2020年巖土工程師答疑:橋梁施工中混凝土裂縫產生的原因?

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問題：

橋梁施工中混凝土裂縫產生的原因?

答疑：

隨著我國橋梁技術的突飛猛進，大體積混凝土在橋梁結構中的應用也越來越廣泛。混凝土是應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、不易風化、養(yǎng)護費用低等優(yōu)點，可以預計隨著我國基礎設施建設規(guī)模的迅猛發(fā)展，其應用領域還會進一步拓寬。在應用混凝土材料進行建筑結構、公路、橋梁及隧道等工程建設中，人們也發(fā)現，混凝土開裂是最常見的一種病害，并且已成為影響工程結構使用壽命的重要影響因素之一。在混凝土橋梁結構上產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，當外部環(huán)境或結構內部溫度發(fā)生變化時.混凝土將發(fā)生變形，一旦變形受阻，則會在結構內產生拉應力.當拉應力超過混凝土抗拉強度時，即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中。溫度應力可以達到甚至超出活載應力。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.此時水泥水化反應劇烈，會出現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)混凝土產生拉應力，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，內部散發(fā)慢，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮。表面收縮變形受到內部混凝土的約束.致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土受到的拉應力超過其抗拉強度時，就會產生收縮裂縫。③沉降引起的裂縫由于基礎產生豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力。當其超過混凝土結構的抗拉強度時，結構開裂。④鋼筋銹蝕引起的裂由于混凝土質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，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生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產生裂縫，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。結構承載力下降，并將誘發(fā)其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導致結構破壞。⑤凍脹引起的裂縫混凝土構件是非勻質密實構件，其內部存在各種空隙，當處于吸水飽和狀態(tài)的混凝土溫度低于0℃時，內部水分凍結，體積膨脹9%，使混凝土因膨脹而產生拉應力導致裂縫出現。冬季施工時，對預應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(yǎng)護不足使混凝土早期受凍等，均可能導致混凝土凍脹裂縫。

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，在適當的時候將水灑在碎石上，達到冷卻碎石的目的，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。適當條件下，可在混凝土內部敷設降溫水管，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，采取預壓措施，來減低非彈性形變的產生。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覆蓋混凝土結構的表面，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，根據混凝土強度等級和質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。把好質量關，選擇級配良好的石子，控制砂的粒徑及含量，適當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生裂縫。更重要的是在高溫下施工，應經常澆水養(yǎng)護，一來可減少溫度產生的裂縫，二來可降低由于混凝土的收縮而產生的約束應力，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構承載力影響很小。表面修補法，作為裂縫修補的常用技術，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 當裂縫對于橋梁結構有嚴重影響的時候，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，是采用真空壓力設備將漿質料壓入裂縫中，漿質料隨著時間的推移，會達到硬化，硬化后的漿質料與混凝土形成具有穩(wěn)定結構的整體，避免的裂縫的存在，并具備一定的密封性能。漿質材料通常有很多種，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 結構加固法 在很多橋梁工程中，有些裂縫的產生，會嚴重改變混凝土結構性能，對橋梁壽命以及使用性能產生嚴重影響。此時對于橋梁混凝土裂縫，必須采取結構加固法來進行混凝土加固。結構加固法一般包括增加混凝土結構的截面面積、預應力加固、支點加固以及混凝土補強加固。

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