常見(jiàn)混凝土橋梁裂縫成因分析及預(yù)防措施

朱永武

【摘要】混凝土開(kāi)裂是橋梁工程中常見(jiàn)的問(wèn)題，程度嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)危害到橋梁的質(zhì)量和安全。文章通過(guò)分析總結(jié)混凝土橋梁裂縫的種類(lèi)和成因，同時(shí)列舉出一些在設(shè)計(jì)階段和施工階段可以采取的預(yù)防措施，以克服和控制混凝土橋梁裂縫的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】混凝土；橋梁；裂縫

前言：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各地建造了大量的混凝土橋梁。在橋梁的建設(shè)和使用過(guò)程中，出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致橋梁發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題甚至于垮塌也時(shí)有報(bào)導(dǎo)。通過(guò)查閱相關(guān)資料并結(jié)合個(gè)人以往橋梁施工經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)混凝土橋梁裂縫的種類(lèi)及成因盡可能作較全面的分析總結(jié)，同時(shí)列出一些相應(yīng)的預(yù)防措施。

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，而且多種因素相互影響，混凝土橋梁裂縫的種類(lèi)，就其產(chǎn)生的原因，大致可分如下幾種：

1 荷載引起的裂縫

橋梁結(jié)構(gòu)在常規(guī)動(dòng)、靜荷載及次生應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱(chēng)荷載裂縫，通常分為直接應(yīng)力裂縫、次生應(yīng)力裂縫兩種。直接應(yīng)力裂縫是指由外加荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫；次生應(yīng)力裂縫是指由外加荷載引起的次生應(yīng)力裂縫。

荷載裂縫多出現(xiàn)在受剪區(qū)、受拉區(qū)或震動(dòng)嚴(yán)重部位。如果受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或者有沿受壓方向的短裂縫，往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限的標(biāo)志，是結(jié)構(gòu)破壞的前兆，其原因通常是截面尺寸偏小。荷載裂縫特征依荷載形式呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

采取的相應(yīng)預(yù)防措施，設(shè)計(jì)階段：結(jié)構(gòu)受力要與實(shí)際受力相符；結(jié)構(gòu)計(jì)算要合理準(zhǔn)確；荷載驗(yàn)算和配筋計(jì)算準(zhǔn)確；安全系數(shù)設(shè)置充足等。施工階段：充分了解結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，規(guī)范進(jìn)行起吊、運(yùn)輸、安裝作業(yè)；合理堆放施工機(jī)具、材料；不得擅自改變結(jié)構(gòu)受力模式及施工順序；必要時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)下的疲勞驗(yàn)算等。

2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或者結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，如變形遭到約束，會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫區(qū)別于其它裂縫最主要特征是隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。引起溫度變化主要因素包括年溫差、日照、驟然降溫、水化熱、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、焊接不當(dāng)、火災(zāi)等。

可以采取的相應(yīng)預(yù)防措施：通過(guò)橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施協(xié)調(diào)變形；溫度差內(nèi)力計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮混凝土彈性模量的折減；在氣溫較低的時(shí)間進(jìn)行合攏段的施工；冬季施工時(shí)，采取合適的養(yǎng)護(hù)方式，避免混凝土出現(xiàn)驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均；規(guī)范進(jìn)行金屬焊接操作，避免燒傷附近混凝土等。

對(duì)于大體積混凝土（厚度超過(guò)2米）的澆筑，由于水泥發(fā)生水化反應(yīng)釋放出大量熱量，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，造成混凝土出現(xiàn)裂縫。在施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡量選擇水化熱較低的水泥品種，適當(dāng)摻加粉煤灰，減少水泥用量，降低骨料入模溫度；采用分層或分段方式進(jìn)行澆筑；進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，避免混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大；必要時(shí)埋設(shè)冷卻水管，通過(guò)低溫水循環(huán)降溫。

3 收縮引起的裂縫

在工程實(shí)踐中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見(jiàn)的。在混凝土收縮種類(lèi)中，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因。混凝土收縮裂縫特點(diǎn)是大部分屬于表面裂縫，裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒(méi)有規(guī)律。

影響混凝土收縮裂縫的主要因素有：①水泥品種、標(biāo)號(hào)和用量。水泥標(biāo)號(hào)越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大。②骨料品種。吸水性越小的骨料，收縮性越小。③水灰比。水灰比越小，用水量越小，混凝土收縮越小。④外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。⑤養(yǎng)護(hù)方式。養(yǎng)護(hù)時(shí)保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，則混凝土收縮越小。⑥外界環(huán)境。混凝土水分蒸發(fā)快，則混凝土收縮越快。⑦振搗方式和時(shí)間。機(jī)械振搗方式比人工振搗方式混凝土收縮要小。

控制以上主要影響因素，可有效減少混凝土收縮裂縫。施工時(shí)應(yīng)選擇合適原材料，控制水灰比，避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，下料時(shí)不宜太快，振搗要密實(shí)，豎向變截面處宜分層澆筑，采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)方式。還可以通過(guò)增配構(gòu)造鋼筋，明顯提高混凝土的抗裂性。

4 地基礎(chǔ)變形引起的裂縫

由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。基礎(chǔ)不均勻沉降的包括有地質(zhì)勘查精度不夠、地基地質(zhì)差異太大、結(jié)構(gòu)荷載差異太大、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類(lèi)型差別大、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)、分期建造的基礎(chǔ)、橋梁基礎(chǔ)置于不良地質(zhì)等各種情況。

采取的預(yù)防措施主要是充分掌握地質(zhì)情況，針對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，施工工時(shí)盡量避免破壞原有地質(zhì)條件等。

5 凍脹引起的裂縫

當(dāng)大氣氣溫低于零度時(shí)，吸水飽和的混凝土若出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積大約膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。同時(shí)混凝土凝膠孔中的冷水在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布造成滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強(qiáng)度降低，出現(xiàn)裂縫。尤其是混凝土初凝時(shí)受凍最嚴(yán)重，成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%～50%.

冬季施工時(shí)預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后如果不采取保溫措施也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。

溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當(dāng)混凝土中骨料空隙多、吸水性強(qiáng)，骨料中含泥土等雜質(zhì)過(guò)多，混凝土水灰比偏大，振搗不密實(shí)，養(yǎng)護(hù)不當(dāng)使混凝土早期受凍等均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。凍脹裂縫在北方寒冷地區(qū)較為常見(jiàn)，在南方高海拔地區(qū)也會(huì)出現(xiàn)。冬季施工時(shí)，采用蒸汽加熱法養(yǎng)護(hù)、電氣加熱法、暖棚法、地下儲(chǔ)熱法以及在混凝土拌和水中摻入防凍劑（氯鹽不宜使用），可保證混凝土在低溫或負(fù)溫條件下硬化，有效減少凍脹裂縫出現(xiàn)。

6 施工材料質(zhì)量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成，配制混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

水泥安定性不合格或出廠強(qiáng)度不足，可能使混凝土抗拉強(qiáng)度下降，從而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。砂石粒徑太小、級(jí)配不良、空隙率過(guò)大，將導(dǎo)致水泥及用水量增大，影響混凝土強(qiáng)度，使混凝土收縮加劇。砂石中有機(jī)質(zhì)含量過(guò)多，將延緩水泥的硬化過(guò)程，降低混凝土強(qiáng)度，特別是早期強(qiáng)度。選擇合格的原材料，把好原材料質(zhì)量關(guān)，是預(yù)防此類(lèi)混凝土裂縫發(fā)生的關(guān)鍵。

7 施工工藝質(zhì)量引起的裂縫

在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過(guò)程中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生不同形狀、不同深度的各種裂縫。裂縫出現(xiàn)

的部位、走向和裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異。

比較常見(jiàn)的原因有：①混凝土保護(hù)層過(guò)厚，導(dǎo)致構(gòu)件有效高度降低；②混凝土澆筑時(shí)流動(dòng)性較低、塌落度過(guò)低，導(dǎo)致出現(xiàn)收縮裂縫； ③混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，導(dǎo)致鋼筋腐蝕或其他荷載裂縫的發(fā)生點(diǎn)； ④隨意加大水和水泥用量，水灰比增大，導(dǎo)致混凝土收縮加劇，出現(xiàn)不規(guī)則裂縫； ⑤混凝土初期養(yǎng)護(hù)水分不足，導(dǎo)致表面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫； ⑥混凝土早期受凍，使構(gòu)件表面出現(xiàn)裂縫；⑦施工時(shí)模板剛度不足或拆模過(guò)早，導(dǎo)致混凝土在自重或施工荷載作用下出現(xiàn)裂縫；⑧裝配式構(gòu)件在運(yùn)輸、堆放時(shí)，支承點(diǎn)不恰當(dāng)，吊裝時(shí)，吊點(diǎn)不正確，均可能出現(xiàn)裂縫；⑨施工順序不正確，對(duì)產(chǎn)生的結(jié)果認(rèn)識(shí)不足，也可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

通過(guò)分析和總結(jié)混凝土橋梁裂縫的種類(lèi)和成因，加強(qiáng)對(duì)混凝土橋梁裂縫的認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)和施工階段，采取一定的預(yù)防措施，是可以避免工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫，達(dá)到防范于未然的效果。

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