不当的过程操作、不当的运输和浇筑方式都可能导致混凝土离析。当然,滥用减水剂、滥用细小的石子(比如粒径在5~10毫米之间的小石大),这些都可分类为不良配合比,也可能造成离析,这一点我们还要详细地分析。

各相组分的分离,比如粗、细颗粒之间的分离、骨料与浆体之间的分离以及水分与固体颗粒之间的分离分别构成两种离析。而水分与固体颗粒分离,水分会上浮而固体颗粒会下沉,这个过程也称为泌水。

离析和泌水导致新拌混凝土上部体积的减少量更大,因而导致开裂形成塑性沉降裂纹;不当的工艺控制、不当的养护也会造成塑性开裂。由此我们可以看到影响混凝土塑性开裂的因素从原材料、生产配制、运输、浇筑、密实成型直到养护方等等诸多方面。因此,需要全面审视混凝土工程的施工全过程。

3.2不良原材料的原因

不良原材料导致混凝土包裹性不足,会引起混凝土离析与泌水。最常见的就是砂、石等骨料品质不良导致新拌混凝土塑性开裂。

砂子过粗,比如砂子中有大量的超过5毫米料径的材料,导致新拌混凝土中砂子从0.15~5毫米的细颗粒太少;或是砂子中细粒径的颗粒过少(比如水洗的河砂或机制砂);都可以导致混凝土包裹不好。在搅拌、运输和振动密实过程中导致混凝土离析或泌水,严重时混凝土可能会因为塑性沉降收缩而开裂。

粗骨料粒形不好、尖棱角太多、表面不圆顺,需要包裹的砂浆量增加,而砂浆量,特别是水泥浆的量总是有限的。严重时,在生产配制、运输、振动密实过程中导致混凝土离析泌水,混凝土也会塑性开裂。

3.3不良配合比的原因及处理措施

恰当的配合比应该在混凝土的两类性能中平衡。第一类性能是硬化后的性能,比如强度、抗渗性、抗冻性或耐腐蚀性等等性能,这类性能与混凝土的水胶比密切相关。我们只要控制好恰当的水胶比,就能控制好这类性能指标。还有一类性能就是硬化前的工艺性能,它直接关系到我们对混凝土的操作,也关系到混凝土在塑性状态下的性能,我们称为硬化前的性能,涉及到工艺性能和塑性状态两个方面。而塑性状态不良,混凝土会塑性开裂;塑性开裂的混凝土结构,不仅可能在承载方面达不到设计要求,而且因为所造成的宏观裂纹以及种种缺陷;给外界的侵蚀介质提供了快速通道,致使混凝土的硬化后的性能也会快速劣化,与所定义的铁路混凝土工程的高性能混凝土是相违背的。

混凝土配合比的参数是相互制约的,过分地提高配制强度、过分强调低水胶比,必定在保证流动性的前提下大量使用减水剂,最终可能会因滥用减水剂导致混凝土离析、泌水,也可能会产生大量的浮浆,导致塑性沉降开裂。因此,我们所说的恰当配合设计就是要兼顾混凝土硬化前后这两类性能。只有兼顾,才可能在最终的结构中达到铁路高性能混凝土定义的要求。而不良配合比设计即指不能恰当平衡这两类性质的配合比设计。

不良配合比设计典型的表现形式:

  • 片面追求粗骨料级配最优化

从骨料的填充角度来讨论级配,认为填充越紧密,越能减少混凝土中胶凝材料的数量,从而可以提高混凝土的耐久性,节约材料。于是在配合比设计中,片面地过多使用5~10毫米的小粒径碎石,往往总量超过粗骨料总量30%以上的。

这种配合比设计往往忽略了混凝土中不同粒径材料之间需要层层包裹,即水泥等胶凝材料组成净浆包裹砂子形成砂浆,而砂浆包裹粗骨料形成混凝土。要施工获得混凝土结构,需要针对新拌混凝土做诸如转运、浇筑、振动密实等等施工操作,因此需要混凝土具有相当的流动性和均匀不分散性。胶凝材料组成的净浆是有限的,小石子过多,需要包裹的比表面积就大,包裹效果会大打折扣。这样混凝土流动性不良,再企图提高减水剂掺量来提高流动性,则新拌混凝土极易离析和泌水,进而导致塑性沉降开裂。

事实上,在混凝土中,骨料的级配与路堤填料的级配碎石中的级配的目标是完全相反的。用级配碎石填筑路堤时,我们使用摊铺机摊铺,并且使用碾压机通过强力振动压实。希望通过碎石颗粒之间的机构咬合及摩擦力保持路堤稳定。而新拌混凝土必须要经过搅拌、转运、输送、浇筑、振动密实等多个环节的操作,必须具有一定的流动性,这与级配碎石完全相反。因此,按级配碎石的级配思路来控制混凝土骨料的级配是极不恰当的。

导致这种不良配合比的原因在于我们片面强调骨料的级配,为了所谓的级配“优良”而忽视了配合比设计需要保证混凝土性能的根本目的。偏离了设计的大方向,如果混凝土性能劣化,导致混凝土开裂形成塑性沉降裂纹,则问题就严重了。

  • 过度提高混凝土的配制强度

过度提高混凝土的配制强度指的是在配合比设计中,因为这样或那样的担心,希望在不加强现场工艺过程控制的前提下,只是提高混凝土的配制强度来解决一切混凝土工程的问题。往往表现为提高几个强度等级来设计配合比。比如,设计要求的强度等级为C30,那么可能会按照C50、C60的强度等级来设计配合比,从而决定混凝土的水胶比。

因为混凝土的强度是由水胶比决定的,因此要提高强度只能是降低水胶比,而配合比中,胶凝材料的用量总是有限的,所以也只能降低单位用水量。但是,我们也知道单位用水量是决定混凝土流动性的重要参数。过低的用水量,还需要高的流动性,势必需要加入过量的减水剂。减水剂会让胶凝材料组成的净浆从粘稠变得稀薄,碎石等重或大的颗粒不能正常悬浮在浆体中,必定会下沉进而导致塑性沉降开裂。往往在混凝土浇筑过程中就能发现,混凝土有许多浆体浮在上部。这实质上是混凝土离析和泌水的一种特殊表现形式。只是因为用水量太少,相对来说胶凝材料就多,因而水不能脱离胶凝材料的粘附,从而只能是浆体浮在结构上部。

可以肯定地说,过度提高混凝土的配制强度会带来许多问题,而且不仅仅是经济合理的问题,按这种思路设计的配合比一定会是不良配合比。

这种不良配合比设计的有两个特征,一个是用水量极少,往往在130~150kg/m³之间;而经验告诉我们,配合比设计时,用水量控制在160~180kg/m³较为适宜。第二个特征就是实际减水剂(指掺入到混凝土中的具有减水效果的成分)掺量很高。因为在各个工地,以控制减水剂的掺量为关键控制指标,导致使用的减水剂中具有减水效果成分的浓度完全不同,从而掩盖了这一特征。

关于铁路高性能混凝土的配合比设计有许多值得探讨的问题,特别是在如何平衡混凝土两类性能方面的技术措施,往往需要同施工过程相结合,需要专门的文章加以探讨。在此,我们只指出不良设计是造成混凝土塑性开裂的一个重要原因。

3.4生产配制控制不当的原因及处理措施

关于搅拌站的生产管理不是本文要讨论的重点。但在生产配制过程中,忽视一个小小的控制措施会给混凝土带来极大的问题。

铁路混凝土工程搅拌站往往只使用3~5年,与城市商品混凝土搅拌站长期使用相比,具有临时性的性质,而且因为这样或那样的原因,场地往往受到限制,因此不太注重原材料的均匀化环节。同样由于铁路工程的临时性,砂、石等等大宗原材料的来源也受到这样或那样的限制。如果在生产环节中不采取一定的措施,则砂子的品质不均匀,含水量不均匀。特别是含水量不均匀,导致测定的含水量没有代表性,不能在生产配制中指导施工。但砂子含水量变化1%,则混凝土中的用水量可能会有8kg/m³的变化,导致配制的混凝土塑性状态极其不稳定,严重时就可能导致塑性沉降,进而形成塑性沉降裂纹。

要解决这类问题,只需要在生产配制混凝土以前,用装载机翻拌几十方砂,这时可以准确测定砂子的含水量。经过适当调整,可以稳定地生产一百多方混凝土。笔者在多个工地按这种方式控制砂子含水量,取得了极高的成效。

3.5浇筑、振动密实、操作不当的原因及处理措施

铁路混凝土工程中,如大的桥梁承台、桥梁高墩以及隧道二次衬砌混凝土结构等等。要么是结构的自身几何尺寸超大,要么是地形限制,都会给混凝土浇筑带来困难。如果不采取恰当的措施,比如使用长的溜槽输送而非泵送、不按规定在混凝土下落时合理使用串筒等;混凝土可能会离析,严重的还可能会导致塑性沉降开裂。振动过程不加以控制,过度振动也可能导致混凝土离析甚至伴随泌水,也有可能会导致塑性沉降收缩。

在施工过程中,要做到尽量使用泵送输送的方式,向下浇筑时合理使用串筒,分层浇筑、分区振动密实,做到职责分明,有据可查,才能杜绝此类问题。

3.6养护措施不当的原因及处理措施

当前在混凝土工程中,最容易被忽视的一个环节就是养护。对于养护的种种误解是导致养护不及时以及错误养护的关键。

混凝土在浇筑成型后,其暴露在空气中的表面就会开始散失水分;如果遇到大风、太阳暴晒等原因,水分散失极快,表面失水比内部向外补充水分的速度更快,从而导致表面板结变硬,形成塑性收缩裂纹。如果保水养护在完成浇筑后不立即实施,而要等到混凝土初凝或终凝并完成收面后才开始实施,认为混凝土的养护只是防止硬化后的干燥收缩开裂,就是对混凝土养护的错误认识。在浇筑完成到初凝或终凝这一段时间往往可能有3~5个小时,这段时间内如果不及时做好保水养护,完全有可能已经形成塑性收缩裂纹了。

混凝土的养护有两个目的,一个是保温,一个是保湿。而保湿要从浇筑完成开始,而非从完成收面后才开始。这是为了防止塑性收缩裂纹,是针对硬化前的混凝土。进一步的保湿养护才是为了防止干燥收缩开裂,是针对硬化后的混凝土。

4讨论

我们讨论了新拌混凝土的塑性开裂问题。新拌混凝土有可能形成性质完全不同的塑性裂纹。一种是因为在塑性状态下,表面快速失水板结变硬后收缩,导致形成裂纹,这是塑性收缩裂纹;另一种是因为塑性混凝土状态不稳定,大和重的颗粒因为这样或那样的原因大量下沉,导致上部收缩比下部更多,从而形成塑性沉降裂纹。这两种裂纹形成的原因不同,但形成的时机相互重叠,往往不易分辨。但塑性收缩裂纹更多地分布在表面,通常裂纹比较浅。沉降程度、是否有钢筋等等因素会影响塑性沉降裂纹的分布,但往往更偏重于发生在结构的上部,严重时可能会贯通整个结构侧面。同时,沉降收缩裂纹更多的表现为集中有规律分布,如果再结合施工过程的现象,就能分清两种裂纹的性质。

这两种裂纹都是肉眼可见的宏观裂纹,会给结构承载和结构耐久性带来灾难性的损害,因此要控制这两种塑性裂纹的产生。

在混凝土工程的各个控制环节措施不当、配合比设计不当都可能导致新拌混凝土离析和泌水;如果单位用水量不足,滥用减水剂还可能导致浇筑后的混凝土表面存在大量浮浆而粗重颗粒大量下沉,这也是离析的一种新形式。离析会使得大和重的颗粒下沉问题恶化,形成塑性沉降裂纹的风险大为增加,是需要我们认真控制的。

我们分析了导致新拌混凝土塑性状态不稳定的多项原因,原材料品质不良、配合比设计不良、生产配制控制不当、浇筑和密实成型措施不当以及因对养护的误解导致的养护时机不当都可能产生这两种塑性裂纹。

配合比设计不良的问题并不是一目了然的,也是我们最容易出问题的一个环节。具体的配合比设计方法并不重要,更重要的是在设计过程中,一定要掌握混凝土硬化前和硬化后性能的平衡,控制配合比设计大目标不变,不能单方面只强调某一方面的性能。我们特别讨论了过度提高配制强度所带来的弊端,这一点需要引起混凝土工程技术人员的注意。关于如何设计恰当的配合比,需要充分掌握原材料的性能、混凝土的性能以及施工工艺要求,需要专门论述,不是本文要讨论的重点。在本文中只讨论了不良配合比的某些突出问题以及由此会给混凝土结构带来的影响,特别希望能看到读者诸君在这方面的真知灼见。

混凝土工程是一项系统性的工程,与桥梁工程、隧道工程以及路基工程一样,需要掌握各关键技术要点,并控制好各个操作施工环节的关键点;只有这样,才能保证铁路混凝土结构具有铁路高性能混凝土的品质。

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    • 1628229728 1628229728

      本方从工程众多裂纹的事实中提出两种常见裂纹,然后就此提出对两种裂纹给实体带来巨大危害的观点,然后提出通过配合比设计和工艺控制这些已有的措施可以减少甚至消除这两种裂纹;接着定义两种裂纹的概念;通过两种裂纹形成后带来的结果、具体现象、部分已知原因,逆向分析了具体原因;同时针对每种具体原因也提出了相应措施;整个分析过程紧密围绕混凝土工程的质量,一气呵成,思路清晰,有理有据,是很精彩的一篇博文。