桥梁裂缝原因分析及控制技术

虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但总的来说对于具体的预防和改进措施意见还是比较统一的。因此我们只要在具体的施工实施过程中多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防及处理应对措施,混凝土的裂缝是完全可以控制在允许的范围之内,也不致于对施工造成重大的经济损失。

混凝土桥梁结构裂缝的原因复杂多变,有多种因素的相互影响,但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因,就其产生的原因,大致可划分为以下六大类: 

混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝称为荷载裂缝,可分为直接应力和次应力裂缝两种。

(1)直接应力裂缝是指由外荷载引起的直接应力而产生的裂缝。产生的原因有:①设计阶段。计算模型不合理;结构受力假设与实际情况不吻合;结构安全系数不够;结构刚度不足;构造处理不当:荷载少算或漏算;设计断面不足;内力与配筋计算错误;钢筋设置偏少或布置错误;结构设计没有考虑施工的可能性;设计图纸交代不清等;②施工阶段。不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制构件的结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工;擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模型;不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等;③使用阶段。超出设计载荷的重型车辆过桥;受车辆、船舶的接触和撞击;发生大风、大雪、地震、爆炸等。

(2)次应力裂缝是指由外荷载引起的次应力而产生的裂缝。产生的原因有:①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考虑不周,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂;②桥梁结构中经常需要开槽、凿洞、设置牛腿等,在常规计算中难以用准确的图形进行模拟受力计算,通常都根据经验布置受力钢筋,而大研究表明,受力构件挖孔之后,力流将会产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。例如在大跨径的预应力连续梁中,经常会发生由于跨内截面内力的需要而截断钢束,设置锚头的现象,以致在锚固断面附近产生裂缝诱因,若处理不当,在这些结构的转角处或者构件形状突变处、受力钢筋的截断处容易出现裂缝。在实际工程中,次应力裂缝是产生荷载裂缝的常见原因。

混凝土具有热胀冷缩的特性。当环境或结构内部温度发生变化时,混凝土会发生变形,如变形受到约束,则在结构内会有应力产生,一旦应力超过混凝土的抗拉强度就会产生温度裂缝,在一些大跨径的钢筋混凝士桥梁中,温度应力甚至可以超出活荷载的应力。温度裂缝区别于其它裂缝的最主要特征是它会随着温度的变化而变化。引起温度变化的主要因素有: 

(1)年温差。一年四季温度不断变化,由于变化相对缓慢,对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移产生,该情况一般可通过桥面伸缩缝、支座或者设置柔性墩等构造措施来缓冲,只有当结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝。我国的年温差一般以一月和七月的月平均温度作为变化幅度,考虑到混凝土的蠕变特性,年温差内力计算为混凝土的弹性模量应当考虑一定的折减系数。

(2)目照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后,温度会大大高于其它部位,导致温度梯度呈明显的非线形分布,由于受到自身约束力的作用,导致局部的拉应力较大,出现裂缝。

(3)突然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可以导致桥梁混凝土结构外表面温度突然下降,而内部的温度变化相对较慢而产生温度梯度,由此造成应力变化而出现裂缝。

在大量的桥梁工程施工过程中,混凝土因收缩而引起的裂缝是最普遍的。在混凝土收缩的种类中,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两种情形。

(1)塑性收缩。混凝土浇筑施工后的4 h~5 h左右,此时水泥的水化反应开始剧烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发现象,混凝土发生失水收缩,同时骨料因自重下沉,此时由于混凝土尚未硬化,故称为塑性收缩。塑性收缩产生的量级一般很大,可达1%左右,若骨料在下沉过程中受到钢筋的阻挡,便可形成沿钢筋方向的裂缝。在构件的竖向变截面处如T梁、箱梁的腹板与顶板、底板的交接处,因硬化前沉实的不均匀多会产生表面的顺腹板方向的裂缝。 

(2)缩水收缩(干缩)。混凝土结硬以后,随着表层水分的不断蒸发,湿度逐步降低,导致混凝土的体积减小,称为缩水收缩(干缩)。由于混凝土表层的水分损失快,而内部损失慢,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力,当表面混凝土承受的拉力超过其抗拉强度时,即会产生收缩裂缝。混凝土硬化以后的收缩主要就是缩水收缩。例如配筋率较大的构件(超过3%时),钢筋对混凝土收缩的约束就比较明显,混凝土表面更容易出现龟裂裂纹。混凝士收缩裂缝的特点是大部分属于表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错,成龟裂状,没有任何规律。

由于混凝土的质量较差或保护层的厚度不够,导致空气中的二氧化碳侵蚀到混凝土构件内的钢筋表面,使钢筋周围的混凝土碱度降低,或者由于氯化物的介入,使钢筋周围的氯离子含量增大,引起钢筋表面的氧化膜发生破坏,使钢筋中的铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁的体积比原状体积增加2倍~4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离,同时会沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗透到混凝土表面。由于锈蚀的原因,使得钢筋的有效截面面积缩小,钢筋与混凝土的包裹力削弱,造成结构承载力下降,诱发其它形式的裂缝产生,严重的还会导致结构破坏。

混凝土主要由水泥、砂、石骨料、拌和水和外加剂组成。配置混凝土用的材料如果质量不合格,亦会导致结构产生裂缝。 　　 

在桥梁混凝土的结构浇筑、预制构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装的过程中,如果施工工艺不合理、施工质量低劣,易产生纵向、横向、斜向、竖向、水平、浅表、深进和贯穿等各种形式的裂缝,特别是细长的薄壁结构更易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝的宽度因产生的原因而不同,比较典型的有:

(1)混凝土保护施工超标或浇筑过程中踩踏已绑扎好的上层钢筋,致使承受负弯矩的受力筋保护层加厚,导致构件的有效高度减小,形成受力钢筋垂直方向的裂缝; 

(2)混凝土的振捣不密实、不均匀,出现蜂窝、麻面、空洞,导致钢筋锈蚀或产生其它荷载裂缝的起源点;

(3)混凝土浇筑施工过快,混凝士的流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,而硬化后又沉实过大,容易发生浇筑数小时后产生裂缝(即塑性收缩裂缝)的现象;

(4)混凝土搅拌、运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土坍落度过低,使得混凝土体积上出现不规则的裂缝;

(5)混凝土分层或分段浇筑时,接头位置处理不好,易造成新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝; 

(6)施工前对支架的压实不够或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架发生不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝; 

(7)施工时模板的刚度不足,在浇筑混凝士时,由于侧向压力的作用使得模板发生变形,从而产生与模板变形一致的裂缝; 

(8)装配式结构的施工,在构件运输、堆放时,支承垫木不在一条垂直线上,或悬臂过长,或运输过程中剧烈颠跛和碰撞,吊装时吊点位置不当, T梁等侧向刚度较小的构件,侧向无可靠的加固措施等,均可能产生裂缝。

综上所述,桥梁混凝土产生裂缝的主要原因可以归纳为以下三个大的方向:温度、收缩及抗拉,在施工过程中可以通过以下措施控制混凝土裂缝的产生。

(1)选择合适的水泥和严格控制好水泥用量。优先采用525R, 425R普通水泥等高标号水泥,减少水泥用量;选用低热水泥,减少水化热,并尽量选用后期强度大的水泥,并延缓峰值。在满足设计和混凝十可泵性的前提下,将425R水泥用量控制在450 kg/m3, 525R水泥用量控制在360 kg/m3以内,降低混凝士自身产生的拉应力。

(2)严格控制骨料级配和含泥量。选用10mm~40mm的连续级配碎石(其中10 mm~30 mm的级配含量控制在65%左右),细度模数为2·80~3·00的中砂(通过0·315凹筛孔的砂不少于15%,砂率控制在40% ~45% ),砂、石的含泥量控制在1%以内,不得混和有机质等杂物,杜绝使用海砂。

(3)选择适当的外加剂和合适的配合比。为保证混凝土工程质量,防止开裂,提高混凝土的耐久性,可以根据设计要求,在混凝土中掺加一定用量的外加剂,如防水剂、膨胀剂、减水剂、缓凝剂等。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行试验对比和研究,选择好合适的外加剂比单纯依靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。

(4)增加适当的预埋件。在混凝土易开裂部位埋设应力应变传感片,直接测试拉应力,以便更直接的控制混凝土,保证混凝土不产生裂缝;在基础面筋上可加设铁丝网或小直径的钢筋网,用于提高混凝土的表面抗裂性。

(5)改进施工技术,加强技术管理。例如在施工时加强插筋位置的振捣、抹压、养护,同时加强初凝前的抹压,可以消除初期裂缝,并可提高混凝土的抗拉强度;在施工前应加强原材料的检验、试验工作,施工中严格按照方案及交底的要求指导施工,明确分工,责任到人,加强计量监测工作,定时检查并做好详细记录,认真对待浇筑过程中可能出现的冷缝,并采取措施加以杜绝,在实施的过程中,必须严格根据施工方案落实到位。 

为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度应力的措施有以下几种:

(1)拌合混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;

(2)夏天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热; 

(3)在混凝士中埋设水管,通入冷水进行内部降温;

(4)严格控制混凝土的入模温度。桥梁的大体积混凝土浇筑最宜选在春秋节施工,如果必须在夏季施工应采取有效措施降低入模温度,同时浇筑混凝土时最好不要让混凝土在太阳下直接爆晒;

(5)控制好拆模时间,气温骤降时进行表面保温,避免混凝土表面产生急剧的温度梯度。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑的混凝土如早期拆模,在表面会引起很大的拉应力,出现“温度冲击”现象,与水化热应力迭加后再加上混凝土的干缩,表面的拉应力会达到很大的数值,有导致裂缝产生的危险。如果需要早期拆模,则在拆除模板后应及时在表面覆盖一层轻型保温材料,这些对于防止混凝土表面产生过大的拉应力有着显著的效果。

大量实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成的,寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝,因此混凝士的保温对防止表面早期裂缝尤为重要。从温度应力观点出发,保温应达到下述要求: 

(1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面产生梯度;

(2)防止混凝土超冷,应尽量设法使混凝土施工期间的最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度; 

(3)防止老混凝土面的过冷,以减少新老混凝土间的约束。

从保温的角度,就牵涉到混凝土的早期养护问题。混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温度、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩,另一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿度条件是相互关联的,混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求并且有余,但由于蒸发等原因常常会引起水分损失,从而推迟或妨碍水泥的水化,其中表面混凝土是最容易而且最直接的遭受到这种不利影响,因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,对于混凝土的早期养护在施工中应切实引起重视。

在工程实体质量形成中,特殊过程有可能只是众多环节中的一个或者容易疏漏的一个,但它对工程实体质量的影响是重要的。可见,重视特殊过程的质量控制是积极的质量控制。在实践中,过程的系统控制方法是特殊过程质量控制有效的、经济的、可操作的方法;将复杂技术层面上的或难以或无法实施的、或不经济的过程结果的符合性验证,调整为过程影响环节和影响因素的质量控制,有利于监理工程师主动实施特殊过程质量控制。一般情况下,主动实施质量控制的成本低于被动实施质量控制的成本。由此,过程的系统控制方法比较经济,是参建各方都能接受的方法,有利于参建各方共同促进特殊过程的质量控制。

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知识点：桥梁裂缝