混凝土橋梁裂縫原因探討

蔣廣通

摘要:為了進(jìn)一步加強(qiáng)對混凝土橋梁裂縫的認(rèn)識,盡量避免工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫,本文盡可能對混凝土橋梁裂縫的種類和產(chǎn)生的原因作較全面的分析、總結(jié),以方便設(shè)計(jì)、施工找出控制裂縫的可行辦法,達(dá)到防范于未然的作用。

關(guān)鍵詞:混凝土橋梁;裂縫;原因

在橋梁建造和使用過程中,有關(guān)因出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量甚至導(dǎo)橋梁垮塌的報(bào)道屢見不鮮。混凝土開裂可以說是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”,經(jīng)常困擾著橋梁工程技術(shù)人員。其實(shí),如果采取一定的設(shè)計(jì)和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。

1 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足,混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,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(fā)生銹蝕反應(yīng),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(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)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(jié)構(gòu)承載力下降,并將誘發(fā)其它形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。要防止鋼筋銹蝕,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護(hù)層厚度(當(dāng)然保護(hù)層亦不能太厚,否則構(gòu)件有效高度減小,受力時(shí)將加大裂縫寬度);施工時(shí)應(yīng)控制混凝土的水灰比,加強(qiáng)振搗,保證混凝土的密實(shí)性,防止氧氣侵入,同時(shí)嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量,沿海地區(qū)或其它存在腐蝕性強(qiáng)的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。

2 凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低于零度時(shí),吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍,游離的水轉(zhuǎn)變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力;同時(shí)混凝土凝膠孔中的過冷水(結(jié)冰溫度在-78度以下)在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強(qiáng)度降低,并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。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)對預(yù)應(yīng)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)過多;混凝土水灰比偏大、振搗不密實(shí);養(yǎng)護(hù)不力使混凝土早期受凍等,均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。冬季施工時(shí),采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養(yǎng)護(hù)以及在混凝土拌和水中摻入防凍劑(但氯鹽不宜使用),可保證混凝土在低溫或負(fù)溫條件下硬化。

3 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。配置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。

3.1 水泥

水泥安定性不合格,水泥中游離的氧化鈣含量超標(biāo)。氧化鈣在凝結(jié)過程中水化很慢,在水泥混凝土凝結(jié)后仍然繼續(xù)起水化作用,可破壞已硬化的水泥石,使混凝土抗拉強(qiáng)度下降;水泥出廠時(shí)強(qiáng)度不足,水泥受潮或過期,可能使混凝土強(qiáng)度不足,從而導(dǎo)致混凝土開裂;當(dāng)水泥含堿量較高(例如超過0.6%),同時(shí)又使用含有堿活性的骨料,可能導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)。

3.2 砂、石骨料

砂石的粒徑、級配、雜質(zhì)含量。砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大,將導(dǎo)致水泥和拌和水用量加大,影響混凝土的強(qiáng)度,使混凝土收縮加大,如果使用超出規(guī)定的特細(xì)砂,后果更嚴(yán)重。砂石中云母的含量較高,將削弱水泥與骨料的粘結(jié)力,降低混凝土強(qiáng)度。砂石中含泥量高,不僅將造成水泥和拌和水用量加大,而且還降低混凝土強(qiáng)度和抗凍性、抗?jié)B性。砂石中有機(jī)質(zhì)和輕物質(zhì)過多,將延緩水泥的硬化過程,降低混凝土強(qiáng)度,特別是早期強(qiáng)度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),體積膨脹2.5倍。堿骨料反應(yīng)。堿骨料反應(yīng)有三種類型:①堿硅酸反應(yīng)。參與這種反應(yīng)的骨料有流紋巖、安山巖、凝灰?guī)r、蛋白石、黑硅石、燧石、鱗石英、玻璃質(zhì)火山巖、玉髓及微晶或變質(zhì)石英等。反應(yīng)發(fā)生于堿與微晶氧化硅之間,其生成物硅膠體遇水膨脹,在混凝土中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,可導(dǎo)致混凝土突然爆裂。這類反應(yīng)是堿骨料反應(yīng)的主要形式。②堿硅酸鹽反應(yīng)。參與這種反應(yīng)的骨料有粘土質(zhì)巖石、千枚巖、硬砂巖、粉砂巖等。此類反應(yīng)的特點(diǎn)是膨脹速度非常緩慢,混凝土從膨脹到開裂,能滲出的凝膠很少。③堿碳酸巖反應(yīng)。多數(shù)碳酸巖石沒有堿活性,有特定結(jié)構(gòu)的泥質(zhì)細(xì)粒白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)細(xì)?；屹|(zhì)白云巖才具有與堿反應(yīng)的堿活性,且還須高堿度、一定濕度環(huán)境下才能反應(yīng)膨脹。堿骨料反應(yīng)裂縫的形狀及分布與鋼筋限制有關(guān),當(dāng)限制力小時(shí),常出現(xiàn)地圖狀裂縫,并在縫中有白色或透明的浸出物;當(dāng)限制力強(qiáng)時(shí)則出現(xiàn)順筋裂縫。在工程實(shí)踐中必須對骨料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn),采用對工程無害的材料,同時(shí)使用含堿量低的水泥品種。

3.3 拌和水及外加劑

拌和水或外加劑中氯化物等雜質(zhì)含量較高時(shí)對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土,或采用含堿的外加劑,可能對堿骨料反應(yīng)有影響。

4 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、拼裝及吊裝過程中,若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣,容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進(jìn)的和貫穿的各種裂縫,特別是細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異,比較典型常見的有:

4.1 混凝土保護(hù)層過厚,或亂踩已綁扎的上層鋼筋,使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚,導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小,形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。

4.2 混凝土振搗不密實(shí)、不均勻,出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞,導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點(diǎn)。

4.3 混凝土澆筑過快,混凝土流動(dòng)性較低,在硬化前因混凝土沉實(shí)不足,硬化后沉實(shí)過大,容易在澆筑數(shù)小時(shí)后發(fā)生裂縫,既塑性收縮裂縫。

4.4 混凝土攪拌、運(yùn)輸時(shí)間過長,使水分蒸發(fā)過多,引起混凝土塌落度過低,使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。

4.5 混凝土初期養(yǎng)護(hù)時(shí)急劇干燥,使混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。

4.6 用泵送混凝土施工時(shí),為保證混凝土的流動(dòng)性,增加水和水泥用量,或因其它原因加大了水灰比,導(dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化時(shí)收縮量增加,使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

4.7 混凝土分層或分段澆筑時(shí),接頭部位處理不好,易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。如混凝土分層澆筑時(shí),后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑,引起層面之間的水平裂縫;采用分段現(xiàn)澆時(shí),先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好,新舊混凝土之間粘結(jié)力小,或后澆混凝土養(yǎng)護(hù)不到位,導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。

4.8 混凝土早期受凍,使構(gòu)件表面出現(xiàn)裂紋,或局部剝落,或脫模后出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。

4.9 施工時(shí)模板剛度不足,在澆筑混凝土?xí)r,由于側(cè)向壓力的作用使得模板變形,產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。

4.10 施工時(shí)拆模過早,混凝土強(qiáng)度不足,使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。

4.11 施工前對支架壓實(shí)不足或支架剛度不足,澆筑混凝土后支架不均勻下沉,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。

4.12 裝配式結(jié)構(gòu),在構(gòu)件運(yùn)輸、堆放時(shí),支承墊木不在一條垂直線上,或懸臂過長,或運(yùn)輸過程中劇烈顛撞;吊裝時(shí)吊點(diǎn)位置不當(dāng),T梁等側(cè)向剛度較小的構(gòu)件,側(cè)向無可靠的加固措施等,均可能產(chǎn)生裂縫。

4.13 安裝順序不正確,對產(chǎn)生的后果認(rèn)識不足,導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫。如鋼筋混凝土連續(xù)梁滿堂支架現(xiàn)澆施工時(shí),鋼筋混凝土墻式護(hù)欄若與主梁同時(shí)澆筑,拆架后墻式護(hù)欄往往產(chǎn)生裂縫;拆架后再澆筑護(hù)欄,則裂縫不易出現(xiàn)。

4.14 施工質(zhì)量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料計(jì)量不準(zhǔn),結(jié)果造成混凝土強(qiáng)度不足和其他性能(和易性、密實(shí)度)下降,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

5 結(jié)語

一座橋梁從建成到使用,牽涉到設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、運(yùn)營管理等各個(gè)方面。由上述可知,設(shè)計(jì)疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力,均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。因此,嚴(yán)格按照國家有關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理,是保證結(jié)構(gòu)安全耐用的前提和基礎(chǔ)。在運(yùn)營管理過程中,進(jìn)一步加強(qiáng)巡查和管理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問題,也是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。