关于桥梁混凝土施工裂缝成因与防治

摘要: 本文介绍了桥梁从建成到使用,牵涉到建设、设计、施工、监理、运营管理等各个方面,任何一方面不慎均可能使钢筋混凝土桥梁出现裂缝。因此,严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理,是保证结构安全耐用的前提和基础。

关键词: 钢筋桥梁；混凝土；裂缝修补；

1混凝土裂缝的种类和成因

1.1结构性裂缝(受力裂缝)

由外荷载引起的裂缝,称为结构性裂缝(又称为受力裂缝),其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现,预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题;有些结构性裂缝是由设计缺陷和施工方法不当造成的。

(1)荷载引起的裂缝。混凝土桥梁在静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝,主要有直接裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝;次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。在设计外荷载作用下,由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂;桥梁结构中

经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等,在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算,一般根据经验设置受力钢筋。研究表明,受力构件挖孔后,力线将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。实际工程中,次应力裂缝是产生荷载裂缝最常见的原因。

(2)地基变形引起的裂缝。由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构中产生附加应力,超过混凝土结构的抗拉能力,导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有:地质勘察精度不够、试验资料不准、地基地质差异太大、结构荷载差异太大、结构基础类型差别太大、地基冻胀、桥梁基础基于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时,也可能造成不均匀沉降。在超静结构中基础竖向不均匀沉降或水平方向位移,使结构物中产生附加应力,若超过钢筋混凝土结构物的抗拉能力,则导致结构开裂。基础不均匀沉降引起的上部结构的裂缝,实质上属于结构性裂缝范畴,裂缝的分布、宽度、结构形式与基础不均沉降情况等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大,应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除沉降后,才能进行上部结构的裂缝处理。

1.2非结构性裂缝(变形裂缝)

由变形引起的裂缝,称为非结构性裂缝,如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时,在结构内部就会产生自应力,当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时,即会引起混凝土裂缝,裂缝一旦出现,变形得到释放,自应力也就消失了。混凝土的非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法、养护条件和使用环境等多因素影响。

(1)温度变化引起的裂缝。混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中,温度应力可以达到甚至超出荷载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要的特性是裂缝随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化的主要因素有:年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等。

(2)收缩引起的裂缝。在实际工程中,混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因,另外还有自生收缩和炭化收缩。研究表明,影响混凝土收缩裂缝的主要因素有:水泥品种、标号及用量、骨料品种、水灰比、外掺剂、养护方法、外界环境、振捣方式及时间。

(3)钢筋锈蚀引起的裂缝。要防止钢筋锈蚀,设计时应根据规范要求控制裂缝宽度,采用足够的保护层厚度(当然保护层亦不能太厚,否则构件有效高度减小,受力时将加大裂缝宽度);施工时应控制混凝土的水灰比,加强振捣,保证混凝土的密实性,防止氧气侵入,同时严格控制含氯盐的外加剂用量,沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。

(4)冻胀引起的裂缝。大气气温低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%左右,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水在微观结构中迁移和重分布引起渗透压,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重,成龄后混凝土强度损失可达30%~50%。冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。

(5)施工材料质量引起的裂缝。混凝土主要由水泥、砂、骨料与拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格,可能导致结构出现裂缝。

(6)施工工艺质量引起的裂缝。在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生纵向的、横向的等各种裂缝,特别是细长薄壁结构更容易出现。

2混凝土裂缝的防治

2.1施工预防措施

在25~30℃的高温环境下进行混凝土浇注施工时,必须充分重视高气温、高蒸发对混凝土质量的影响。在施工过程中除严格按照国家有关技术标准和公路桥梁施工技术规范外,还应根据现场的实际情况及混凝土拌合物特征条件,采取行之有效的措施。

(1)对混凝土配合比设计,应考虑高温,高蒸发引起拌和物塌落度的损失;适当调整混凝土配合比,增加用水量,加大水灰比,为避免混凝土塌落度下降可添加适量的高效减水剂。

(2)桥梁工程所用水泥,多为普通硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥水化热高,混凝土蒸发收缩凝固较快,使混凝土表面产生裂缝,为缓解混凝土急剧收缩可适当掺入缓凝剂。

(3)酷暑高温,混凝土拌合用水均在30℃以上,为改善混凝土浇注后温度过高,可在水中加冰块降低混凝土拌合用水的温度,或者在夜间施工,避过高温烈日。

(4)砂、碎石等材料在混凝土中所占比例80%左右,因此在高温下必须采取遮阳

2.3施工工艺措施

(1)材料的控制。施工工艺是保证混凝土构件质量的关键,施工操作应严格按照施工技术规范的有关规定进行,对原材料(钢筋、水泥、砂、碎石、水等)应进行严格的抽样检验。对混凝土配合比应进行对比试验,在高温下或雨后施工对砂、碎石应进行含水量实验,及时调整施工配合比,确保混凝土的施工质量。

(2)混凝土拌和浇注。混凝土应严格按配合比计量投料,拌和时间不应小于1~2 min ,使和易性好,不离析,不析水,运输时间短,浇注时分层浇注,分层厚度不应大于30 cm。振捣时应让振捣棒插入前层5~10 cm ,振捣时间为1 min左右,直至排出气泡为止。

(3)混凝土坍落度的控制。混凝土坍落度是混凝土施工检测手段之一,用于评价混凝土拌和物的和易性。在施工过程中适度准确控制坍落度,可提高混凝土的内在强度及混凝土表面光洁度,在施工时往往忽略了高温下的坍落度的损失量,使混凝土和易性差,粘性差,出现了混凝土离析等现象,使混凝土构件表面出现了蜂窝、麻面、露砂等缺陷,减弱了混凝土内在强度。

(4)混凝土运输。混凝土运输是混凝土施工过程中的一道工序,运输工具保证不渗漏,不析水避免日晒雨淋,在运输过程中,混凝土不能离析,运输时间不应大于30 min ,在高温下运输应及时检测混凝土坍落度,以确保由于蒸发而造成的水分损失,并及时调整坍落度。

(5)混凝土养生。养生的目的是减少混凝土内外温差。防止混凝土表面裂缝增强混凝土内在强度,混凝土养生的方法有洒水养生、薄膜养生、蒸汽养生等。在桥梁施工中多采用洒水和薄膜两种养生方法。在混凝土浇注完毕后,应立即对混凝土构件进行覆盖,保持湿润。养生时间不应少于7 d。养生及持续时间使混凝土具有足够的耐久性和强度,并且使混凝土构件变形最小,避免混凝土过分泛白,不使混凝土收缩产生裂缝。

3混凝土裂缝修补

桥梁施工规范规定,混凝土表面裂缝宽度小于0.15 mm,深度小于10 mm时,可不进行处理,此裂缝多见与混凝土表面干缩而引起的微细的无害裂缝,不影响混凝土整体性及抗渗和耐久性,未起到破坏性。但裂缝超出上述规定时,必须进行修补处理。混凝土构件出现裂缝后应认真对待,仔细研究裂缝产生原因,以及对混凝土构件的危害程度,最后作出修补处理的方案。

3.1裂缝治理原则

(1)必须充分了解设计意图和技术要求,严格遵循设计和施工规范的有关规定。

(2)应认真分析裂缝产生的原因和性质,根据不同受力情况和使用要求,分别采用不同的治理方法。

(3)裂缝处理后应能保证结构原有的承载力、整体性、抗渗性。处理时要考虑温度、收缩应力较长时间的影响,以避免处理后再出现新的裂缝。

(4)防止进一步人为地损伤结构和构件,尽量避免大动大补,并尽可能保持原结构的外观。

(5)处理方法应从实际出发,在安全可靠的基础上,要考虑技术上的可能性,力求施工简单易行,以符合经济的原则。

4结语

在桥梁施工过程中,设计、施工、监理等部门应层层把关,严格按设计和施工规范进行操作,避免裂缝的产生,通过科学的处理方法降低裂缝所带来的危害,确保工程的建设质量。在运营管理过程中,进一步加强巡查和管理,及时发现和处理问题,也是相当重要的环节。