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浅议30m箱梁裂缝原因及防治措施
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内容提示：桥梁裂缝可以说是建筑施工中的"常发病"和"多发病",经常困扰着桥梁工程技术人员。笔者根据自己的工作经验,针对桥梁破损的现象,从混凝土裂缝的产生的原因方面进行了论述,提出了防治和保证桥梁质量的具体措施,通过这些措施来改善混凝土的使用性能,从而延长桥梁的使用寿命。
改革开放以来,我国基础设施建设得到了飞速发展,建造了大量各类钢筋混凝土建筑物和构筑物。在这些钢筋混凝土结构中,结构的裂缝问题,是一个相当普遍的质量问题,严重的已影响到工程的使用和安全,是一个需要探讨和解决的技术难题。近年来,尽管裂缝问题引起了业界重视,但仍未得到很好解决。（参考《建筑中文网》）
1 裂缝产生的原因分析
1.1 材料选择不当形成裂缝
混凝土主要是由水泥、砂、骨料、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。主要表现在以下几点:水泥安定性不合格、强度不足、水泥受潮或过期,导致混凝土强度不足,从而引起混凝土开裂;砂石粒径太小、级配不良、空隙率大,将导致水泥和用水量加大,影响混凝土的强度,使混凝土收缩加大;拌合水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。
1.2 钢筋锈蚀引起的裂缝
由于混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2~4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,沿钢筋纵向产生裂缝。
1.3 温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩的性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,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。温度裂缝的特征主要是表面裂缝的走向一般无规律性,深层或贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行;裂缝宽度大小不一,受温度变化的影响热细冷宽。表面温度裂缝常出现在现浇混凝土1~2d之间,深层温度裂缝与贯穿温度裂缝常开始出现在现浇混凝土21d后。引起温度变化主要原因有:(1)表面温度裂缝多由于温差较大引起的。如大体积混凝土(厚度超过2m)浇筑之后由于水泥水化放热,致使内部温度很高,内外温差太大,导致表面出现裂缝。在冬季施工中,过早除掉保温层,或受寒潮袭击,都导致混凝土因早期强度低而产生裂缝。此外当预制构件采用蒸汽养护时,由于降温过快或构件急于出池,急带揭盖,均使混凝土表面收缩,产生裂缝。(2)深层贯穿裂缝多由于结构降温差值大,受外界的约束而引起的。如现浇桥台混凝土或大体积刚性扩大基础,浇筑在坚硬的地基上,未采取隔离等放松约束措施或收缩缝间距过大。在混凝土浇筑时,温度很高,加上水泥水化热的温度升高很大,使温度更高。当混凝土冷却收缩大拉应力,进而产生降温收缩裂缝;这类裂缝有时成贯穿状。
1.4 艺质量导致的裂缝
在桥梁建设中,有相当一部分的钢筋混凝土桥梁的裂缝是由于施工方面的原因造成的,在混凝土结构构件制作、运输、安装过程中,施工工艺不合理、施工质量较低,容易产生各种形式的裂缝。具体有以下几点。
(1)混凝土的拌制:搅拌设备为500型强制式搅拌机,拌和时间为每盘料大约3min,拌和时间适中,坍落度为9~13cm,拌和过程中有不均匀现象。存在水灰比过大的问题,水灰比过大,混凝土干缩量增大,易产生干缩裂缝。
(2)混凝土浇注:浇注过程中采用插入式振捣器为主,附着式震动器为辅(主要在梁端10m处使用)。浇注过程出现过震现象,致使混凝土表面粗细骨料离析,靠近模板表面的混凝土细骨料集中。
(3)混凝土养生:在夏天由于白天气温大多超过30℃,最高气温达到35℃,梁体侧面不易吸附水分,气温过高加快了梁体水分的蒸发,致使表面产生干缩裂缝。由以上分析可知:水平构造钢筋、施工原材料、混凝土自身应力、模板及制梁台座及施工工艺的缺陷都是混凝土收缩裂缝的形成原因。各种不利因素的叠加致使梁体产生收缩裂缝。
2 对混凝土裂缝的处理建议
2.1 表面处理法
采用表面处理法进行修补,在混凝土表面沿裂缝涂抹树脂保护膜。施工时先用钢丝刷除去混凝土表面的附着物,再用清水清洗,干燥后,用油灰状树脂填充混凝土表面的凹瘪部分后,再进行必要的涂抹。表面处理法包括表面涂抹和表面贴补法,表面涂抹适用范围是浆材难以灌入的细而浅的裂缝,深度未达到钢筋表面的发丝裂缝,不漏水的裂缝,不伸缩的裂缝以及不在活动的裂缝。表面贴补法适用于大面积漏水的防渗堵漏。
2.2 填充法
用修补材料直接填充裂缝,一般用来修补较宽的裂缝(0.3mm),作业简单,费用低。宽度小于0·3mm,深度较浅的裂缝以及小规模裂缝的简易处理可采用取开V型槽,然后作填充处理。对于桥面板中间带上下贯通的裂缝,其上部采用注入施工法进行处理。沿裂缝7~8cm宽度的范围内,用砂轮机和钢丝刷去混凝土表面的游离石灰和灰尘等,并用洗净剂清洗,然后加压注入具有渗透性和粘着性的环氧树脂,以此来填充混凝土裂缝,提高桥面板的防水性,防止钢筋锈蚀及混凝土老化。
2.3 结构补强法
因超荷载产生的裂缝、裂缝长时间不处理导致的混凝土耐久性降低、火灾造成裂缝等影响结构强度可采取结构补强法、锚固补强法、预应力法等。此外,还可以采用灌浆法等。同时,要加强混凝土裂缝处理效果的检查,包括修补材料试验;钻芯取样试验;压水试验;压气试验等。
3 裂缝的预防
3.1 原材料方面
混凝土在硬化过程中,水泥水化放热,从而使混凝土的温度收缩应力增大。所以,应在不影响强度和施工进度的情况下尽量采用低水化热水泥。水泥用量方面在不影响混凝土强度的前提下可减少15%的水泥用量,同时增加粗骨料,以补充减少水泥的体积。根据各个混凝土强度级别不同,规范对砂、碎石、施工用水的含泥量、碎石中的灰粉量的要求都有所不同。总之,所有材料都应严格控制在规范要求以内。
3.2 混凝土施工过程控制
(1)混凝土的拌制:每盘混凝土的拌和时间应控制在2~3min左右,搅拌时间不宜过长也不能过短,过短搅拌不均匀,过长会破坏材料结构;混凝土浇注过程中多做几次坍落度实验,严格控制施工水灰比。
(2)混凝土浇注:浇注过程中采用插入式振捣器为主,附着式震动器为辅(主要在梁端10m处使用)。附着式震动器应采用间歇式震动,每次开启的时间大约为30s左右,以避免浇注过程出现过震现象,以使混凝土产生离析。插入式振捣器的振捣间距应不大于插入式振捣器的振捣半径1.5倍,以避免浇注过程出现漏震现象。
(3)混凝土养生:当施工气温大超过30℃,梁体水分的蒸发非常快,且梁体侧面不易吸附水分,如果梁体表面的水分被蒸发,梁体表面的混凝土要进行水泥的水化和硬化反应,就会吸取梁体内部的水分,从而加快混凝土的干缩。要使梁体有足够的水分进行水泥的水化和硬化反应,就必须即时对预应力构件进行洒水养生。规范要求洒水养生的间隔时间最小为2h,必要时可减为1.5h一次。
夏季施工时,若混凝土在浇注完毕,拆模以前气温超过30℃时,在浇注完毕12h后可在模板外层进行洒水降温。以避免由于内部温度过高,体积膨胀过大,在冷却后体积收缩过大而产生收缩裂缝。养生时间要保持到施加预应力之后。
3.3 模板设计及台座制作
侧模:根据梁体结构形式进行设计,在满足几何尺寸的前提下,尽量减少直角连接,减少应力集中点;模板表面打磨光滑,减小摩阻力。
制梁台座:制梁台座表面尽量光滑,摩阻力小。制梁台座表面可铺设表面光滑的材料,如水磨石、钢板、胶合板等。
4 结语
在工程实践中,混凝土桥梁产生裂缝很常见,对易出现裂缝的部位,通过施工过程的严格控制,尽可能地避免开裂或减少裂缝的数量,减少裂缝的长度和宽度,通过对裂缝的妥善处理,使裂缝不至于对结构产生危害,保证结构的正常使用。总之,只要采取适当的预防措施,很多裂缝是可以克服和控制的。希望通过本文的论述,能够帮助桥梁工程技术人员进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识,制定相应的质量预防措施,尽量避免工程中出现危害较大的裂缝。
参考文献:
[1] 富文权,韩素芳.混凝土工程裂缝预防与控制[M].中国铁道出版社,2007.
1 裂缝产生的原因分析
1.1 材料选择不当形成裂缝
混凝土主要是由水泥、砂、骨料、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。主要表现在以下几点:水泥安定性不合格、强度不足、水泥受潮或过期,导致混凝土强度不足,从而引起混凝土开裂;砂石粒径太小、级配不良、空隙率大,将导致水泥和用水量加大,影响混凝土的强度,使混凝土收缩加大;拌合水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。
1.2 钢筋锈蚀引起的裂缝
由于混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2~4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,沿钢筋纵向产生裂缝。
1.3 温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩的性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,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。温度裂缝的特征主要是表面裂缝的走向一般无规律性,深层或贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行;裂缝宽度大小不一,受温度变化的影响热细冷宽。表面温度裂缝常出现在现浇混凝土1~2d之间,深层温度裂缝与贯穿温度裂缝常开始出现在现浇混凝土21d后。引起温度变化主要原因有:(1)表面温度裂缝多由于温差较大引起的。如大体积混凝土(厚度超过2m)浇筑之后由于水泥水化放热,致使内部温度很高,内外温差太大,导致表面出现裂缝。在冬季施工中,过早除掉保温层,或受寒潮袭击,都导致混凝土因早期强度低而产生裂缝。此外当预制构件采用蒸汽养护时,由于降温过快或构件急于出池,急带揭盖,均使混凝土表面收缩,产生裂缝。(2)深层贯穿裂缝多由于结构降温差值大,受外界的约束而引起的。如现浇桥台混凝土或大体积刚性扩大基础,浇筑在坚硬的地基上,未采取隔离等放松约束措施或收缩缝间距过大。在混凝土浇筑时,温度很高,加上水泥水化热的温度升高很大,使温度更高。当混凝土冷却收缩大拉应力,进而产生降温收缩裂缝;这类裂缝有时成贯穿状。
1.4 艺质量导致的裂缝
在桥梁建设中,有相当一部分的钢筋混凝土桥梁的裂缝是由于施工方面的原因造成的,在混凝土结构构件制作、运输、安装过程中,施工工艺不合理、施工质量较低,容易产生各种形式的裂缝。具体有以下几点。
(1)混凝土的拌制:搅拌设备为500型强制式搅拌机,拌和时间为每盘料大约3min,拌和时间适中,坍落度为9~13cm,拌和过程中有不均匀现象。存在水灰比过大的问题,水灰比过大,混凝土干缩量增大,易产生干缩裂缝。
(2)混凝土浇注:浇注过程中采用插入式振捣器为主,附着式震动器为辅(主要在梁端10m处使用)。浇注过程出现过震现象,致使混凝土表面粗细骨料离析,靠近模板表面的混凝土细骨料集中。
(3)混凝土养生:在夏天由于白天气温大多超过30℃,最高气温达到35℃,梁体侧面不易吸附水分,气温过高加快了梁体水分的蒸发,致使表面产生干缩裂缝。由以上分析可知:水平构造钢筋、施工原材料、混凝土自身应力、模板及制梁台座及施工工艺的缺陷都是混凝土收缩裂缝的形成原因。各种不利因素的叠加致使梁体产生收缩裂缝。
2 对混凝土裂缝的处理建议
2.1 表面处理法
采用表面处理法进行修补,在混凝土表面沿裂缝涂抹树脂保护膜。施工时先用钢丝刷除去混凝土表面的附着物,再用清水清洗,干燥后,用油灰状树脂填充混凝土表面的凹瘪部分后,再进行必要的涂抹。表面处理法包括表面涂抹和表面贴补法,表面涂抹适用范围是浆材难以灌入的细而浅的裂缝,深度未达到钢筋表面的发丝裂缝,不漏水的裂缝,不伸缩的裂缝以及不在活动的裂缝。表面贴补法适用于大面积漏水的防渗堵漏。
2.2 填充法
用修补材料直接填充裂缝,一般用来修补较宽的裂缝(0.3mm),作业简单,费用低。宽度小于0·3mm,深度较浅的裂缝以及小规模裂缝的简易处理可采用取开V型槽,然后作填充处理。对于桥面板中间带上下贯通的裂缝,其上部采用注入施工法进行处理。沿裂缝7~8cm宽度的范围内,用砂轮机和钢丝刷去混凝土表面的游离石灰和灰尘等,并用洗净剂清洗,然后加压注入具有渗透性和粘着性的环氧树脂,以此来填充混凝土裂缝,提高桥面板的防水性,防止钢筋锈蚀及混凝土老化。
2.3 结构补强法
因超荷载产生的裂缝、裂缝长时间不处理导致的混凝土耐久性降低、火灾造成裂缝等影响结构强度可采取结构补强法、锚固补强法、预应力法等。此外,还可以采用灌浆法等。同时,要加强混凝土裂缝处理效果的检查,包括修补材料试验;钻芯取样试验;压水试验;压气试验等。
3 裂缝的预防
3.1 原材料方面
混凝土在硬化过程中,水泥水化放热,从而使混凝土的温度收缩应力增大。所以,应在不影响强度和施工进度的情况下尽量采用低水化热水泥。水泥用量方面在不影响混凝土强度的前提下可减少15%的水泥用量,同时增加粗骨料,以补充减少水泥的体积。根据各个混凝土强度级别不同,规范对砂、碎石、施工用水的含泥量、碎石中的灰粉量的要求都有所不同。总之,所有材料都应严格控制在规范要求以内。
3.2 混凝土施工过程控制
(1)混凝土的拌制:每盘混凝土的拌和时间应控制在2~3min左右,搅拌时间不宜过长也不能过短,过短搅拌不均匀,过长会破坏材料结构;混凝土浇注过程中多做几次坍落度实验,严格控制施工水灰比。
(2)混凝土浇注:浇注过程中采用插入式振捣器为主,附着式震动器为辅(主要在梁端10m处使用)。附着式震动器应采用间歇式震动,每次开启的时间大约为30s左右,以避免浇注过程出现过震现象,以使混凝土产生离析。插入式振捣器的振捣间距应不大于插入式振捣器的振捣半径1.5倍,以避免浇注过程出现漏震现象。
(3)混凝土养生:当施工气温大超过30℃,梁体水分的蒸发非常快,且梁体侧面不易吸附水分,如果梁体表面的水分被蒸发,梁体表面的混凝土要进行水泥的水化和硬化反应,就会吸取梁体内部的水分,从而加快混凝土的干缩。要使梁体有足够的水分进行水泥的水化和硬化反应,就必须即时对预应力构件进行洒水养生。规范要求洒水养生的间隔时间最小为2h,必要时可减为1.5h一次。
夏季施工时,若混凝土在浇注完毕,拆模以前气温超过30℃时,在浇注完毕12h后可在模板外层进行洒水降温。以避免由于内部温度过高,体积膨胀过大,在冷却后体积收缩过大而产生收缩裂缝。养生时间要保持到施加预应力之后。
3.3 模板设计及台座制作
侧模:根据梁体结构形式进行设计,在满足几何尺寸的前提下,尽量减少直角连接,减少应力集中点;模板表面打磨光滑,减小摩阻力。
制梁台座:制梁台座表面尽量光滑,摩阻力小。制梁台座表面可铺设表面光滑的材料,如水磨石、钢板、胶合板等。
4 结语
在工程实践中,混凝土桥梁产生裂缝很常见,对易出现裂缝的部位,通过施工过程的严格控制,尽可能地避免开裂或减少裂缝的数量,减少裂缝的长度和宽度,通过对裂缝的妥善处理,使裂缝不至于对结构产生危害,保证结构的正常使用。总之,只要采取适当的预防措施,很多裂缝是可以克服和控制的。希望通过本文的论述,能够帮助桥梁工程技术人员进一步加强对混凝土桥梁裂缝的认识,制定相应的质量预防措施,尽量避免工程中出现危害较大的裂缝。
参考文献:
[1] 富文权,韩素芳.混凝土工程裂缝预防与控制[M].中国铁道出版社,2007.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201104/14843.htm
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