探析橋梁混凝土裂縫原因
2016-07-05
在橋梁建造和使用過程中，混凝土裂縫經(jīng)常出現(xiàn)?；炷恋牧芽p是由于混凝土內(nèi)部應(yīng)力和外部荷載作用，以及溫度變化等因素作用下形成的。一般正常大氣條件下，荷載組合作用下寬度小于0.2mm的裂縫，荷載組合寬度小于0.25mm的裂縫以及處于嚴(yán)重暴露情況下，寬度小于0.1mm的裂縫都屬于正常的工作裂縫。超出以上范圍的裂縫屬于非正常裂縫，終究會影響結(jié)構(gòu)物的耐久性。并且有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下，不斷擴(kuò)展，不但會影響混凝土表面的美觀、減小鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度，而且易引發(fā)混凝土面層剝落，加速鋼筋的銹蝕，降低混凝土的抗凍性及耐久性，嚴(yán)重時甚至發(fā)生垮塌事故，所以必須加以控制?；炷亮芽p的成因復(fù)雜而繁多，有時甚至多種因素相互影響。但就一些具體裂縫而言，總有主導(dǎo)原因。為了便于分析、鑒別工程中發(fā)生的裂縫。根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，常見裂縫可分為荷載引起的裂縫、地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫、凍脹引起的裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、收縮引起的裂縫、溫度變化引起的裂縫、施工引起的裂縫等七大類。
一、混凝土裂縫特性及產(chǎn)生的原因
1.荷載引起的裂縫混凝土橋梁在常規(guī)靜、動荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫，歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生原因有：
（1）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時，計(jì)算模型不合理，結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符，荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計(jì)算錯誤，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未考慮施工的可行性，設(shè)計(jì)截面不足；鋼筋設(shè)計(jì)偏少或布置錯誤，結(jié)構(gòu)剛度不夠等？
?。?）施工時不加限制地堆放施工機(jī)具、材料；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖施工、擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序、改變結(jié)構(gòu)受力模式；未對結(jié)構(gòu)作疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。
?。?）在使用階段，超過設(shè)計(jì)荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊、發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。
2.溫度變化引起的裂縫混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫的特征主要是表面裂縫的走向一般無規(guī)律性，深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行；裂縫寬度大小不一，受溫度變化的影響熱細(xì)冷寬。表面溫度裂縫常出現(xiàn)在現(xiàn)澆混凝土1d-2d之間，深層溫度裂縫與貫穿溫度裂縫常開始出現(xiàn)在現(xiàn)澆混凝土21d后。引起溫度變化主要原因有：
?。?）表面溫度裂縫多由于溫差較大引起的。如大體積混凝土（厚度超過2m）澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂縫。在冬季施工時，過早除掉保溫層，或受寒潮襲擊，都導(dǎo)致混凝土因早期強(qiáng)度低而產(chǎn)生裂縫。此外當(dāng)預(yù)制構(gòu)件采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時，由于降溫過快或構(gòu)件急于出池，急速揭蓋均使混凝土表面收縮，產(chǎn)生裂縫。
?。?）深層貫穿裂縫多由于結(jié)構(gòu)降溫差值大，受外界的約束而引起。如現(xiàn)澆橋臺混凝土或大體積剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，澆筑在堅(jiān)硬的地基上，未采取隔離等放松約束措施或收縮縫間距過大。在混凝土澆筑時，溫度很高，加上水泥水化熱的溫度升高很大，使溫度更高。當(dāng)混凝土冷卻收縮時，全部或部分受到地基或其他外部結(jié)構(gòu)的約束，在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)很大拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生降溫收縮裂縫，這類裂縫有時成貫穿狀。
3.收縮引起的裂縫混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自身收縮和碳化收縮。收縮裂縫產(chǎn)生的主要原因是由于混凝土快速干燥，混凝土內(nèi)水分的蒸發(fā)速率大于其泌水速率，在固體顆粒水面產(chǎn)生毛細(xì)管張力，混凝土自體收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。收縮引起的裂縫是不規(guī)則斜裂縫，在鋼筋以上，似龜紋，常開始出現(xiàn)在現(xiàn)澆混凝土后數(shù)周或數(shù)月之間。
4.地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫常出現(xiàn)在鋼筋上方，結(jié)構(gòu)變化處，常開始出現(xiàn)在現(xiàn)澆混凝土10min到3h內(nèi)。基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：
?。?）由于混凝土在塑性狀態(tài)下其基礎(chǔ)、支架等有不均勻沉降，使局部混凝土變形受約束而產(chǎn)生裂縫。
?。?）由于重力作用使混凝土中較重顆粒下沉而使水泥漿上浮，當(dāng)這種下沉受到鋼筋、模板作用時就會產(chǎn)生裂縫。
5.鋼筋銹蝕引起的裂縫由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足，混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2倍－4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫。
6.凍脹引起的裂縫當(dāng)大氣溫度低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9％，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冰水（結(jié)冰溫度在-78℃以下）在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強(qiáng)度降低，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。
二、主要裂縫的防治措施
1.荷載裂縫應(yīng)該采取合理的計(jì)算模型、限制施工機(jī)具的堆放、限制超過設(shè)計(jì)荷載的重型車輛過橋等方法避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載裂縫。
2.溫度裂縫為預(yù)防混凝土溫度裂縫，應(yīng)合理安排混凝土澆筑順序及澆筑速度，在混凝土澆筑過程中降低部分溫差。夏季施工時骨料要灑水降溫，冬季施工時混凝土表面應(yīng)覆蓋保溫。
3.收縮裂縫為預(yù)防收縮裂縫，應(yīng)加強(qiáng)早期混凝土養(yǎng)護(hù)以降低混凝土中水分蒸發(fā)速率，方法是在結(jié)構(gòu)外露面覆蓋麻袋、海綿，然后進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)。
4.地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫為預(yù)防地基基礎(chǔ)變形裂縫的措施主要有基礎(chǔ)處理，科學(xué)設(shè)計(jì)支架搭設(shè)，對支架進(jìn)行全面積預(yù)壓以消除非彈性變形；在混凝土中加減水劑以減少混凝土泌水，確?；炷帘Ｗo(hù)層厚度，混凝土施工時進(jìn)行二次抹面；以及澆筑前將基層和模板充分澆水濕透等。
5.鋼筋銹蝕引起的裂縫要防止鋼筋銹蝕，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度，采用足夠的保護(hù)層厚度；施工時應(yīng)控制混凝土的水灰比，加強(qiáng)振搗，最大限度地保證混凝土自身密實(shí)、完好，保持高堿度和防止有害離子入侵；同時嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區(qū)或其他存在腐蝕性強(qiáng)的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。
6.凍脹引起的裂縫冬季施工時，采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養(yǎng)護(hù)以及在混凝土拌和水中摻入防凍劑（但氯鹽不宜使用），可保證混凝土在低溫或負(fù)溫條件下硬化。在橋梁建設(shè)和使用過程中，混凝土開裂可以說是常見病癥，其經(jīng)常困擾著橋梁工程技術(shù)人員。通過文中的論述，使施工人員更加正確地認(rèn)識裂縫成因，并能提出合理的防治措施，進(jìn)一步提高橋梁工程的耐久性。
