橋梁混凝土裂縫的產生及防治措施

2021-08-16 02:53:08 字數 4791 閱讀 7632

(3)受彎。彎矩最大截面附近從受拉區邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫,並逐漸向中和軸方向發展。採用螺紋鋼筋時,裂縫間可見較短的次裂縫。

當結構配筋較少時,裂縫少而寬,結構可能發生脆性破壞。

(4)大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區配筋較少的小偏心受壓構件,類似於受彎構件。

(5)小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區配筋較多的大偏心受壓構件,類似於中心受壓構件。

(6)受剪。當箍筋太密時發生斜壓破壞,沿樑端腹部出現大於45。方向的斜裂縫;當箍筋適當時發生剪壓破壞,沿樑端中下部出現約45。方向相互平行的斜裂縫。

(7)受扭。構件一側腹部先出現多條約45。方向斜裂縫,並向相鄰面以螺旋方向展開。

(8)受沖切。沿柱頭板內四側發生約45。方向斜面拉裂,形成衝切面。

(9)區域性受壓。在區域性受壓區出現與壓力方向大致平行的多條短裂縫。

1.2收縮裂縫

混凝土凝固時,一些水分與水泥顆粒結合,使體積減少,稱為凝縮。另一些水分蒸發,使體積減小,稱為乾縮,凝縮和幹縮合稱為收縮。混凝土的乾燥過程是由表面逐步擴充套件到內部的,在混凝土內呈現含水梯度。

因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮,致使表面混凝土承受拉力,內部混凝土承受壓力。當表層混凝土所產生的拉力超過其抗拉強度時,便產生收縮裂縫。在混凝土收縮種類中,塑性收縮和縮水收縮(乾縮)是發生混凝土體積變形的主要原因,另外還有自生收縮和炭化收縮。

1.2.1塑性收縮

塑性收縮發生在施工過程中,混凝土澆築後4~5 h左右,此時水泥水化反應激烈,分子鏈逐漸形成,出現泌水和水分急劇蒸發,混凝土失水收縮,同時骨料因自重下沉,因此時混凝土尚未硬化,稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大,可達1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。

為減小混凝土塑性收縮,施工時應控制水灰比,避免過長時間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實,豎向變截面處宜分層澆築。

1.2.2縮水收縮(乾縮)

混凝土結硬以後,隨著表層水分逐步蒸發,濕度逐步降低,混凝土體積減小,稱為縮水收縮(乾縮)。因混凝土表層水分損失快,內部損失慢,因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮,表面收縮變形受到內部混凝土的約束,致使表面混凝土承受拉力,當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時,便產生收縮裂縫。混凝土硬化後收縮主要就是縮水收縮。

如配筋率較大的構件(超過3%),鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯,混凝土表面容易出現龜裂裂紋。

1.2.3自身收縮

自身收縮是混凝土在硬化過程中,水泥與水發生水化反應,這種收縮與外界濕度無關,且可以是正的(即收縮,如普通矽酸鹽水泥混凝土),也可以是負的(即膨脹,如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。

1.2.4炭化收縮

大氣中的二氧化碳與水泥水化物發生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮一般不做計算。混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,成龜裂狀,形狀沒有任何規律。

研究表明,影響混凝土收縮裂縫的主要因素如下。

(1)水泥品種、強度等級及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高,普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外,水泥強度等級越低,單位體積用量越大、磨細度越大,則混凝土收縮越大,且發生收縮時間越長。

例如,為了提高混凝土的強度,施工時經常採用強行增加水泥用量的做法,結果收縮應力明顯加大。

(2)骨料品種。骨料中石英、石灰岩、白雲岩、花崗岩、長石等吸水率較小、收縮性較低;而砂岩、板岩、角閃岩等吸水率較大、收縮性較高。另外,骨料粒徑大,收縮小,含水量越大,收縮越大。

(3)水灰比。用水量越大,水灰比越高,混凝土收縮越大。

(4)外摻劑。外摻劑保水性越好,則混凝土收縮越小。

(5)養護方法。良好的養護可加速混凝土的水化反應,獲得較高的混凝土強度。養護時保持濕度越高,氣溫越低,養護時間越長,則混凝土收縮越小。

(6)振搗方式及時間。機械振搗方式比手工振搗方式混凝土收縮率要小。振搗時間太短,振搗不密實,形成混凝土強度不足或不均勻;振搗時間太長,造成分層,粗骨料沉入底層,細骨料留在上層,強度不均勻,上層易發生收縮裂縫。

對於溫度和收縮引起的裂縫,增配構造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性,尤其是薄壁結構(壁厚20~60 cm)。構造上,配筋宜優先採用小直徑鋼筋(部~聲14)、小間距布置(間距10~15 cm),全截面構造配筋率不宜低於0.3%,一般可採用0.3%~o.5%。

1.3鋼筋鏽蝕引起的裂縫由於混凝土質量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕,炭化至鋼筋表面,發生鏽蝕,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫,並有鏽跡滲到混凝土表面。由於鏽蝕,結構承載力下降,並將誘發其他形式的裂縫,加劇鋼筋鏽蝕,導致結構破壞。要防止鋼筋鏽蝕,設計時應根據規範要求控制裂縫寬度、採用足夠的保護層厚度(當然保護層亦不能太厚,否則構件有效高度減小,受力時將加大裂縫

寬度);施工時應控制混凝土的水灰比,加強振搗,保證混凝土的密實性,防止氧氣侵入,同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量。

1.4溫度裂縫

溫度裂縫指混凝土受水泥水化放熱、陽光照射、夜間降溫等因素影響而出現冷熱變化時,將發生收縮和膨脹,產生溫度應力,溫度應力超過混凝土抗拉強度時產生裂縫。可以初步推斷是由於水化熱過大引起的溫度裂縫。由於水化熱作用,使混凝土內部與外表面溫差過大,這時內部混凝土受壓應力,表面混凝土受拉應力。

由於混凝土抗壓強度遠大於抗拉強度,表面拉應力可能先達到並超過混凝土抗拉強度,而產生間距大致相等的直線裂縫(稱溫差裂縫),

該結構裂縫形態正是如此。在某些大跨徑橋梁中,溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其他裂縫最主要特徵是將隨溫度變化而擴張或合攏。

1.5.1水泥

(1)水泥安定性不合格,水泥中游離的氧化鈣含量超標;

(2)水泥出廠時強度不足,水泥受潮或過期,可能使混凝土強度不足,從而導致混凝土開裂;

(3)當水泥含鹼量較高(例如超過0.6%),同時又使用含有鹼活性的骨料,可能導致鹼骨料反應。

1.5.2骨料

砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大,將導致水泥和拌和水用量加大,影響混凝土的強度,使混凝土收縮加大,如果使用超出規定的特細砂,後果更嚴重。砂石中雲母的含量較高,將削弱水泥與骨料的黏結力,降低混凝土強度。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度和抗凍性、抗滲性。

砂石中有機質和輕物質過多,將延緩水泥的硬化過程,降低混凝土強度,特別是早期強度。

1.5.3施工用水及外加劑

拌和水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋鏽蝕有較大影響。

1.6地基礎變形引起的裂縫

由於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如下。

(1)地質勘探不實、試驗資料不准。在沒有充分掌握地質情況就設計、施工,這是造成地基不均勻沉降的主要原因。如山嶺區橋梁,勘察時鑽孔間距太遠,而地基岩面起伏又大,地質勘察報告不能充分反映實際地質情況。

(2)地基所處地段地質變化較大,分布不均勻。特別是在雲南省這樣的山嶺重丘區,一條公路的建設可能會跨越多個地質區域。建造在山區溝谷的橋梁,河溝處的地質與山坡處變化較大,河溝中甚至存在軟弱地基,地基土由於不同壓縮性引起不均勻沉降。

(3)結構荷載不均勻。例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大,中部的沉降就要比兩邊大,箱涵可能開裂。

(4)結構基礎型別差別大。同一聯橋梁中,混合使用不同基礎如擴大基礎和樁基礎,或同時採用樁基礎但樁徑或樁長差別大時,或同時採用擴大基礎但基底標高差異大時,也可能引起地基不均勻沉降。

(5)橋梁基礎置於滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時,可能造成不均勻沉降。

(6)橋梁建成以後,原有地基條件變化。大多數天然地基和人工地基浸水後,尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土,土體強度遇水下降,壓縮變形加大。在軟土地基中,因人工抽水或乾旱季節導致地下水位下降,地基土層重新固結下沉,同時對基礎的上浮力減小,負摩阻力增加,基礎受荷加大。

有些橋梁基礎埋置過淺,受洪水沖刷、淘挖,基礎可能位移。地面荷載條件的變化,如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等,橋址範圍土層可能受壓縮再次變形。因此,使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。

對於拱橋等產生水平推力的結構物,對地質情況掌握不夠、設計不合理和施工時破壞了原有地質條件是產生水平位移裂縫的主要原因。

1.7施工工藝質量引起的裂縫在混凝土結構澆築、構件製作、拆模、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、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫,特別是細長薄壁結構更容易出現。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異,比較典型常見的如下。

(1)混凝土保護層過厚,或施工中上層鋼筋變形,使承受負彎矩的受力筋保護層加厚,導致構件的有效高度減小,形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。

(2)混凝土振搗不密實、不均勻,出現蜂窩、麻麵、空洞,導致鋼筋鏽蝕或其他荷載裂縫的起源點。

(3)混凝土澆築過快,混凝土流動性較低,在硬化前因混凝土沉實不足,硬化後沉實過大,容易在澆築數小時後發生裂縫,即塑性收縮裂縫。

(4)混凝土攪拌、運輸時間過長,使水分蒸發過多,引起混凝土坍落度過低,使得在混凝土體積上出現不規則的收縮裂縫。

(5)混凝土初期養護時急劇乾燥,使得混凝土與大氣接觸的表面上出現不規則的收縮裂縫。

(6)用幫浦送混凝土施工時,為保證混凝土的流動性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,導致混凝土凝結硬化時收縮量增加,使得混凝土體積上出現不規則裂縫。

(7)混凝土分層或分段澆築時,接頭部位處理不好,易在新舊混凝土和施工縫之間出現裂縫。如混凝土分層澆築時,後澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆築,引起層面之間的水平裂縫;採用分段現澆時,先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好,新舊混凝土之間黏結力小,或後澆混凝土養護不到位,導致混凝土收縮而引起裂縫。

(8)施工時模板剛度不足或加固不穩,在澆築混凝土時,由於側向壓力的作用使得模板變形,產生與模板變形一致的裂縫。

(9)施工時拆模過早,混凝土強度不足,使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。

(10)構件運輸、堆放時處理不當;吊裝時吊點位置不當,在t梁等側向剛度較小的構件,側向無可靠的加固措施等,均可能產生裂縫。

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