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橋梁混凝土裂縫分析
發(fā)布時間:2014-08-05
摘要: 從常見裂縫特性、成因著手,旨在找出各種裂縫的防治措施,并提出簡單的裂縫修補方法。以方便工程技術(shù)人員能夠?qū)ΠY下藥,盡量避免危害較大的裂縫在工程中出現(xiàn)。 


  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I作用下寬度小于0.2 mm的裂縫,荷載組合Ⅱ,Ⅲ作用下寬度小于0.25 mm.的裂縫以及處于嚴(yán)重暴露情況下,寬度小于0.1 mm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。

1 混凝土裂縫特性及產(chǎn)生的原因
  1.1 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)行計算時,計算模型不合理,結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實際受力不符,荷載少算或漏算;內(nèi)力與配筋計算錯誤,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠;結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮施工的可行性,設(shè)計截面不足;鋼筋設(shè)計偏少或布置錯誤,結(jié)構(gòu)剛度不夠等⋯。2)施工時不加限制地堆放施工機具、材料;不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設(shè)計圖施工、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)作疲勞強度驗算等。3)在使用階段,超過設(shè)計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。
  1.2 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1 d-2 d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21 d后。引起溫度變化主要原因有:
  1)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2 m)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。
  2)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。
  1.3 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。
  1.4 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10 min到3 h內(nèi);A(chǔ)不均勻沉降的主要原因有:
  1)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。
  2)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。


  1.5 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。
  1.6 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)冰溫度在一78℃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,混凝土強度降低,導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。 

2 主要裂縫的防治措施
  2.1 荷載裂縫
  應(yīng)該采取合理的計算模型、限制施工機具的堆放、限制超過設(shè)計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。
  2.2 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。
  2.3 收縮裂縫
  為預(yù)防收縮裂縫,應(yīng)加強早期混凝土養(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)。
  2.4 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,確保混凝土保護(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。
  2.5 鋼筋銹蝕引起的裂縫
  要防止鋼筋銹蝕,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;施工時應(yīng)控制混凝土的水灰比,加強振搗,最大限度地保證混凝土自身密實、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的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。
  2.6 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)以及在混凝土拌合水中摻入防凍劑(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。


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