橋梁裂縫產(chǎn)生原因及淺析

劉忠民 李欣松

0 前言

目前，國內(nèi)外對機械荷載引起的開裂問題研究得較為透徹。而對溫度荷載引起得有關(guān)裂縫的研究尚不充分。我們應(yīng)對此加以重視，防止危害結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生。另外對于大體積混凝土內(nèi)溫度應(yīng)力與裂縫控制也多集中在水利工程中的大壩、高層建筑的深基礎(chǔ)底板。而對于橋梁中大體積混凝土的裂縫的研究并未得到足夠的重視。本文將對此進行分析，探討裂縫出現(xiàn)的原因及控制措施。

1 大體積混凝土裂縫的控制

1.1 裂縫的原因

混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導致裂縫?；炷潦且环N脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1/10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104，長期加荷時的極限位伸變形也只有（1.2～2.0）×104.由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔。一般設(shè)計中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當大的拉應(yīng)力。有時溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對于進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工極為重。

1.2 大體積混凝土中水泥的品種及用量

理論研究表明大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。于是，我們對于橋梁中的大體積混凝土應(yīng)該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內(nèi)礦物成分的不同。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣（C3A），其他成分依次為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）和鐵鋁酸四鈣（C4AF）。另外，水泥越細發(fā)熱速率越快，但是不影響最終發(fā)熱量。因此我們在大體積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。我們應(yīng)該充分利用混凝土的后期強度，以減少水泥的用量。因為大體積混凝土施工期限長，不可能28d向混凝土施加設(shè)計荷載，因此將試驗混凝土標準強度的齡期向后推遲至56d或者90d是合理的[3]。這是基于這一點，國內(nèi)外很多專家均提出類似的建議。這樣充分利用后期強度則可以每m3混凝土減少水泥40kg～70kg左右，混凝土內(nèi)部的溫度相應(yīng)降低4℃～7℃。

1.3 摻加外加料和外加劑

在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密實度，提高抗?jié)B能力，改善混凝土的工作度，降低最終收縮值，減少水泥用量。要降低大體積混凝土的水泥水化熱引起的內(nèi)部溫升，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫，利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。外加劑可以從以下幾個方面來選擇。UFA膨脹劑，它可以等量替換水泥。并且是混凝土產(chǎn)生適度的膨脹。一方面保證混凝土的密實度，另一方面使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力，以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力。減水緩凝劑，并應(yīng)保證一定的坍落度。這樣可以延緩水化熱的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以達到減少水化熱的目的。

1.4 優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)計

雖然大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，我們還是可以在裂縫易發(fā)生部位如孔洞周圍以及轉(zhuǎn)角處布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔拉應(yīng)力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。為了避免裂縫的出現(xiàn)，在設(shè)計中利用中低強度底水泥充分利用混凝土的后期強度。在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應(yīng)當盡量取較小值，因為保護層的厚度愈大愈容易發(fā)生裂縫。

1.5 大體積混凝土的施工

混凝土施工包括混凝土的生產(chǎn)、運輸、澆筑和溫度及表面保護，是保護大體積混凝土溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而熱應(yīng)力的控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)外溫差△T：

△T=Tp+Tr-Tf

式中：Tp——起始澆筑溫度;Tr——水泥水化溫升;Tf——天然或人工冷卻后澆筑塊的穩(wěn)定溫度。

在溫度較高的情況下進行施工，我們一定要注意降低混凝土澆筑時的溫度。可以在施工現(xiàn)場對堆在露天的砂石用布覆蓋，以減少陽光對其的輻射，同時對澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向混凝土中添加冰水。以上這些措施都可以有效的降低混凝土的入模溫度。在混凝土的內(nèi)部通入冷卻循環(huán)水，采用循環(huán)法保溫養(yǎng)護，以便加快混凝土內(nèi)部的熱量散發(fā)?；炷帘砻鎽?yīng)該覆蓋一些織物進行保溫、保濕養(yǎng)護，這樣不但可以降低混凝土內(nèi)外溫差，防止表面產(chǎn)生裂縫，還可以防止混凝土驟然降溫產(chǎn)生貫穿裂縫，并且還可以使水泥順利水化，防止產(chǎn)生濕度裂縫。為了及時掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度變化值，可以在混凝土內(nèi)埋設(shè)一定量的測溫點，從而可以更好的了解混凝土的溫度變化情況，一旦內(nèi)外溫差超過允許值25℃，好及時采取措施。

1.6 大體積混凝土的裂縫檢查與處理

對于混凝土裂縫，應(yīng)以預防為主，為此需要精心設(shè)計、施工，但是由于目前采用的防止裂縫的安全系數(shù)較小，而實際情況有復雜多變，所以實際工程中還是難免出現(xiàn)一些裂縫。大體積混凝土的裂縫分為三種：表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對于表面裂縫因為其對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、耐久性和安全基本沒有影響，一般不作處理。對深層裂縫和貫穿裂縫可以采取鑿除裂縫，可以用風鎬、風鉆或人工將裂縫鑿除，至看不見裂縫為止，鑿槽斷面為梯形再在上面澆筑混凝土。限裂鋼筋，在處理較深的裂縫時，一般是在混凝土已充分冷卻后，在裂縫上鋪設(shè)1～2層的鋼筋后再繼續(xù)澆筑新混凝土。對比較嚴重的裂縫可以采取水泥灌漿和化學灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度在0.5mm以上時，對于裂縫寬度小于0.5mm時應(yīng)采取化學灌漿?；瘜W灌漿材料一般使用環(huán)氧-糠醛丙酮系等漿材。在混凝土的施工中，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當混凝土溫度高于氣溫時應(yīng)適當考慮拆模時間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模，在表面引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在混凝土澆筑初期，由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當大的拉應(yīng)力，此時表面溫度亦較氣溫為高，此時拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達到很大的數(shù)值，就有導致裂縫的危險，但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫海棉等，對于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。

2 結(jié)束語

綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明：只要我們在設(shè)計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是完全可以避免危害結(jié)構(gòu)的裂縫的產(chǎn)生。

【參考文獻】

[1]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].中國建筑工業(yè)出版社.

[2]王鐵夢.王鐵夢教授談控制混凝土工程收縮裂縫18個因素[J].混凝土，2003（11）.

[3]孫修艾，程曙明.大面積框架結(jié)構(gòu)梁板混凝土一次整體澆筑施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2003，34（1）.

[責任編輯：湯靜]