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混凝土橋梁裂縫的成因與防治
發(fā)布時間：2014-08-05
混凝土橋梁開裂是工程中比較常見的病害，首先，分析混凝土橋梁裂縫形成的原因，其次，提出預(yù)防橋梁混凝土裂縫的措施，最后，介紹幾種常用混凝土裂縫治理方法，可供工程施工管理人員參考。 隨著社會的不斷進(jìn)步，國家加大了對橋梁的投資，混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也越來越多，但是，相應(yīng)暴露出來的質(zhì)量問題也越來越多，其中，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫問題，尤為突出，是一個迫切需要解決的技術(shù)難題。雖然理論上，結(jié)構(gòu)裂縫是不可避免的現(xiàn)象，但通過施土中的技術(shù)管理措施，減少和控制裂縫是完全可能的。筆者根據(jù)多年的橋梁施工管理經(jīng)驗，談?wù)動嘘P(guān)橋梁混凝土裂縫出現(xiàn)的原因、預(yù)防措施和處理方法，可供橋梁施工管理人員參考。
一、混凝土橋梁裂縫形成的原因
（一）水泥水化熱
混凝土澆筑初期，水泥在水化過程中產(chǎn)生大量水化熱，使混凝土的溫度迅速上升。但由于混凝土表面散熱條件較好，熱量可以向大氣中散發(fā)，因此溫度上升較少；而混凝上內(nèi)部由于散熱條件較差，熱量散發(fā)慢，水泥散發(fā)的熱量不易散失，導(dǎo)致溫度上升較多。水泥水化熱引起的溫度變化與混凝土的品質(zhì)有關(guān)，如水泥和粉煤灰的用量，單位體積水泥水化放熱量，并隨混凝土的齡期按指數(shù)關(guān)系增長，一般在3－5天達(dá)到最高溫度。隨著齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也愈來愈大，以至產(chǎn)生了很大的拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土抗拉強度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時，便開始出現(xiàn)溫度裂縫。
（二）地基不均勻沉降
當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，會引起構(gòu)件的約束變形，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)力發(fā)生變化，而一旦結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)力超過自身的抗拉強度時，在結(jié)構(gòu)的薄弱部位就會產(chǎn)生沉降裂縫。在橋梁工程中，不均勻沉降裂縫產(chǎn)生的原因主要有以下幾種：
1．地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準(zhǔn)。在沒有充分掌握地質(zhì)情況下就進(jìn)行設(shè)計、施工，這是導(dǎo)致地基不均勻沉降的主要原因。
2．地基地質(zhì)條件差異太大。建造在山區(qū)溝谷的橋梁，河溝處的地質(zhì)與山坡處的地質(zhì)條件差異較大，河溝中甚至存在軟弱地基，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。
3．結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況大概一致的條件下，當(dāng)各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降，例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大，中部的沉降就要比兩邊大，箱涵可能開裂。
4．結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。同一橋梁中，混合使用不同基礎(chǔ)如擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，或同時采用樁基礎(chǔ)但樁徑或樁長差別大時，或同時采用擴(kuò)大基礎(chǔ)但基底標(biāo)高差異大時，也可能引起地基不均勻沉降。
5．地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍而膨脹，而一旦溫度回升，凍土融化，地基下沉，因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。
6．橋梁建成以后，原有地基條件變化。如大多數(shù)天然地基和人工地基浸水后，尤其是黃土、膨脹土等特殊地基土，土體強度遇水下降，壓縮變形加大，均可能造成不均勻沉降。
（三）溫差變化
混凝土在施工期間，外界氣溫變化的影響很大。混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和，外界氣溫愈高，混凝土的結(jié)構(gòu)溫度也愈高，如外界溫度下降，會增加混凝土的降溫幅度，特別是在外界氣溫驟降時，會增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫差。溫度應(yīng)力是由溫差引起的變形造成的，溫差愈大，溫度應(yīng)力也愈大。混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或內(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度時即產(chǎn)生溫度裂縫。
（四）混凝土收縮變形
實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。混凝土中含有大量空隙、粗孔及毛細(xì)孔，孔隙中存在水分，而水分的活動將影響到混凝土的一系列性質(zhì)，引起混凝土的收縮變形，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。混凝土的收縮變形主要有以下幾種形式:
1．自由收縮。它是混凝土硬化過程中由于化學(xué)作用引起的收縮，是化學(xué)結(jié)合水與水泥的化合結(jié)果。
2．塑性收縮。混凝土澆筑初期，水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象，引起混凝土失水收縮，此時骨料與膠合料之間產(chǎn)生不均勻的收縮變形。
3．碳化收縮。它是指大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。
4．干縮。水泥石在干燥和水濕的環(huán)境中要產(chǎn)生干縮和濕脹作用，最大的收縮發(fā)生在第一次干燥之后。
（五）鋼筋銹蝕引起的裂縫
由于保護(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發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長幾倍，從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。
（六）凍脹引起的裂縫
大氣氣溫低于零度時，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，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴(yán)重，成齡后混凝土強度損失很大。當(dāng)混凝土中骨料空隙多、吸水性強，骨料中含泥土等雜質(zhì)過多，混凝土水灰比偏大、振搗不密實，養(yǎng)護(hù)不力使混凝土早期受凍等，均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。
（七）施工方法和施工工藝質(zhì)量的原因
在混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、運輸、安裝過程中，施工方法不合理、施工質(zhì)量較低，容易產(chǎn)生各種形式的裂縫，產(chǎn)生裂縫的原因主要有以下幾方面：
1．骨料進(jìn)場控制不嚴(yán):碎石廠對碎石的分級生產(chǎn)控制不嚴(yán)格，施工單位進(jìn)場的石子混堆、混放，導(dǎo)致混凝土拌合物和易性性能差，造成混凝土質(zhì)量波動，質(zhì)量差的混凝土容易產(chǎn)生裂縫。
2．施工前對支架壓實不足或支架剛度不足，澆筑混凝土后支架不均勻下沉；施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土?xí)r，由于混凝土自重和側(cè)向壓力的作用使得模板變形。
3．混凝土澆筑供料速度不及時，連續(xù)性差，攪拌時間控制不好。
4．混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土沉實不足，硬化后沉實過大。
5．混凝土振搗不密實、不均勻，漏振或過振，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致截面削弱、鋼筋銹蝕或其他荷載裂縫。
6．混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，會使混凝土的水分流失，混凝土失水后表面產(chǎn)生拉應(yīng)力混凝土開裂，出現(xiàn)不規(guī)則的裂縫。
7．施工時拆模過早，混凝土強度不足，使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。
二、橋梁混凝土裂縫的控制與預(yù)防措施
針對以上提及的幾種原因，應(yīng)該采取以下幾種措施來控制與預(yù)防橋梁混凝土裂縫的產(chǎn)生。
（一）設(shè)計措施
1．采取合理的結(jié)構(gòu)形式和合理的分塊。混凝土工程施工中如果允許設(shè)置水平施工縫，應(yīng)根據(jù)溫度裂縫的要求進(jìn)行分塊，且設(shè)置必要的連接方式。
2．合理布置分布鋼筋:盡量采用小直徑、密間距布筋，結(jié)構(gòu)邊緣處或變截面處需要加強分布筋，表面可以設(shè)置鋼筋網(wǎng)片。
3．為防止鋼筋產(chǎn)生銹蝕裂縫，設(shè)計時應(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。
4．合理地進(jìn)行建筑物在使用階段的沉降計算，以控制由于地基不均勻沉降產(chǎn)生的寬裂縫。
（二）優(yōu)選混凝土原材料
優(yōu)選混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比的目的是使混凝土具有較大的抗裂能力。
1．采用低水化熱的水泥。由于礦物成分及摻加混合材料數(shù)量不同，水泥的水化熱差異較大。鋁酸三鈣和硅酸三鈣含量高的，水化熱較高；混合材料摻量多的水泥水化熱較低。為減小水泥水化熱，降低混凝土絕熱溫升和混凝土內(nèi)部溫度，從而減小內(nèi)外溫差，應(yīng)選用低水化熱的水泥產(chǎn)品。
2．摻粉煤灰。可以用適量粉煤灰取代一部分水泥以削減水化熱產(chǎn)生的高溫峰值。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強度，抑制堿集料反應(yīng)，減少新拌混凝土的泌水等。
3．骨料的選用。應(yīng)優(yōu)先選用熱膨脹系數(shù)小、含泥量低的骨料，并強調(diào)骨料的連續(xù)級配，條件許可時，應(yīng)盡可能使用粒徑大的骨料。之所以這樣，因為一方面骨料本身的強度就遠(yuǎn)大于水泥膠體，另一方面，采用連續(xù)級配的骨料，可以提高骨料在混凝土中的所占體積，能大幅度降低水泥用量，從而間接地降低水化熱。
4．優(yōu)化混凝土配合比。認(rèn)真進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計，通過試驗確定施工中采用的配合比。嚴(yán)格控制砂石骨料的含泥量，在滿足混凝土設(shè)計強度等級、混凝土各項性能要求以及泵送混凝土流動性要求情況下，選取節(jié)省水泥，降低混凝土絕熱溫升。
（三）地基處理
1．盡可能以樁柱式(坐于巖盤上的重力式基礎(chǔ)除外)基礎(chǔ)及下部的形式加寬，避免下部產(chǎn)生不均勻沉陷。
2．對基底采取夯實、換填夯實等，使沉降均勻，基底的埋深要考慮凍土的影響；對剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，建議對下部結(jié)構(gòu)聯(lián)成一體，并盡量對基底進(jìn)行技術(shù)處理，盡可能減少不均勻的沉陷。
3．新建基礎(chǔ)的承載能力要比原有基礎(chǔ)適當(dāng)提高；加強橫向連接，降低沉降對新舊接縫處受力的影響。
4．增加橋面水泥混凝土鋪裝的剛度，這是提高橋梁上部結(jié)構(gòu)整體性的重要措施；
5．在做橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，把基礎(chǔ)不均勻沉降作為荷載適當(dāng)加以考慮。
（四）采取合適的施工措施
合適的施工方法不僅能降低混凝土內(nèi)的最高溫度，還能減小混凝土的內(nèi)外溫差，有效地降低溫度裂縫的產(chǎn)生，達(dá)到控制裂縫的目的。
1．澆筑方案。在混凝土施工過程中，為了有效降低混凝土的內(nèi)外溫差，常采用分塊澆筑。分塊澆筑又可分為分層澆筑法和分段跳倉澆筑法兩種。分層澆筑法目前有全面分層法、分段分層法、斜面分層法3種澆注方案。全面分層澆筑是在第一層全面澆筑完畢后，開始澆筑第二層時，已施工的第一層混凝土還未初凝，如此逐層進(jìn)行，直至澆筑完成；分段分層澆筑，適用于厚度不大而面積或長度較大的工程，施工時混凝土先從底層開始澆筑，進(jìn)行至一定距離后再澆筑到第三層，如此依次向前澆筑其他各層；斜面分層適用于結(jié)構(gòu)的長度超過厚度的三倍的澆筑層，振搗上作從澆筑層的下端開始，逐漸上移，此時向前推進(jìn)的澆筑混凝土攤鋪坡度應(yīng)小于1: 3,以保證分層混凝土之間的施工質(zhì)量。
在時間允許的條件下，可將混凝土結(jié)構(gòu)采用分層多次澆注，施工層之間按施工縫處理，即薄層澆筑技術(shù)，它可以使混凝土內(nèi)部的水化熱得以充分地散發(fā)，應(yīng)該注意的是分層澆筑的間歇時間。目前水工混凝土中遵循的原則是薄層短間歇，對施工縫的處理要求十分嚴(yán)格；而在橋梁混凝土施工中，由于體積相對較小，多采用一次性整體澆筑和全面分層多次澆筑。
2．振搗工藝。采用二次振搗技術(shù)，即是澆灌后的混凝土，在振動界限以前，給予二次振搗，改善混凝土強度，提高抗裂性，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部生成的水分和孔隙，提高混凝土與鋼筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出現(xiàn)的裂縫，以減小內(nèi)部微裂，增加混凝土密實度，從而可使混凝土抗壓強度提高10－20%左右。
3．降低混凝土澆筑溫度的措施。混凝土因為水化熱引起體積變化，以及因為環(huán)境溫度的周期變化均會引起開裂，如果把混凝土的初始溫度降低到一定程度，使之產(chǎn)生的溫差較小，從而產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強度，可以避免混凝土開裂。降低澆筑溫度的具體措施包括：①澆筑前預(yù)冷混凝土；②降低原材料溫度，如做好水泥散熱、骨料澆水冷卻和預(yù)冷等；③采用冷卻拌和水與加冰拌和；④減少運輸途中的熱量倒灌，包括減小運輸距離，采用特制的保溫罐車，用保溫材料包裹混凝土泵送管道等。
（五）混凝土養(yǎng)護(hù)
剛澆筑的混凝土、強度低、抵抗變形能力小，如遇到不利的溫濕度條件，其表面容易發(fā)生有害的冷縮和干縮裂縫。保溫的目的是減小混凝土表面與內(nèi)部溫差及表面混凝土溫度梯度，防止表面裂縫的發(fā)生。
混凝土表面壓平后，先在混凝土表面灑水，再覆蓋一層塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆蓋保溫材料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保溫材料夜間要覆蓋嚴(yán)密，防止混凝土暴露，中午氣溫較高時可以揭開保溫材料適當(dāng)散熱。底層塑料布下預(yù)設(shè)補水軟管，補水軟管間距6－8m,沿管長度方向每100mm開5mm水孔，根據(jù)底板表面濕潤情況向管內(nèi)注水，養(yǎng)護(hù)過程設(shè)專人負(fù)責(zé)。
三、混凝土裂縫的治理方法
如果裂縫情況影響到混凝土結(jié)構(gòu)的性能時，就應(yīng)更慎重研討，分析比較，采用經(jīng)濟(jì)高效的方法，達(dá)到加固目的，可采用的方法有如下幾種：
（一）表面處理法
做法：沿混凝土裂縫表面鋪設(shè)薄膜材料，般可用環(huán)氧類樹脂或樹脂浸漬玻璃布。施工時先將混凝土表面用鋼絲刷打毛，清水洗凈干燥，將混凝土表面氣孔由油灰狀樹脂填平，然后在其上鋪設(shè)薄膜，如果單純以防水為目的，也可采用涂刷瀝青的方法。該法適用于縫較窄，漿材難以灌入，深度未達(dá)到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫。
（二）填充法
施工時，先將槽內(nèi)碎片清除，必要時涂底層結(jié)合料，填充后待填充料充分硬化，再用砂輪或拋光機(jī)將表面磨光。該法一般用來修補較寬的裂縫(0.3mm以上)，作業(yè)簡單，費用低。寬度小于0.3mm,深度較淺的裂縫，以及小規(guī)模裂縫的簡易處理可采用取開V形槽，然后作填充處理。
（三）灌漿法
做法：先將結(jié)構(gòu)物的裂縫或孔隙與外界封閉，僅留進(jìn)漿口及排氣孔，然后將較低粘度的漿液通過壓漿泵以一定的壓力將漿液壓入縫隙內(nèi)并使其擴(kuò)散、膠凝固化，以達(dá)到恢復(fù)整體性、強度、耐久性及抗?jié)B性的目的。漿液主要有:水泥漿、環(huán)氧糠酮、聚氨脂等。此法應(yīng)用范圍廣，從細(xì)微裂縫到大裂縫均可適用，處理效果好。
四、結(jié)束語
在橋梁混凝土施工過程中，采用合理的設(shè)計措施，正確選擇原材料，采用科學(xué)的施工措施，嚴(yán)格施工管理，就可以提高混凝土本身抗拉性能，減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，保證工程質(zhì)量，避免因出現(xiàn)裂縫而影響工程的質(zhì)量甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌的事故的發(fā)生。
參考文獻(xiàn)：
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