市政橋梁結(jié)構(gòu)中裂縫的原因和處理措施

劉 禎 (濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250000)

前言

橋梁結(jié)構(gòu)在施工和營(yíng)運(yùn)使用過(guò)程中,常常會(huì)出現(xiàn)各種不同形式的裂縫。橋梁裂縫分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)構(gòu)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(guān)。非結(jié)構(gòu)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(shì)必降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗?jié)B能力,影響建筑物的外觀、使用壽命,嚴(yán)重的將威脅到人民生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此,應(yīng)分析產(chǎn)生橋梁裂縫的原因,采取行針對(duì)性措施修復(fù)裂縫。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)市政橋梁尚處于使用初期,有相當(dāng)一部分的混凝土橋梁在30年后要進(jìn)行維修和加固。維修和加固,能提升橋梁的質(zhì)量和壽命,保障橋梁在使用過(guò)程中的安全。

一、市政工程橋梁結(jié)構(gòu)裂縫處理的意義

長(zhǎng)期處于風(fēng)雪雨霜的自然侵襲,會(huì)使橋梁局部產(chǎn)生裂縫,危及人們生命財(cái)產(chǎn)的安全。目前,國(guó)內(nèi)已建成的混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁中普遍存在著裂縫,對(duì)其進(jìn)行修復(fù)加固是一種較為科學(xué)的方法,其意義如下。

(一)提高市政橋梁的安全使用。對(duì)一些市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫修復(fù)后,橋梁的安全性就會(huì)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(wù)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(xiàn)的數(shù)量越來(lái)越多,我國(guó)之前部分市政橋梁已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的承載量,所以對(duì)市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行修復(fù),可以提高市政橋梁的承載能力及通行能力。

(三)延長(zhǎng)橋梁壽命。對(duì)市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行修復(fù),會(huì)增長(zhǎng)市政橋梁的使用壽命,減少對(duì)交通安全的影響,并且可以為國(guó)家資源進(jìn)行合理充分地利用。

(四)控制成本支出。對(duì)市政橋梁結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行修復(fù),從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講,會(huì)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(jié)構(gòu)裂縫類型

(一)塑性裂縫?；炷翝仓箝_(kāi)始凝聚,由流態(tài)變成塑態(tài),再變成固態(tài),在塑態(tài)階段產(chǎn)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(dāng)引起的,如混凝土攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng),使混凝土凝固速度加快,造成結(jié)構(gòu)上的微裂縫;養(yǎng)護(hù)不好,造成現(xiàn)澆混凝土表面水分蒸發(fā)過(guò)快,產(chǎn)生的不規(guī)則的裂縫;施工時(shí)振搗不充分,或混凝土的析水過(guò)多等。

(二)收縮裂縫?；炷聊虝r(shí)由于體積變小發(fā)生收縮而產(chǎn)生收縮裂縫。收縮裂縫主要發(fā)生在混凝土的表面,裂縫細(xì)密,分布均勻,多沿梁、板的長(zhǎng)邊走向。大體積混凝土在平面部位較為多見(jiàn),側(cè)面也常見(jiàn),預(yù)制構(gòu)件多發(fā)生在箍筋位置上。高度較大的混凝土梁,一般在腰部產(chǎn)生豎向裂縫,集中于構(gòu)件中部,中間寬兩頭細(xì),而在底部則沒(méi)有。這主要與配筋的密度相關(guān),配筋密的地方裂縫少,配筋疏的地方,混凝土無(wú)法承受拉應(yīng)力而開(kāi)裂。另外,含泥量大的混凝土也容易產(chǎn)生收縮裂縫。

(三)拱橋徑向裂縫。在拱橋設(shè)計(jì)中,拱圈均按整體的組合截面計(jì)算,但為了便于施工,拱橋(如雙曲拱橋) 又常采用預(yù)制裝配、化整為零的施工方法,導(dǎo)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(yù)制箱體間隙填筑混凝土?xí)r因粗骨料過(guò)大,卡在箱間使產(chǎn)生空洞,施工后再用砂漿抹平,從而使表面有裂縫。拱腹預(yù)制箱體縱向連接處的徑向裂縫產(chǎn)生的原因與此相同。

(五)墩臺(tái)帽裂縫。不論在主橋還是引橋的墩臺(tái)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(yīng)力所致,因橋面恒載和活載的作用力集中地通過(guò)立柱傳至橋墩,使其周圍墩頂其他部位產(chǎn)生拉應(yīng)力。

(六)拱腳裂縫。我國(guó)修建的拱橋大多數(shù)為拱腳固結(jié)的無(wú)鉸拱橋,拱腳處承受很大的負(fù)彎矩,是最易破壞的地方。拱腳處一旦出現(xiàn)較大的裂縫,拱肋在兩個(gè)平面內(nèi)的抗彎剛度和抗扭剛度都會(huì)產(chǎn)生很大變化。

三、市政橋梁工程結(jié)構(gòu)裂縫原因

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的病害,市政橋梁工程也是如此?；炷两Y(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜、繁多,有時(shí)多種因素互相影響,但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要因素?；炷翗蛄毫芽p產(chǎn)生的原因,大致可劃分如下幾種。

(一)荷載引起的裂縫?；炷翗蛄涸陟o、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫,主要有直接裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫,次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。

(二)溫度變化引起的裂縫。橋梁上能夠觀察到的嚴(yán)重裂縫損害,很多都是由于溫度引起的內(nèi)應(yīng)力和約束應(yīng)力所造成的。溫度裂縫是粗裂縫產(chǎn)生的重要原因,一般出現(xiàn)在配筋薄弱之處。由溫度引起的內(nèi)應(yīng)力及約束應(yīng)力的大小與溫差有關(guān),特別是與晝夜間的變化關(guān)系最大,當(dāng)然溫度變化的速度(例如冷卻的速度)也是關(guān)鍵,橋梁上嚴(yán)重?fù)p害的裂縫往往發(fā)生在氣候條件最差的時(shí)候。溫度應(yīng)力也與橋梁所處的地理位置有關(guān),處于比較穩(wěn)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(nèi)的橋梁要比跨河的或山區(qū)的橋梁有利。另外,橋梁結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力與太陽(yáng)照射及照射面的顏色均有很大關(guān)系。

(三)收縮引起的裂縫?；炷猎谀Y(jié)硬化過(guò)程中產(chǎn)生體積變化(多指收縮),當(dāng)混凝土產(chǎn)生收縮而結(jié)構(gòu)又受約束時(shí),就可能會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫。與溫度應(yīng)力相比,收縮裂縫僅起到次要作用。收縮引起的應(yīng)力一般只相當(dāng)于溫度引起應(yīng)力的10%～30%。根據(jù)裂縫產(chǎn)生機(jī)理的不同,收縮裂縫又可分為化學(xué)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?；炷烈蛄鲃?dòng)性不好或搗實(shí)欠佳,或在混凝土硬化前有沉縮或沉縮不足就會(huì)發(fā)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(fā)生,裂縫呈梭形,深度通常達(dá)到鋼筋面。

(五)地基變形引起的裂。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)不均勻沉降的主要原因有:地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn);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)類型差別太大;地在凍脹;橋梁基礎(chǔ)基于滑坡體、溶洞或活動(dòng)斷層等不良地質(zhì)時(shí),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(zhì)量較差或保護(hù)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(fā)生銹蝕反應(yīng),其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來(lái)增長(zhǎng)約2～4倍,從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開(kāi)裂、剝落,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,使鋼筋有效斷面積減小,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)其他形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

(七)凍脹引起的裂縫。大氣溫度低于零度時(shí),吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍,游離的水變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。同時(shí)混凝土澆孔中的過(guò)冷水(結(jié)冰溫度在-78℃以下)在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土強(qiáng)度降低,并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。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,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,均可導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生凍脹裂縫。

(八)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。如水泥、砂、石骨料、以及拌和水及外加劑等。

(九)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)生縱向的、橫向等各種裂縫,特別是細(xì)長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。

(十)混凝土堿骨料反應(yīng)(AAR)引起的裂縫?；炷林械膲A性物質(zhì)同骨料中活性硅成分之間的反應(yīng)就是堿骨料反應(yīng),這種反應(yīng)是有害的,會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)膨脹裂縫。發(fā)生堿骨料反應(yīng)有兩個(gè)必要條件,即骨料具有一定的堿活性和適宜的環(huán)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(xiàn)反應(yīng)環(huán),砂漿或混凝土表面出現(xiàn)網(wǎng)狀微裂縫,水泥漿出現(xiàn)碳化現(xiàn)象。

(十一)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)引起的裂縫。在預(yù)應(yīng)力梁端部,當(dāng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉時(shí),梁端部受力狀態(tài)非常復(fù)雜,目前預(yù)應(yīng)力梁端部的非預(yù)應(yīng)力配筋均為構(gòu)造配筋,不能有效抑制預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉時(shí)產(chǎn)生于梁端的諸多不利應(yīng)力,往往使梁端產(chǎn)生裂縫。

四、裂縫對(duì)市政橋梁耐久性的影響

人們普遍認(rèn)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(huán)性冷凍與融化環(huán)境、堿硅反應(yīng)和硫酸鹽侵襲。上述每一項(xiàng)的膨脹開(kāi)裂的機(jī)制中都牽扯到了水。不僅如此,水還是侵蝕性離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部的主要載體。裂縫及其寬度對(duì)混凝土橋梁耐久起著直掛重要的作用,裂縫寬度大,結(jié)構(gòu)耐久性失效的可能性也大。裂縫寬度達(dá)某一值時(shí),結(jié)構(gòu)的耐久性不能滿足要求。同時(shí),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(xì)紋和微裂。然而,恰恰是那些肉眼看不見(jiàn)也無(wú)法測(cè)量的細(xì)紋和微裂才構(gòu)成潛在通道,最終為離子從混凝土表面運(yùn)動(dòng)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(wú)論對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),裂縫及其寬度對(duì)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(fā)生。在早期,裂縫寬度對(duì)力筋腐蝕影響較大,因?yàn)榱钊モg化的時(shí)間取決于裂縫的寬度,然而腐蝕一旦開(kāi)始,其影響程度大大降低。這時(shí),腐蝕速度取決于未開(kāi)裂處混凝土保護(hù)層的質(zhì)量和滲透性,混凝土保護(hù)層的質(zhì)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(jìn)程的深入,毛細(xì)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(dāng)力筋腐蝕速度小到一定程度時(shí),即在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)不影響其各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)時(shí),就稱之為處于鈍化狀態(tài)。實(shí)際上,腐蝕一直在進(jìn)行著,只不過(guò)有時(shí)腐蝕速率很小而已?；炷两Y(jié)構(gòu)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(lái)探討。目前的研究成果僅限于解決結(jié)構(gòu)的局部耐久性問(wèn)題,還有待于對(duì)市政橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行深入探討。

五、市政橋梁工程結(jié)構(gòu)裂縫處理技術(shù)措施

裂縫修補(bǔ)的目的在于恢復(fù)結(jié)構(gòu)物的防水性和耐久性,以及起到修飾美觀的作用。結(jié)構(gòu)有較嚴(yán)重的病害時(shí),需要在加固前或在實(shí)施加固技術(shù)的過(guò)程中進(jìn)行裂縫的修補(bǔ)。

(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(diǎn)是修補(bǔ)工作無(wú)法深入到裂縫內(nèi)部,以及對(duì)延伸性裂縫難于追蹤其變化。因此,對(duì)于寬度發(fā)生變化的裂縫,要設(shè)法使用有伸縮性的材料。表面處理方法所用材料視修補(bǔ)目的及其結(jié)構(gòu)物所處環(huán)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(shù)脂或水泥類材料,以提高其防水性及耐久性。注漿材料是環(huán)氧樹(shù)脂,以往均采用手動(dòng)或腳踏式輸液泵注入漿液,但存在無(wú)法控制注入量。對(duì)于不貫通的裂縫難于將漿液注入到內(nèi)部,注入壓力太大有可能使裂縫寬度擴(kuò)大等問(wèn)題。所以,現(xiàn)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(bǔ)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(nèi)嵌補(bǔ)各種粘結(jié)材料,如水泥砂漿、環(huán)氧砂漿、膨脹水泥砂漿、環(huán)氧樹(shù)脂混凝土、瀝青及各種化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)劑等。對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言.這種修補(bǔ)方法視鋼筋是否銹蝕而異。當(dāng)鋼筋未銹蝕時(shí),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(kāi)槽處充填密封材料以修補(bǔ)裂縫;當(dāng)鋼筋已經(jīng)銹蝕時(shí),將混凝土鑿除到能夠充分處置已經(jīng)生銹的鋼筋部分。對(duì)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(bǔ)是一種在經(jīng)鑿毛處理的裂縫表面,噴射一層密實(shí)而且牯度高的水泥砂漿保護(hù)層,來(lái)封閉裂縫的修補(bǔ)方法。噴漿前,需要把結(jié)構(gòu)表面的剝離部分除去.再用水沖洗清潔,并在開(kāi)始噴漿之前把基層濕潤(rùn),然后再開(kāi)始噴漿。

(五)混凝土因堿骨料而開(kāi)裂的裂縫修補(bǔ)。因堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的裂縫,一般為延伸性的,特別是鋼筋用量較少時(shí),對(duì)膨脹的約束較小,于是裂縫寬度顯著變大。對(duì)這種裂縫,可以注入環(huán)氧樹(shù)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(yīng)。

結(jié)語(yǔ)

市政橋梁結(jié)構(gòu)混凝土裂縫是橋梁主要的病害之一,它的形成和發(fā)展受到荷載、溫度、施工等多種因素的影響,全面地檢測(cè)出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件并掌握處理方法,是做好橋梁的施工和養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵。