2020年巖土工程師答疑:橋梁施工中混凝土裂縫產(chǎn)生的原因?

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問題：

橋梁施工中混凝土裂縫產(chǎn)生的原因?

答疑：

隨著我國橋梁技術(shù)的突飛猛進，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也越來越廣泛?；炷潦菓?yīng)用最廣泛最重要的工程材料之一，具有取材廣泛、價格低廉、抗壓強度高、耐火性好、不易風(fēng)化、養(yǎng)護費用低等優(yōu)點，可以預(yù)計隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域還會進一步拓寬。在應(yīng)用混凝土材料進行建筑結(jié)構(gòu)、公路、橋梁及隧道等工程建設(shè)中，人們也發(fā)現(xiàn)，混凝土開裂是最常見的一種病害，并且已成為影響工程結(jié)構(gòu)使用壽命的重要影響因素之一。在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的各種各樣的裂縫，形成的原因也是千差萬別，因此其危害性也會有顯著的差異。

1.橋梁施工中混凝土裂縫概述

一般來講，橋梁施工中混凝土裂縫可分為溫度引起的裂縫、收縮引起的裂縫、鋼筋銹蝕引起的裂縫、沉降引起的裂縫、凍脹引起的裂縫、施工材料質(zhì)量引起的裂縫及施工裂縫等。①溫度變化引起的裂縫混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時.混凝土將發(fā)生變形，一旦變形受阻，則會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力.當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中。溫度應(yīng)力可以達到甚至超出活載應(yīng)力。②收縮引起的裂縫收縮裂縫是混凝土因收縮而發(fā)生的體積變化，它主要包括塑性收縮裂縫和干縮裂縫。塑性收縮裂縫主要發(fā)生在初凝開始，進行養(yǎng)護之前.此時水泥水化反應(yīng)劇烈，會出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮。收縮時，表層受到深層混凝土以及模板、鋼筋的制約，使由軟變硬中的塑態(tài)混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而形成微裂縫。而干縮裂縫則多發(fā)生在混凝土硬化前后.此時混凝土表層水分散發(fā)快，內(nèi)部散發(fā)慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮。表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束.致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土受到的拉應(yīng)力超過其抗拉強度時，就會產(chǎn)生收縮裂縫。③沉降引起的裂縫由于基礎(chǔ)產(chǎn)生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。當(dāng)其超過混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度時，結(jié)構(gòu)開裂。④鋼筋銹蝕引起的裂由于混凝土質(zhì)量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表而，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介人.鋼筋中鐵離子含量較高，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24倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕，使得鋼筋有效斷面面積減小，鋼筋與混凝土握裹力削弱。結(jié)構(gòu)承載力下降，并將誘發(fā)其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。⑤凍脹引起的裂縫混凝土構(gòu)件是非勻質(zhì)密實構(gòu)件，其內(nèi)部存在各種空隙，當(dāng)處于吸水飽和狀態(tài)的混凝土溫度低于0℃時，內(nèi)部水分凍結(jié)，體積膨脹9%，使混凝土因膨脹而產(chǎn)生拉應(yīng)力導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。冬季施工時，對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施，也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。溫度低于0℃和混凝土吸水飽和，是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。另外，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)護不足使混凝土早期受凍等，均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。

2.裂縫控制措施分析

2.1 加強溫度控制，改善混凝土裂縫

充分改良骨料的配置，適當(dāng)增加添加劑，盡可能采用干硬性混凝土進行橋梁施工，這樣可有效降低混凝土中的水泥成分。在混凝土的拌和過程中，在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)⑺疄⒃谒槭希_到冷卻碎石的目的，從而降低了混凝土澆注時的溫度。尤其在夏天的施工中，必須減少混凝土的澆注厚度，利用澆注層的面積，充分散熱。適當(dāng)條件下，可在混凝土內(nèi)部敷設(shè)降溫水管，達到全面降溫混凝土的目的。對于施工工序的安排，必須時間合理。對于混凝土暴露面積，要適宜。對混凝土來說，其性能的好壞常常異常重要，選擇高性能的混凝土，增加抗裂效果，避免表面干縮程度大的混凝土應(yīng)用于橋梁施工中。塑性沉降裂縫在施工中常常見到，所以在施工中必須加強基礎(chǔ)處理，合理對支架進行布置。就支架來說，必須用面積法測定表面受力，采取預(yù)壓措施，來減低非彈性形變的產(chǎn)生。在混凝土中添加減水劑，這樣的話能避免泌水，增加了混凝土保護層厚度，在橋梁施工中，有必要采取二次抹面。對于塑性收縮裂縫而言，其主要的防治方法是加強混凝土的早期養(yǎng)護，然后降低混凝土中水分增發(fā)的速度。此方法具體是用麻袋以及海綿等物質(zhì)覆蓋混凝土結(jié)構(gòu)的表面，對混凝土進行澆水濕治。溫度裂縫的防治措施，主要是加強注意施工中混凝土澆注時間以及速度，在澆注過程中控制溫度。在夏季而言，混凝土骨料必須進行灑水，而在冬季施工中，混凝土表面采取保溫措施。

2.2 施工控制

嚴格控制混凝土施工配合比，根據(jù)混凝土強度等級和質(zhì)量檢驗以及混凝土和易性的要求確定配合比，嚴格控制水灰比和水泥用量，要求監(jiān)理嚴格監(jiān)督控制。把好質(zhì)量關(guān)，選擇級配良好的石子，控制砂的粒徑及含量，適當(dāng)減少空隙率以減少混凝土收縮量，從而加強混凝土抗裂強度。養(yǎng)護實踐證明，混凝土養(yǎng)護工作，是整個施工過程中非常重要環(huán)節(jié)，忽視對混凝土的養(yǎng)護，既會降低混凝土的強度，又易使其在硬化過程中失水得不到及時補償而產(chǎn)生裂縫。更重要的是在高溫下施工，應(yīng)經(jīng)常澆水養(yǎng)護，一來可減少溫度產(chǎn)生的裂縫，二來可降低由于混凝土的收縮而產(chǎn)生的約束應(yīng)力，有效控制裂縫。

2.3 裂縫修補

2.3.1 表面修補 裂縫的修補方法通常是表面修補，其優(yōu)勢十分明顯，常常處理表面裂縫以及深度裂縫，而且對于混凝土的結(jié)構(gòu)承載力影響很小。表面修補法，作為裂縫修補的常用技術(shù)，一般來講，其做法就是表面涂漿，即在混凝土裂縫的表面涂抹水泥漿，有些橋梁工程中采用環(huán)氧膠泥進行表面涂抹，并為了滿足防腐需要，在裂縫涂漿后，采取刷漆措施。有些時候，表面修補完成后，往往由于應(yīng)力的存在，使得混凝土裂縫繼續(xù)開裂，此時可在裂縫的表面粘附玻璃纖維布，確保裂縫修補完整。

2.3.2 灌漿法 當(dāng)裂縫對于橋梁結(jié)構(gòu)有嚴重影響的時候，或者橋梁對防滲有著一定的要求時，表面修補已不能滿足相關(guān)要求，必須采用灌漿法進行處理。所謂灌漿法，通常而言，是采用真空壓力設(shè)備將漿質(zhì)料壓入裂縫中，漿質(zhì)料隨著時間的推移，會達到硬化，硬化后的漿質(zhì)料與混凝土形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的整體，避免的裂縫的存在，并具備一定的密封性能。漿質(zhì)材料通常有很多種，在工程中一般采用水泥漿或者環(huán)氧聚合物，對于裂縫比較嚴重的，可采用甲基丙烯酸酯以及聚氨酯作為漿質(zhì)料。

2.3.3 嵌縫法 嵌縫法是裂縫修補方法中非常有效的方法。所謂嵌縫法，即在混凝土的裂縫處開槽，在開好的槽內(nèi)填充止水材料，這樣既可對裂縫進行封堵，有利于裂縫外觀的平整。

2.3.4 結(jié)構(gòu)加固法 在很多橋梁工程中，有些裂縫的產(chǎn)生，會嚴重改變混凝土結(jié)構(gòu)性能，對橋梁壽命以及使用性能產(chǎn)生嚴重影響。此時對于橋梁混凝土裂縫，必須采取結(jié)構(gòu)加固法來進行混凝土加固。結(jié)構(gòu)加固法一般包括增加混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積、預(yù)應(yīng)力加固、支點加固以及混凝土補強加固。

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