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混凝土橋梁裂縫的成因與防治

發布時間：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。

　　
　　隨著社會的不斷進步，國家加大了對橋梁的投資，混凝土在橋梁結構中的應用也越來越多，但是，相應暴露出來的質量問題也越來越多，其中，混凝土結構產生的裂縫問題，尤為突出，是一個迫切需要解決的技術難題。雖然理論上，結構裂縫是不可避免的現象，但通過施土中的技術管理措施，減少和控制裂縫是完全可能的。筆者根據多年的橋梁施工管理經驗，談談有關橋梁混凝土裂縫出現的原因、預防措施和處理方法，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，因此溫度上升較少；而混凝上內部由于散熱條件較差，熱量散發慢，水泥散發的熱量不易散失，導致溫度上升較多。水泥水化熱引起的溫度變化與混凝土的品質有關，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關系增長，一般在3－5天達到最高溫度。隨著齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內部降溫收縮的約束也愈來愈大，以至產生了很大的拉應力，當混凝土抗拉強度不足以抵抗這種拉應力時，便開始出現溫度裂縫。
　　（二）地基不均勻沉降
　　當地基發生不均勻沉降時，會引起構件的約束變形，使結構內部拉應力發生變化，而一旦結構內部拉應力超過自身的抗拉強度時，在結構的薄弱部位就會產生沉降裂縫。在橋梁工程中，不均勻沉降裂縫產生的原因主要有以下幾種：
　　1．地質勘察精度不夠、試驗資料不準。在沒有充分掌握地質情況下就進行設計、施工，這是導致地基不均勻沉降的主要原因。
　　2．地基地質條件差異太大。建造在山區溝谷的橋梁，河溝處的地質與山坡處的地質條件差異較大，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．結構荷載差異太大。在地質情況大概一致的條件下，當各部分基礎荷載差異太大時，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．結構基礎類型差別大。同一橋梁中，混合使用不同基礎如擴大基礎和樁基礎，或同時采用樁基礎但樁徑或樁長差別大時，或同時采用擴大基礎但基底標高差異大時，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。混凝土的內部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結構散熱降溫等各種溫度的疊加之和，外界氣溫愈高，混凝土的結構溫度也愈高，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部混凝土的溫差。溫度應力是由溫差引起的變形造成的，溫差愈大，溫度應力也愈大。混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環境或內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。
　　（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，引起混凝土的收縮變形，導致裂縫的產生。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作用引起的收縮，是化學結合水與水泥的化合結果。
　　2．塑性收縮。混凝土澆筑初期，水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現水分急劇蒸發現象，引起混凝土失水收縮，此時骨料與膠合料之間產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生化學反應引起的收縮變形。
　　4．干縮。水泥石在干燥和水濕的環境中要產生干縮和濕脹作用，最大的收縮發生在第一次干燥之后。
　　（五）鋼筋銹蝕引起的裂縫
　　由于保護層厚度不足，混凝土保護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生銹蝕反應，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長幾倍，從而產生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂，沿鋼筋縱向產生裂縫，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冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水在微觀結構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，并導致裂縫出現。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重，成齡后混凝土強度損失很大。當混凝土中骨料空隙多、吸水性強，骨料中含泥土等雜質過多，混凝土水灰比偏大、振搗不密實，養護不力使混凝土早期受凍等，均可能導致混凝土凍脹裂縫。
　　（七）施工方法和施工工藝質量的原因
　　在混凝土結構構件制作、運輸、安裝過程中，施工方法不合理、施工質量較低，容易產生各種形式的裂縫，產生裂縫的原因主要有以下幾方面：
　　1．骨料進場控制不嚴:碎石廠對碎石的分級生產控制不嚴格，施工單位進場的石子混堆、混放，導致混凝土拌合物和易性性能差，造成混凝土質量波動，質量差的混凝土容易產生裂縫。
　　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，在澆筑混凝土時，由于混凝土自重和側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，出現蜂窩、麻面、空洞，導致截面削弱、鋼筋銹蝕或其他荷載裂縫。
　　6．混凝土養護不到位，會使混凝土的水分流失，混凝土失水后表面產生拉應力混凝土開裂，出現不規則的裂縫。
　　7．施工時拆模過早，混凝土強度不足，使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。
　　
　　二、橋梁混凝土裂縫的控制與預防措施
　　
　　針對以上提及的幾種原因，應該采取以下幾種措施來控制與預防橋梁混凝土裂縫的產生。
　　（一）設計措施
　　1．采取合理的結構形式和合理的分塊。混凝土工程施工中如果允許設置水平施工縫，應根據溫度裂縫的要求進行分塊，且設置必要的連接方式。
　　 2．合理布置分布鋼筋:盡量采用小直徑、密間距布筋，結構邊緣處或變截面處需要加強分布筋，表面可以設置鋼筋網片。
　　3．為防止鋼筋產生銹蝕裂縫，設計時應根據規范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度。
　　4．合理地進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生的寬裂縫。
　　（二）優選混凝土原材料
　　優選混凝土原材料、優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部溫度，從而減小內外溫差，應選用低水化熱的水泥產品。
　　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生的高溫峰值。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗滲性、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，減少新拌混凝土的泌水等。
　　3．骨料的選用。應優先選用熱膨脹系數小、含泥量低的骨料，并強調骨料的連續級配，條件許可時，應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大于水泥膠體，另一方面，采用連續級配的骨料，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．優化混凝土配合比。認真進行混凝土配合比設計，通過試驗確定施工中采用的配合比。嚴格控制砂石骨料的含泥量，在滿足混凝土設計強度等級、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除外)基礎及下部的形式加寬，避免下部產生不均勻沉陷。
　　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；對剛性擴大基礎，建議對下部結構聯成一體，并盡量對基底進行技術處理，盡可能減少不均勻的沉陷。
　　3．新建基礎的承載能力要比原有基礎適當提高；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構整體性的重要措施；
　　5．在做橋梁上部結構設計時，把基礎不均勻沉降作為荷載適當加以考慮。
　　（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的最高溫度，還能減小混凝土的內外溫差，有效地降低溫度裂縫的產生，達到控制裂縫的目的。
　　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；斜面分層適用于結構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，此時向前推進的澆筑混凝土攤鋪坡度應小于1: 3,以保證分層混凝土之間的施工質量。
　　在時間允許的條件下，可將混凝土結構采用分層多次澆注，施工層之間按施工縫處理，即薄層澆筑技術，它可以使混凝土內部的水化熱得以充分地散發，應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，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的裂縫，以減小內部微裂，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，使之產生的溫差較小，從而產生的拉應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）混凝土養護
　　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部溫差及表面混凝土溫度梯度，防止表面裂縫的發生。
　　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行養護，保溫材料夜間要覆蓋嚴密，防止混凝土暴露，中午氣溫較高時可以揭開保溫材料適當散熱。底層塑料布下預設補水軟管，補水軟管間距6－8m,沿管長度方向每100mm開5mm水孔，根據底板表面濕潤情況向管內注水，養護過程設專人負責。
　　
　　三、混凝土裂縫的治理方法
　　
　　如果裂縫情況影響到混凝土結構的性能時，就應更慎重研討，分析比較，采用經濟高效的方法，達到加固目的，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薄膜材料，般可用環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，深度未達到鋼筋表面的發絲裂縫。
　　（二）填充法
　　施工時，先將槽內碎片清除，必要時涂底層結合料，填充后待填充料充分硬化，再用砂輪或拋光機將表面磨光。該法一般用來修補較寬的裂縫(0.3mm以上)，作業簡單，費用低。寬度小于0.3mm,深度較淺的裂縫，以及小規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：先將結構物的裂縫或孔隙與外界封閉，僅留進漿口及排氣孔，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并使其擴散、膠凝固化，以達到恢復整體性、強度、耐久性及抗滲性的目的。漿液主要有:水泥漿、環氧糠酮、聚氨脂等。此法應用范圍廣，從細微裂縫到大裂縫均可適用，處理效果好。
　　
　　四、結束語
　　
　　在橋梁混凝土施工過程中，采用合理的設計措施，正確選擇原材料，采用科學的施工措施，嚴格施工管理，就可以提高混凝土本身抗拉性能，減少混凝土裂縫的產生，保證工程質量，避免因出現裂縫而影響工程的質量甚至導致結構垮塌的事故的發生。
　　
　　參考文獻：
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　　[2]湛潤水.公路舊橋加固技術與實例，人民交通出版社，2002.
　　[3]牛紫龍，混凝土施工中溫度裂縫的分析與控制，工程建設，2006.
　　[4]鞠麗艷，混凝土裂縫抑制措施的研究進展，混凝土，2002. 5.

上一條公路橋梁存在的缺陷及幾種修復加固技術的探討
下一條橋梁節點部位的抗震解析

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