市政橋梁結構中裂縫的原因和處理措施

劉 禎 (濟南城建集團有限公司 山東 濟南 250000)

前言

橋梁結構在施工和營運使用過程中,常常會出現各種不同形式的裂縫。橋梁裂縫分為結構性裂縫和非結構性裂縫。結構性裂縫是指由外荷載引起的裂縫,這類裂縫的分布及寬度與外荷載有關。非結構性裂縫是指由變形引起的裂縫,如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的橋梁裂縫。橋梁裂縫的存在,勢必降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗滲能力,影響建筑物的外觀、使用壽命,嚴重的將威脅到人民生命、財產安全。因此,應分析產生橋梁裂縫的原因,采取行針對性措施修復裂縫。據有關統計數據顯示,目前國內大多數市政橋梁尚處于使用初期,有相當一部分的混凝土橋梁在30年后要進行維修和加固。維修和加固,能提升橋梁的質量和壽命,保障橋梁在使用過程中的安全。

一、市政工程橋梁結構裂縫處理的意義

長期處于風雪雨霜的自然侵襲,會使橋梁局部產生裂縫,危及人們生命財產的安全。目前,國內已建成的混凝土結構的橋梁中普遍存在著裂縫,對其進行修復加固是一種較為科學的方法,其意義如下。

(一)提高市政橋梁的安全使用。對一些市政橋梁結構裂縫修復后,橋梁的安全性就會得到提高,不僅在很大程度上能夠消除交通安全隱患,而且可以提高公路橋梁的通行能力和服務水平。

(二)提高市政橋梁的承載量。交通工具在我們的生活中出現的數量越來越多,我國之前部分市政橋梁已經不能滿足現在的承載量,所以對市政橋梁結構裂縫進行修復,可以提高市政橋梁的承載能力及通行能力。

(三)延長橋梁壽命。對市政橋梁結構裂縫進行修復,會增長市政橋梁的使用壽命,減少對交通安全的影響,并且可以為國家資源進行合理充分地利用。

(四)控制成本支出。對市政橋梁結構裂縫進行修復,從經濟角度來講,會比新建橋梁的投資少,能有效地控制成本支出。

二、市政橋梁結構裂縫類型

(一)塑性裂縫。混凝土澆筑后開始凝聚,由流態變成塑態,再變成固態,在塑態階段產生的裂縫稱為塑性裂縫,是一種早期裂縫。它主要是由施工不當引起的,如混凝土攪拌時間過長,使混凝土凝固速度加快,造成結構上的微裂縫;養護不好,造成現澆混凝土表面水分蒸發過快,產生的不規則的裂縫;施工時振搗不充分,或混凝土的析水過多等。

(二)收縮裂縫。混凝土凝固時由于體積變小發生收縮而產生收縮裂縫。收縮裂縫主要發生在混凝土的表面,裂縫細密,分布均勻,多沿梁、板的長邊走向。大體積混凝土在平面部位較為多見,側面也常見,預制構件多發生在箍筋位置上。高度較大的混凝土梁,一般在腰部產生豎向裂縫,集中于構件中部,中間寬兩頭細,而在底部則沒有。這主要與配筋的密度相關,配筋密的地方裂縫少,配筋疏的地方,混凝土無法承受拉應力而開裂。另外,含泥量大的混凝土也容易產生收縮裂縫。

(三)拱橋徑向裂縫。在拱橋設計中,拱圈均按整體的組合截面計算,但為了便于施工,拱橋(如雙曲拱橋) 又常采用預制裝配、化整為零的施工方法,導致截面的整體性較差。

(四)腹下箱間間隙處縱向裂縫。其原因是在原橋預制箱體間隙填筑混凝土時因粗骨料過大,卡在箱間使產生空洞,施工后再用砂漿抹平,從而使表面有裂縫。拱腹預制箱體縱向連接處的徑向裂縫產生的原因與此相同。

(五)墩臺帽裂縫。不論在主橋還是引橋的墩臺帽處,沿橋軸線方向均有一上下貫穿墩帽的裂縫,其他裂紋呈放射性。這種裂縫的原因主要是局部應力所致,因橋面恒載和活載的作用力集中地通過立柱傳至橋墩,使其周圍墩頂其他部位產生拉應力。

(六)拱腳裂縫。我國修建的拱橋大多數為拱腳固結的無鉸拱橋,拱腳處承受很大的負彎矩,是最易破壞的地方。拱腳處一旦出現較大的裂縫,拱肋在兩個平面內的抗彎剛度和抗扭剛度都會產生很大變化。

三、市政橋梁工程結構裂縫原因

裂縫是混凝土結構最常見的病害,市政橋梁工程也是如此。混凝土結構裂縫的成因復雜、繁多,有時多種因素互相影響,但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要因素。混凝土橋梁裂縫產生的原因,大致可劃分如下幾種。

(一)荷載引起的裂縫。混凝土橋梁在靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫,主要有直接裂縫、次應力裂縫兩種。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫,次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。

(二)溫度變化引起的裂縫。橋梁上能夠觀察到的嚴重裂縫損害,很多都是由于溫度引起的內應力和約束應力所造成的。溫度裂縫是粗裂縫產生的重要原因,一般出現在配筋薄弱之處。由溫度引起的內應力及約束應力的大小與溫差有關,特別是與晝夜間的變化關系最大,當然溫度變化的速度(例如冷卻的速度)也是關鍵,橋梁上嚴重損害的裂縫往往發生在氣候條件最差的時候。溫度應力也與橋梁所處的地理位置有關,處于比較穩定的海洋性氣候中的橋梁要比處于大陸性氣候中的橋梁有利一些;在城市內的橋梁要比跨河的或山區的橋梁有利。另外,橋梁結構中的溫度應力與太陽照射及照射面的顏色均有很大關系。

(三)收縮引起的裂縫。混凝土在凝結硬化過程中產生體積變化(多指收縮),當混凝土產生收縮而結構又受約束時,就可能會產生收縮裂縫。與溫度應力相比,收縮裂縫僅起到次要作用。收縮引起的應力一般只相當于溫度引起應力的10%～30%。根據裂縫產生機理的不同,收縮裂縫又可分為化學收縮、干燥收縮、塑性收縮、自收縮、碳化收縮裂縫等。

(四)混凝土沉縮裂縫。混凝土因流動性不好或搗實欠佳,或在混凝土硬化前有沉縮或沉縮不足就會發生裂縫。通常此類裂縫在混凝土尚處于塑性階段(澆注后1～3h),沿梁上面或板上面鋼筋的位置發生,裂縫呈梭形,深度通常達到鋼筋面。

(五)地基變形引起的裂。由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移,使結構中產生附加應力,超出混凝土結構的抗拉能力,導致結構開裂。基礎不均勻沉降的主要原因有:地質勘察精度不夠、試驗資料不準;地基地質差異太大;結構荷載差異太大;結構基礎類型差別太大;地在凍脹;橋梁基礎基于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時,可能造成不均勻沉降。

(六)鋼筋銹蝕引起的裂縫。由于混凝土質量較差或保護層厚度不足,二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物浸入,鋼筋周圍氯離子含量較高,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生銹蝕反應,其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2～4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、剝落,沿鋼筋縱向產生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使鋼筋有效斷面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結構承載力下降,并將誘發其他形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導致結構破壞。

(七)凍脹引起的裂縫。大氣溫度低于零度時,吸水飽和的混凝土出現冰凍,游離的水變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產生膨脹應力。同時混凝土澆孔中的過冷水(結冰溫度在-78℃以下)在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土強度降低,并導致裂縫出現。溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發生凍脹破壞的必要條件。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,水灰比偏大、振搗不密實,養護不力使混凝土早期受凍等,均可導致混凝土產生凍脹裂縫。

(八)施工材料質量引起的裂縫。混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格,可能導致結構出現裂縫。如水泥、砂、石骨料、以及拌和水及外加劑等。

(九)施工工藝質量引起的裂縫。在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中,若施工工藝不合理、施工質量低劣,容易產生縱向的、橫向等各種裂縫,特別是細長薄壁結構更容易出現。

(十)混凝土堿骨料反應(AAR)引起的裂縫。混凝土中的堿性物質同骨料中活性硅成分之間的反應就是堿骨料反應,這種反應是有害的,會使混凝土結構出現膨脹裂縫。發生堿骨料反應有兩個必要條件,即骨料具有一定的堿活性和適宜的環境(潮濕、浸水)。堿骨料反映在骨料周圍和混凝土縫隙中有硅酸堿膠滯體存在或擠出,在顯微鏡下觀察,骨料顆粒周圍出現反應環,砂漿或混凝土表面出現網狀微裂縫,水泥漿出現碳化現象。

(十一)預應力張拉時引起的裂縫。在預應力梁端部,當進行預應力張拉時,梁端部受力狀態非常復雜,目前預應力梁端部的非預應力配筋均為構造配筋,不能有效抑制預應力鋼筋張拉時產生于梁端的諸多不利應力,往往使梁端產生裂縫。

四、裂縫對市政橋梁耐久性的影響

人們普遍認為,影響混凝土橋梁耐久性的一些主要原因,按主次順序依次為:鋼筋的腐蝕、循環性冷凍與融化環境、堿硅反應和硫酸鹽侵襲。上述每一項的膨脹開裂的機制中都牽扯到了水。不僅如此,水還是侵蝕性離子進入混凝土內部的主要載體。裂縫及其寬度對混凝土橋梁耐久起著直掛重要的作用,裂縫寬度大,結構耐久性失效的可能性也大。裂縫寬度達某一值時,結構的耐久性不能滿足要求。同時,鋼筋并不能消除或削減混凝土的收縮裂縫,它只是把一些大的裂縫變成細紋和微裂。然而,恰恰是那些肉眼看不見也無法測量的細紋和微裂才構成潛在通道,最終為離子從混凝土表面運動到鋼筋建立了必要的通道,從而加速了混凝土橋梁的耐久性損失。

無論對預應力混凝土結構或鋼筋混凝土結構來說,裂縫及其寬度對力筋腐蝕都有影響,且寬度不同其影響程度也不同。首先,裂縫加快了腐蝕的發生。在早期,裂縫寬度對力筋腐蝕影響較大,因為力筋去鈍化的時間取決于裂縫的寬度,然而腐蝕一旦開始,其影響程度大大降低。這時,腐蝕速度取決于未開裂處混凝土保護層的質量和滲透性,混凝土保護層的質量越好,滲透性越小,氧氣及水分的供給量也越少,腐蝕速度越慢,隨著碳化進程的深入,毛細孔將逐漸被堵塞,使混凝土滲透性逐步降低,腐蝕速度也隨之下降。當力筋腐蝕速度小到一定程度時,即在設計壽命期內不影響其各項力學指標時,就稱之為處于鈍化狀態。實際上,腐蝕一直在進行著,只不過有時腐蝕速率很小而已。混凝土結構的橋梁使用是最廣泛的,其耐久性的研究主要是從材料的角度來探討。目前的研究成果僅限于解決結構的局部耐久性問題,還有待于對市政橋梁結構的耐久性進行深入探討。

五、市政橋梁工程結構裂縫處理技術措施

裂縫修補的目的在于恢復結構物的防水性和耐久性,以及起到修飾美觀的作用。結構有較嚴重的病害時,需要在加固前或在實施加固技術的過程中進行裂縫的修補。

(一)面處理法。這是一種在微裂縫(一般寬度小于0.2mm)的表面涂抹填料及防水材料,以提高其防水性和耐久性為目的的方法。這種方法的缺點是修補工作無法深入到裂縫內部,以及對延伸性裂縫難于追蹤其變化。因此,對于寬度發生變化的裂縫,要設法使用有伸縮性的材料。表面處理方法所用材料視修補目的及其結構物所處環境不同而異,通常使用彈性涂抹防水材料(如玻璃布)、聚合物水泥膏及水泥填料等。

(二)注漿法。該方法系在裂縫中注入樹脂或水泥類材料,以提高其防水性及耐久性。注漿材料是環氧樹脂,以往均采用手動或腳踏式輸液泵注入漿液,但存在無法控制注入量。對于不貫通的裂縫難于將漿液注入到內部,注入壓力太大有可能使裂縫寬度擴大等問題。所以,現在多采用低壓低速注入法。此法具有易于控制注入量且可注入到裂縫深部。

(三)充填法。這是一種適合于修補較寬裂縫(0.5mm以上)的方法,具體做法是沿裂縫鑿一條深槽,然后在槽內嵌補各種粘結材料,如水泥砂漿、環氧砂漿、膨脹水泥砂漿、環氧樹脂混凝土、瀝青及各種化學補強劑等。對鋼筋混凝土結構而言.這種修補方法視鋼筋是否銹蝕而異。當鋼筋未銹蝕時,沿裂縫處以大約l0mm 左右的寬度將混凝土鑿成U 型或V型,在開槽處充填密封材料以修補裂縫;當鋼筋已經銹蝕時,將混凝土鑿除到能夠充分處置已經生銹的鋼筋部分。對鋼筋除銹,然后在鋼筋上涂抹防銹底涂料,再充填密封材料。

(四)表面噴涂法。噴漿修補是一種在經鑿毛處理的裂縫表面,噴射一層密實而且牯度高的水泥砂漿保護層,來封閉裂縫的修補方法。噴漿前,需要把結構表面的剝離部分除去.再用水沖洗清潔,并在開始噴漿之前把基層濕潤,然后再開始噴漿。

(五)混凝土因堿骨料而開裂的裂縫修補。因堿骨料反應產生的裂縫,一般為延伸性的,特別是鋼筋用量較少時,對膨脹的約束較小,于是裂縫寬度顯著變大。對這種裂縫,可以注入環氧樹脂或涂抹防水材料,防止水分由外部浸入,從而控制堿骨料反應。

結語

市政橋梁結構混凝土裂縫是橋梁主要的病害之一,它的形成和發展受到荷載、溫度、施工等多種因素的影響,全面地檢測出現裂縫的構件并掌握處理方法,是做好橋梁的施工和養護的關鍵。