裂縫產(chǎn)生的原因

摘要：混凝土橋梁在施工過程中容易產(chǎn)生裂縫。混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因十分復(fù)雜，影響因素有荷載、溫度應(yīng)力、混凝土自身收縮等，有多種影響相互作用，系統(tǒng)分析了混凝土橋梁產(chǎn)生的原因。

關(guān)鍵詞：混凝土；裂縫；收縮；溫度

在橋梁建設(shè)和使用過程中，有關(guān)混凝土出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量的問題較為突出。混凝土橋梁開裂有許多中常見的病因因素，對(duì)高速公路的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生安全隱患。

混凝土橋梁在施工過程中容易產(chǎn)生裂縫。其影響因素有：荷載，溫度應(yīng)力，混凝土自身的收縮等。

根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，混凝土橋梁裂縫的種類大致可劃分以下幾種。

1 荷載裂縫

混凝土橋梁在常見規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫，主要是有直接應(yīng)力裂縫和次應(yīng)力裂縫兩種，而第二種是最常見的。

事實(shí)上，要避免結(jié)構(gòu)突變（或斷面突變），當(dāng)不能回避時(shí)，表面應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角做成圓角，突變做成漸變過渡，同時(shí)加強(qiáng)配筋，轉(zhuǎn)角增配斜向鋼筋，對(duì)于較大孔洞要在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼。荷載裂縫依荷載不同而呈現(xiàn)不同的特征。在受剪區(qū)、受拉區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位多出現(xiàn)大量裂縫。如受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或沿受壓方向的短裂縫，往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力的標(biāo)志，結(jié)構(gòu)破壞前兆，其原因是截面尺寸偏小。

2 收縮裂縫

收縮包括兩方面：凝縮和干縮；凝縮是指混凝土凝固時(shí)，水分和水泥顆粒結(jié)合，體積變少。干縮是指水分蒸發(fā)使得體積變小。混凝土的干燥過程中是由表面逐步擴(kuò)展到內(nèi)部的，在混凝土內(nèi)呈現(xiàn)含水梯度。這種含水梯度產(chǎn)生了不均勻收縮，造成表面混凝土承受拉力，而內(nèi)部混凝土卻承受壓力。當(dāng)表層混凝土所產(chǎn)生的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土收縮包括四種類型中，自生收縮與炭化收縮，塑性收縮和縮水收縮（干縮），而后兩種會(huì)發(fā)生混凝土體積變形。

（1）塑性收縮

施工過程中會(huì)產(chǎn)生塑性收縮，混凝土澆筑后4~5h左右，水泥發(fā)生激烈水化反應(yīng)，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)沁水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時(shí)骨科因自重下沉，因此混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮產(chǎn)生的量級(jí)非常大，可至1%左右。在骨科下沉過程中，如果受到鋼筋阻擋，就會(huì)形成沿鋼筋方向的裂縫。為了減少混凝土塑性收縮，施工時(shí)控制水灰比，避免長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，下料速度不宜過快，振搗要密實(shí)，豎向變成截面的地方宜分層進(jìn)行澆筑。

（2）收水收縮（干縮）

當(dāng)混凝土結(jié)硬之后，表層水分會(huì)逐步蒸發(fā)，濕度也會(huì)逐步降低，混凝土體積也隨之減小，稱為收水收縮（干縮）。混凝土的表層水分損失速度快，而內(nèi)部損失慢，這樣就產(chǎn)生了表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，內(nèi)部混凝土約束了表面的收縮變形，使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土所承受的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生了收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要是縮水收縮。比如配筋率較大的構(gòu)件（會(huì)超過3%），鋼筋對(duì)混凝土收縮約束會(huì)比較明顯，這樣混凝土表面就容易出現(xiàn)龜裂裂紋。

（3）自身收縮

自身收縮是混凝土在硬化過程中，水泥和水發(fā)生了水化反應(yīng)，這種收縮是與外界的濕度沒有關(guān)系的。

（4）炭化收縮

混凝土收縮裂縫具有幾下的特點(diǎn)：裂縫在表面，且寬度較細(xì)，縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒有規(guī)律。影響混凝土收縮裂縫的主要因素如下。

（1）水泥品種、強(qiáng)度等級(jí)及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高。水泥強(qiáng)度等級(jí)越低，單位體積用量大、磨細(xì)度大，混凝土收縮越大，會(huì)發(fā)生收縮時(shí)間越長(zhǎng)。

（2）骨科品種。骨科中石英、石灰?guī)r、花崗巖等吸水率較小、收縮性較低；砂巖、板巖、角閃巖等情況與之相反；骨科粒徑大，收縮小，含水量越大，收縮越大。

（3）水灰比。用水量和水灰比越大，混凝土收縮就越大。

（4）外參劑。外參劑保水性越好，混凝土收縮越小。

（5）養(yǎng)護(hù)。混凝土養(yǎng)護(hù)的水化反應(yīng)，混凝土強(qiáng)度較高，濕度越高，加上氣溫越低，時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土收縮就越小。

（6）振搗方式及時(shí)間。機(jī)械振搗方式比手工振搗方式混凝土收縮率要小。振搗時(shí)間太短、不密實(shí)、則形成混凝土強(qiáng)度不均勻、不密實(shí)；振搗時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)造成分層，粗骨科料沉入底層，細(xì)骨的則留在上層，強(qiáng)度分布不均勻，上層就產(chǎn)生了收縮裂縫。

3 鋼筋銹蝕裂縫

質(zhì)量差得混凝土以及厚度不足的保護(hù)層都會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的牢固性，二氧化碳會(huì)侵蝕保護(hù)層，炭化現(xiàn)象蔓延到鋼筋表面，發(fā)生銹蝕，在此情況下，保護(hù)層混凝土?xí)a(chǎn)生開裂或剝落現(xiàn)象，并沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，而且銹跡會(huì)滲到混凝土的表面，銹蝕混凝土，是他的結(jié)構(gòu)承載力下降，更有甚者，誘發(fā)其他形式的裂縫，從而導(dǎo)致鋼筋的銹蝕加劇，破壞了結(jié)構(gòu)。

為了預(yù)防避免鋼筋銹蝕，必須依照規(guī)范要求嚴(yán)格控制裂縫寬度，同時(shí)采用足夠的保護(hù)層厚度，施工時(shí)應(yīng)控制混凝土的水灰化，加強(qiáng)振搗，以確保混凝土的密實(shí)性，并要防止氧氣侵入，嚴(yán)格地控制含氯鹽的外加劑用量。

4 溫度裂縫

溫度裂縫指混凝土受水泥水化放熱、陽光照射等因素的影響，出現(xiàn)了冷熱變化，此時(shí)就會(huì)發(fā)生收縮和膨脹，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生裂縫。由于水化熱的作用，混凝土內(nèi)部與外表面產(chǎn)生了相當(dāng)大的溫差，此時(shí)內(nèi)部混凝土受到了壓應(yīng)力，而表面混凝土則受到了拉應(yīng)力。由于混凝土抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，表面拉應(yīng)力可能先達(dá)到并超過混凝土抗拉強(qiáng)度，從而形成了間距基本相同的直線裂縫（又叫做溫差裂縫）。在一些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出荷載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其他裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。引起溫度變化的主要因素如下。

（1）年溫差。一年當(dāng)中四季溫度變化相對(duì)緩慢，主要是影響橋梁結(jié)構(gòu)的縱向位移，通常情況下可以通過橋面伸、支座位移或者設(shè)置柔性墩等相應(yīng)的構(gòu)造和措施進(jìn)行協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會(huì)引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。考慮到混凝土的蠕變特性，年溫差內(nèi)力計(jì)算時(shí)混凝土彈性模量應(yīng)考慮折減。

(2)日照。橋面板、主梁或橋墩側(cè)面經(jīng)過太陽的曝曬后，溫度明顯高于其他部位，溫度梯度呈現(xiàn)非線性分布。在自身的約束作用之下，局部拉應(yīng)力較大，從而出現(xiàn)了裂縫。

(3)驟然降溫。突降大雨、遇到冷空氣侵襲或者日落等情況，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但內(nèi)部的溫度變化相對(duì)較慢，這樣就產(chǎn)生了溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計(jì)算時(shí)可采用設(shè)計(jì)規(guī)范或參考實(shí)橋資料進(jìn)行，混凝土彈性模量不考慮折減。日照和驟然降溫時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的最常見原因。

(4)水熱化。施工過程中，大體積混凝土（厚度超過2m）澆筑之后由于水泥水化放熱，導(dǎo)致內(nèi)部溫度非常高，因而內(nèi)外溫差太大，表面出現(xiàn)了裂縫。施工中要注意根據(jù)實(shí)際情況，盡可能地選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，降低骨料入模溫度，減小內(nèi)外溫差，并緩慢降溫，必要的時(shí)候可利用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部散熱，或采取薄層連續(xù)澆筑的方法以加快散熱。

（5）蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工時(shí)施工措施不當(dāng)，造成混凝土內(nèi)外溫度不均，忽冷忽冷，此種情況也容易出現(xiàn)裂縫。

（6）預(yù)制T梁之間橫隔板安裝時(shí)，制作預(yù)埋鋼板與調(diào)平鋼板焊接時(shí)，焊接措施不當(dāng)，混凝土容易燒傷開裂。試驗(yàn)表明，由火災(zāi)等原因引起高溫?zé)齻幕炷粒鋸?qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的黏結(jié)力隨之下降。由于受熱，混凝土體內(nèi)游離水大量蒸發(fā)也會(huì)產(chǎn)生急劇收縮。