混凝土桥梁裂缝的成因及预防。
随着社会的不断进步,国家加大了对桥梁的投入,混凝土在桥梁结构中的应用也越来越多。然而,相应暴露出来的质量问题也越来越多,其中混凝土结构的裂缝问题尤为突出,是一个亟待解决的技术难题。虽然理论上结构裂缝是不可避免的,但在土壤应用中通过技术管理措施减少和控制裂缝是完全可能的。摘要:笔者根据多年从事桥梁施工管理的经验,浅谈桥梁混凝土裂缝的成因、预防措施及处理方法,可供桥梁施工管理者参考。
一,混凝土桥梁裂缝的成因
(一)水泥的水化热
混凝土浇筑初期,水泥水化过程中产生大量水化热,使混凝土温度迅速升高。但由于混凝土表面散热条件好,热量可以散发到大气中,所以温升较少;但由于散热条件差,混凝内部散热慢,水泥散发的热量不易散失,导致温升较多。水泥水化热引起的温度变化与混凝土的质量有关,如水泥和粉煤灰的掺量,单位体积水泥水化放热量,随混凝土龄期呈指数增长,一般在3-5天达到最高温度。随着龄期和弹性模量的增加,对混凝土内部冷却收缩的约束越来越大,导致拉应力很大。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,温度裂缝就开始出现。
(B)地基不均匀沉降
当地基发生不均匀沉降时,会引起构件的约束变形,改变结构内部的拉应力。一旦结构内部的拉应力超过自身的抗拉强度,结构的薄弱部位就会产生沉降裂缝。在桥梁工程中,不均匀沉降裂缝的成因主要有以下几种:
1.地质测量精度不够,测试数据不准确。在没有完全掌握地质的情况下进行设计和施工,是造成地基不均匀沉降的主要原因。
2.地基地质条件相差太大。对于建在山谷中的桥梁,河谷的地质条件与山坡上的地质条件有很大的不同。河谷中甚至有软弱地基,地基土因压缩性不同而不均匀沉降。
3.结构负荷差别太大。在地质条件大致相同的情况下,当各部分地基荷载相差太大时,可能会引起不均匀沉降。比如高填箱涵中间的荷载大于两边,中间的沉降大于两边,箱涵就有可能开裂。
4.结构基础的类型大不相同。在同一座桥梁中,混合使用不同的基础,如扩大基础和桩基础,或桩径或桩长相差较大的桩基础,或基础标高相差较大的扩大基础,也可能造成基础的不均匀沉降。
5.地基冻胀。在零下的条件下,含水量高的地基土因冻结而膨胀,一旦温度升高,冻土融化,地基下沉,所以地基的冻结或融化会引起不均匀沉降。
6.桥梁建成后,原有的地基条件发生变化。例如,大部分天然地基和人工地基浸水后,特别是黄土、膨胀土等特殊地基土,遇水时土的强度降低,压缩变形增大,可能引起不均匀沉降。
(3)温差变化
在混凝土施工过程中,外界温度的变化影响很大。混凝土内部温度是浇筑温度、水化热绝热温升和结构冷却之和。外界温度越高,混凝土的结构温度越高。如果外部温度下降,混凝土的降温幅度会增大,特别是当外部温度突然下降时,外部混凝土与内部混凝土的温差会增大。温度应力是由温差引起的变形引起的,温差越大,温度应力越大。混凝土具有热胀冷缩的特性。当外部环境或内部温度发生变化时,混凝土会发生变形。如果变形受到限制,结构中就会产生应力。当应力超过混凝土的抗拉强度时,就会产生温度裂缝。
(4)混凝土的收缩变形
在实际工程中,收缩引起的混凝土裂缝是最常见的。混凝土中含有大量的空隙、粗孔隙和毛细孔,孔隙中有水,水的活性会影响混凝土的一系列性能,引起混凝土收缩变形,导致裂缝。混凝土的收缩变形主要有以下几种形式:
1.自由收缩。它是混凝土硬化过程中化学作用引起的收缩,是化学结合水和水泥结合的结果。
2.塑性收缩。混凝土浇筑初期,水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,水分迅速蒸发的现象发生,使混凝土失水收缩,此时骨料与粘结剂之间发生不均匀收缩变形。
3.碳化收缩。是指大气中的二氧化碳与水泥水化物发生化学反应而产生的收缩变形。
4.干缩。水泥石在干湿状态下会收缩膨胀,最大收缩发生在第一次干燥后。
(5)钢筋腐蚀引起的裂缝
由于保护层厚度不足,混凝土保护层被二氧化碳腐蚀碳化到钢筋表面,降低了钢筋周围混凝土的碱性,或由于氯化物的介入,钢筋周围氯离子含量高,可使钢筋表面的氧化膜被破坏,引起腐蚀反应, 并且作为锈物质的氢氧化铁的体积比原来增加几倍,从而产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂,沿着钢筋的纵向方向开裂,锈渗入混凝土表面。
(六)冻胀引起的裂缝
当大气温度低于零度时,水饱和的混凝土结冰,自由水变成冰,体积膨胀,从而引起混凝土的膨胀应力。同时,过冷水在混凝土凝胶孔隙中的迁移和重新分布造成渗透压,使混凝土中的膨胀力增大,降低混凝土强度,导致裂缝。特别是混凝土初凝时受冻最严重,混凝土成熟后强度损失很大。当混凝土中的骨料空隙多,吸水性强,骨料含泥土等杂质过多,混凝土水灰比过大,振捣不密实,养护不好,混凝土早期受冻,都可能导致混凝土出现冻胀裂缝。
(七)施工方法和施工工艺质量原因。
混凝土结构构件在制作、运输和安装过程中,施工方法不合理,施工质量低,容易产生各种形式的裂缝。产生裂缝的主要原因如下:
1.骨料进场控制不严:碎石厂对碎石的级配生产控制不严,施工单位进场的石子混放在一起,造成混凝土拌合物和易性差,导致混凝土质量波动,质量差的混凝土容易产生裂缝。
2.施工前支撑不够密实或刚性不够,浇筑混凝土后支撑下沉不均匀;施工时,模板刚度不足,浇筑混凝土时,模板因混凝土自重和侧压力而变形。
3.混凝土浇筑进料速度不及时,连续性差,搅拌时间控制不好。
4.混凝土浇筑过快,混凝土流动性低。硬化前,混凝土浇筑不足,硬化后,混凝土浇筑过重。
5.混凝土振捣不密实、不均匀,漏振或过振,产生蜂窝、麻面、空洞,导致截面弱化、钢筋锈蚀或其他荷载裂缝。
6.混凝土养护不到位会导致混凝土失水,导致混凝土表面产生拉应力,出现不规则裂缝。
7.施工时拆模过早,混凝土强度不足,使构件在自重或施工荷载作用下开裂。
二、桥梁混凝土裂缝控制及预防措施
鉴于上述原因,应采取以下措施控制和预防桥梁混凝土裂缝。
设计措施
1.采用合理的结构形式和合理的砌块。混凝土施工中如允许有水平施工缝,应按温度裂缝的要求分块留设,并设置必要的连接方式。
2.钢筋的合理布置和分布:尽量采用小直径、密间距的钢筋,在结构边缘或变截面处配筋,表面可设置钢筋。
3.为防止钢筋产生腐蚀裂缝,设计时应根据规范要求控制裂缝宽度,并采用足够的保护层厚度。
4.合理计算建筑物在使用阶段的沉降量,控制地基不均匀沉降引起的宽裂缝。
(2)混凝土原材料的优化
优化混凝土原材料和配合比的目的是使混凝土具有更大的抗裂性。
1.使用低水化热的水泥。水泥的水化热因矿物组成和混合材料用量的不同而差异很大。铝酸三钙和硅酸三钙含量高,水化热高;混合材料越多,水泥的水化热越低。为了降低水泥的水化热,降低混凝土的绝热温升和混凝土内部温度,从而降低内外温差,应选择水化热低的水泥制品。
2.混有粉煤灰。可以用适量的粉煤灰代替一部分水泥来降低水化热引起的高温峰值。混凝土中掺入粉煤灰后,可以提高混凝土的抗渗性和耐久性,减少收缩,降低胶凝材料体系的水化热,提高混凝土的抗拉强度,抑制碱-骨料反应,减少新拌混凝土泌水。3.骨料的选择。应优先选用热膨胀系数小、含泥量低的骨料,并强调骨料的连续级配。在条件允许的情况下,应尽可能使用大粒径骨料。这是因为,一方面骨料本身的强度远大于水泥胶体的强度,另一方面连续级配骨料的使用可以增加混凝土中骨料的体积,大大减少水泥用量,从而间接降低水化热。
4.优化混凝土配合比。精心设计混凝土配合比,通过试验确定施工中采用的配合比。严格控制砂石骨料的含泥量,在满足混凝土设计强度等级、混凝土各项性能要求和泵送混凝土流动性要求的条件下,选择节约水泥、降低混凝土绝热温升。
(3)地基处理
1.尽可能以桩式基础(坐在岩板上的重力基础除外)和下部的形式加宽,以避免下部的不均匀沉降。
2.夯实基底,换填夯实使沉降均匀,基底埋深要考虑冻土的影响;对于刚性扩大基础,建议下部结构一体化,尽可能对基底进行技术处理,尽可能减少不均匀沉降。
3.新建基础的承载力应比原有基础适当提高;加强横向连接,减少沉降对新旧接缝应力的影响。
4.增加桥面水泥混凝土铺装层的刚度是提高桥梁上部结构整体性的重要措施;
5.在设计桥梁的上部结构时,应将基础的差异沉降适当地视为荷载。
(4)采取适当的施工措施。
适当的施工方法不仅可以降低混凝土内部最高温度,还可以减小混凝土内外温差,有效减少温度裂缝的发生,达到控制裂缝的目的。
1.选角方案。在混凝土施工过程中,为了有效降低混凝土内外温差,经常采用分块浇筑。分段浇注可分为分层浇注法和分段跳浇法两种。分层浇筑法目前有三种浇筑方案:全面分层法、分段分层法和倾斜分层法。全面分层浇筑是指在第一层浇筑完毕后,浇筑第二层时,已施工的第一层混凝土还未初凝,所以是逐步进行,直至浇筑完毕;分段分层浇筑适用于厚度较小但面积或长度较大的工程。施工时,先从底部浇筑混凝土,过一段距离后向第三层浇筑,使其他层依次向前浇筑;斜面分层适用于长度大于结构厚度三倍的浇筑层。振捣工作从浇筑层的下端开始,逐渐向上移动。此时,向前推进的浇筑混凝土的摊铺坡度应小于1:3,以保证分层混凝土之间的施工质量。
在时间允许的情况下,混凝土结构可以分多次分层浇筑,将施工层作为施工缝处理,即薄层浇筑技术,可以充分散发混凝土内部的水化热,同时要注意分层浇筑的间歇时间。目前水工混凝土遵循的原则是薄层短间隔,对施工缝的处理要求非常严格;但在桥梁混凝土施工中,由于其体积相对较小,往往采用一次性整体浇筑和全面分层多次浇筑。
2.振动技术。采用二次振捣技术,即在振捣界限前对已浇筑的混凝土进行两次振捣,以提高混凝土强度和抗裂性,消除混凝土泌水在粗骨料和水平钢筋下部产生的水分和气孔,提高混凝土与钢筋的粘结力,防止混凝土沉降产生裂缝,从而减少内部微裂缝,增加混凝土密实度,使混凝土抗压强度提高10-20。
3.降低混凝土浇筑温度的措施。水化热引起的混凝土体积变化和环境温度的周期性变化都会引起开裂。如果混凝土的初始温度降低到一定程度,温差就会变小,由此产生的拉应力就会小于混凝土的抗拉强度,从而可以避免混凝土开裂。降低浇筑温度的具体措施包括:①浇筑前预冷混凝土;(2)降低原料温度,如水泥散热、骨料洒水降温、预冷等。(3)通过冷却和加入冰来混合水;(4)减少运输过程中热量的倒灌,包括减少运输距离、使用专用保温罐车、用保温材料包裹混凝土泵送管等。
(5)混凝土养护
新浇混凝土强度低,抗变形能力低。如果遇到不利的温湿度条件,其表面容易产生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减少混凝土表面与内部的温差和混凝土表面的温度梯度,防止表面裂缝的产生。
混凝土表面整平后,先在混凝土表面洒水,然后用塑料薄膜覆盖,再用保温材料覆盖塑料薄膜进行养护。保温材料应在夜间严密覆盖,以防止混凝土外露。中午温度较高时,可将保温材料揭开,进行适当散热。在底部塑料布下预设注水软管,间距6-8米。沿管道长度每隔100mm开5mm水孔,根据底板表面湿润情况向管道内注水。指定人员负责维护过程。
三、混凝土裂缝的处理方法
如果裂缝情况影响了混凝土结构的性能,则应更仔细地讨论、分析和比较,采取经济高效的方法达到加固的目的。可以采用以下方法:
(1)表面处理方法
做法:沿混凝土裂缝表面铺设薄膜材料,一般可采用环氧树脂或树脂浸渍玻璃布。施工时,用钢丝刷将混凝土表面凿毛,用清水洗净晾干,并用腻子状树脂将混凝土表面的孔隙填满,然后在其上铺一层薄膜。如果防水是唯一目的,也可以采用刷沥青的方法。这种方法适用于接缝较窄、不易灌浆、深度达不到钢筋表面的毛细裂缝。(2)填充方法
施工时,先清除槽内杂物,必要时涂底胶。填充后,填料应充分硬化,然后用砂轮或抛光机抛光表面。这种方法一般用于修补宽裂纹(0.3mm以上),操作简单,成本低。宽度小于0.3mm,深度较浅的裂缝,以及小范围的裂缝,可以简单的采取V型槽,然后填充的方法处理。
(3)灌浆方法
做法:先从外部封闭结构的裂缝或气孔,只留浆口和排气孔,然后通过灌浆泵将低粘度的浆液以一定的压力压入裂缝中,使其扩散固化,从而达到恢复整体性、强度、耐久性和抗渗性的目的。泥浆主要包括水泥浆、环氧糠酮、聚氨酯等。这种方法适用范围广,从细小裂缝到大裂缝,处理效果都不错。
四。结束语
在桥梁混凝土施工过程中,合理的设计措施、正确的原材料选择、科学的施工措施和严格的施工管理,可以提高混凝土本身的抗拉性能,减少混凝土裂缝的发生,保证工程质量,避免因裂缝而影响工程质量甚至导致结构倒塌的事故。
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