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钢筋混凝土桥梁裂缝成因及其防治的相关问题的探究

发布时间:2020-04-27    字号:【

  一、混凝土桥梁裂缝形成的原因

  (一)水泥水化热

  混凝土浇筑初期,水泥在水化过程中产生大量水化热,使混凝土的温度迅速上升。但由于混凝土表面散热条件较好,热量可以向大气中散发,因此温度上升较少;而混凝土内部由于散热条件较差,热量散发慢,水泥散发的热量不易散失,导致温度上升较多。水泥水化热引起的温度变化与混凝土的品质有关,如水泥和粉煤灰的用量,单位体积水泥水化放热量,并随混凝土的龄期按指数关系增长,一般在3-5天达到最高温度。随着龄期的增长,弹性模量的增高,对混凝土内部降温收缩的约束也愈来愈大,以至产生了很大的拉应力,当混凝土抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便开始出现温度裂缝。

  桥梁工程、土木工程

  (二)地基不均匀沉降

  当地基发生不均匀沉降时,会引起构件的约束变形,使结构内部拉应力发生变化,而一旦结构内部拉应力超过自身的抗拉强度时,在结构的薄弱部位就会产生沉降裂缝。在桥梁工程中,不均匀沉降裂缝产生的原因主要有以下几种:

  •   1.地质勘察精度不够、试验资料不准。在没有充分掌握地质情况下就进行设计、施工,这是导致地基不均匀沉降的主要原因。

  •   2.地基地质条件差异太大。建造在山区沟谷的桥梁,河沟处的地质与山坡处的地质条件差异较大,河沟中甚至存在软弱地基,地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。

  •   3.结构荷载差异太大。在地质情况大概一致的条件下,当各部分基础荷载差异太大时,有可能引起不均匀沉降,例如高填土箱形涵洞中部比两边的荷载要大,中部的沉降就要比两边大,箱涵可能开裂。

  •   4.结构基础类型差别大。同一桥梁中,混合使用不同基础如扩大基础和桩基础,或同时采用桩基础但桩径或桩长差别大时,或同时采用扩大基础但基底标高差异大时,也可能引起地基不均匀沉降。

  •   5.地基冻胀。在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻而膨胀,而一旦温度回升,冻土融化,地基下沉,因此地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。

  •   6.桥梁建成以后,原有地基条件变化。如大多数天然地基和人工地基浸水后,尤其是黄土、膨胀土等特殊地基土,土体强度遇水下降,压缩变形加大,均可能造成不均匀沉降。

      (三)温差变化

      混凝土在施工期间,外界气温变化的影响很大。混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和,外界气温愈高,混凝土的结构温度也愈高,如外界温度下降,会增加混凝土的降温幅度,特别是在外界气温骤降时,会增加外层混凝土与内部混凝土的温差。温度应力是由温差引起的变形造成的,温差愈大,温度应力也愈大。混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。

      (四)混凝土收缩变形

      实际工程中,混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。混凝土中含有大量空隙、粗孔及毛细孔,孔隙中存在水分,而水分的活动将影响到混凝土的一系列性质,引起混凝土的收缩变形,导致裂缝的产生。混凝土的收缩变形主要有以下几种形式:

  •   1.自由收缩。它是混凝土硬化过程中由于化学作用引起的收缩,是化学结合水与水泥的化合结果。

  •   2.塑性收缩。混凝土浇筑初期,水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现水分急剧蒸发现象,引起混凝土失水收缩,此时骨料与胶合料之间产生不均匀的收缩变形。

  •   3.碳化收缩。它是指大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。

  •   4.干缩。水泥石在干燥和水湿的环境中要产生干缩和湿胀作用,最大的收缩发生在第一次干燥之后。

      土木工程

      (五)钢筋锈蚀引起的裂缝

      由于保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长几倍,从而产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂,沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗到混凝土表面。

      (六)冻胀引起的裂缝

      大气气温低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水在微观结构中迁移和重分布引起渗透压,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重,成龄后混凝土强度损失很大。当混凝土中骨料空隙多、吸水性强,骨料中含泥土等杂质过多,混凝土水灰比偏大、振捣不密实,养护不力使混凝土早期受冻等,均可能导致混凝土冻胀裂缝。

      (七)施工方法和施工工艺质量的原因

      在混凝土结构构件制作、运输、安装过程中,施工方法不合理、施工质量较低,容易产生各种形式的裂缝,产生裂缝的原因主要有以下几方面:

  •   1.骨料进场控制不严:碎石厂对碎石的分级生产控制不严格,施工单位进场的石子混堆、混放,导致混凝土拌合物和易性性能差,造成混凝土质量波动,质量差的混凝土容易产生裂缝。

  •   2.施工前对支架压实不足或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架不均匀下沉;施工时模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于混凝土自重和侧向压力的作用使得模板变形。

  •   3.混凝土浇筑供料速度不及时,连续性差,搅拌时间控制不好。

  •   4.混凝土浇筑过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大。

  •   5.混凝土振捣不密实、不均匀,漏振或过振,出现蜂窝、麻面、空洞,导致截面削弱、钢筋锈蚀或其他荷载裂缝。

  •   6.混凝土养护不到位,会使混凝土的水分流失,混凝土失水后表面产生拉应力混凝土开裂,出现不规则的裂缝。

  •   7.施工时拆模过早,混凝土强度不足,使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

      桥梁工程、土木工程

      二、桥梁混凝土裂缝的控制与预防措施

      针对以上提及的几种原因,应该采取以下几种措施来控制与预防桥梁混凝土裂缝的产生。

      (一)设计措施

  •   1.采取合理的结构形式和合理的分块。混凝土工程施工中如果允许设置水平施工缝,应根据温度裂缝的要求进行分块,且设置必要的连接方式。

  •   2.合理布置分布钢筋:尽量采用小直径、密间距布筋,结构边缘处或变截面处需要加强分布筋,表面可以设置钢筋网片。

  •   3.为防止钢筋产生锈蚀裂缝,设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度。

  •   4.合理地进行建筑物在使用阶段的沉降计算,以控制由于地基不均匀沉降产生的宽裂缝。

      (二)优选混凝土原材料

      优选混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能力。

  •   1.采用低水化热的水泥。由于矿物成分及掺加混合材料数量不同,水泥的水化热差异较大。铝酸三钙和硅酸三钙含量高的,水化热较高;混合材料掺量多的水泥水化热较低。为减小水泥水化热,降低混凝土绝热温升和混凝土内部温度,从而减小内外温差,应选用低水化热的水泥产品。

  •   2.掺粉煤灰。可以用适量粉煤灰取代一部分水泥以削减水化热产生的高温峰值。混凝土中掺用粉煤灰后,可提高混凝土的抗渗性、耐久性,减少收缩,降低胶凝材料体系的水化热,提高混凝土的抗拉强度,抑制碱集料反应,减少新拌混凝土的泌水等。

  •   3.骨料的选用。应优先选用热膨胀系数小、含泥量低的骨料,并强调骨料的连续级配,条件许可时,应尽可能使用粒径大的骨料。之所以这样,因为一方面骨料本身的强度就远大于水泥胶体,另一方面,采用连续级配的骨料,可以提高骨料在混凝土中的所占体积,能大幅度降低水泥用量,从而间接地降低水化热。

  •   4.优化混凝土配合比。认真进行混凝土配合比设计,通过试验确定施工中采用的配合比。严格控制砂石骨料的含泥量,在满足混凝土设计强度等级、混凝土各项性能要求以及泵送混凝土流动性要求情况下,选取节省水泥,降低混凝土绝热温升。

      (三)地基处理

  •   1.尽可能以桩柱式(坐于岩盘上的重力式基础除外)基础及下部的形式加宽,避免下部产生不均匀沉陷。

  •   2.对基底采取夯实、换填夯实等,使沉降均匀,基底的埋深要考虑冻土的影响;对刚性扩大基础,建议对下部结构联成一体,并尽量对基底进行技术处理,尽可能减少不均匀的沉陷。

  •   3.新建基础的承载能力要比原有基础适当提高;加强横向连接,降低沉降对新旧接缝处受力的影响。

  •   4.增加桥面水泥混凝土铺装的刚度,这是提高桥梁上部结构整体性的重要措施;

  •   5.在做桥梁上部结构设计时,把基础不均匀沉降作为荷载适当加以考虑。

      (四)采取合适的施工措施

      合适的施工方法不仅能降低混凝土内的最高温度,还能减小混凝土的内外温差,有效地降低温度裂缝的产生,达到控制裂缝的目的。

      桥梁浇筑

      1.浇筑方案。

      在混凝土施工过程中,为了有效降低混凝土的内外温差,常采用分块浇筑。分块浇筑又可分为分层浇筑法和分段跳仓浇筑法两种。分层浇筑法目前有全面分层法、分段分层法、斜面分层法3种浇注方案。全面分层浇筑是在第一层全面浇筑完毕后,开始浇筑第二层时,已施工的第一层混凝土还未初凝,如此逐层进行,直至浇筑完成;分段分层浇筑,适用于厚度不大而面积或长度较大的工程,施工时混凝土先从底层开始浇筑,进行至一定距离后再浇筑到第三层,如此依次向前浇筑其他各层;斜面分层适用于结构的长度超过厚度的三倍的浇筑层,振捣上作从浇筑层的下端开始,逐渐上移,此时向前推进的浇筑混凝土摊铺坡度应小于1: 3,以保证分层混凝土之间的施工质量。

      在时间允许的条件下,可将混凝土结构采用分层多次浇注,施工层之间按施工缝处理,即薄层浇筑技术,它可以使混凝土内部的水化热得以充分地散发,应该注意的是分层浇筑的间歇时间。目前水工混凝土中遵循的原则是薄层短间歇,对施工缝的处理要求十分严格;而在桥梁混凝土施工中,由于体积相对较小,多采用一次性整体浇筑和全面分层多次浇筑。

      2.振捣工艺。

      采用二次振捣技术,即是浇灌后的混凝土,在振动界限以前,给予二次振捣,改善混凝土强度,提高抗裂性,能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和孔隙,提高混凝土与钢筋的握裹力,防止因混凝土沉落而出现的裂缝,以减小内部微裂,增加混凝土密实度,从而可使混凝土抗压强度提高10-20%左右。

      3.降低混凝土浇筑温度的措施。

      混凝土因为水化热引起体积变化,以及因为环境温度的周期变化均会引起开裂,如果把混凝土的初始温度降低到一定程度,使之产生的温差较小,从而产生的拉应力小于混凝土抗拉强度,可以避免混凝土开裂。降低浇筑温度的具体措施包括:

      ①浇筑前预冷混凝土;

      ②降低原材料温度,如做好水泥散热、骨料浇水冷却和预冷等;

      ③采用冷却拌和水与加冰拌和;

      ④减少运输途中的热量倒灌,包括减小运输距离,采用特制的保温罐车,用保温材料包裹混凝土泵送管道等。

      (五)混凝土养护

      刚浇筑的混凝土、强度低、抵抗变形能力小,如遇到不利的温湿度条件,其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度,防止表面裂缝的发生。

      混凝土表面压平后,先在混凝土表面洒水,再覆盖一层塑料薄膜,然后在塑料薄膜上覆盖保温材料进行养护,保温材料夜间要覆盖严密,防止混凝土暴露,中午气温较高时可以揭开保温材料适当散热。底层塑料布下预设补水软管,补水软管间距6-8m,沿管长度方向每100mm开5mm水孔,根据底板表面湿润情况向管内注水,养护过程设专人负责。

      桥梁裂缝

      三、裂缝修补必要性的判定

      (一)裂缝修补必要性的判定

      钢筋混凝土结构中,受拉钢筋的应变总是大大超过砼的极限拉伸应变,裂缝产生不可避免。按耐久性要求,当裂缝宽度

      (二)裂缝修补的方法

      裂缝修补的常用方法主要有表面封闭修补法、压力灌浆修补法、表面粘贴钢板法等方法,在实际运用时应根据不同的情况进行判定。其中表面封闭法一般用于较浅的裂缝或裂缝基本稳定不再继续发展的情况,通过采取填缝、表面抹灰、凿槽嵌补等手段对裂缝进行封闭,阻止由于裂缝产生使得内部钢筋受到侵蚀。表面粘贴钢板法既可达到封闭裂缝的目的,又能提高结构强度和刚度,一般用于裂缝较大且影响结构使用需进行加固的情况。随着技术的发展,新型材料的不断涌现,目前又出现了碳纤维材料,由于其质轻强度高,已有逐步取代钢板成为修补裂缝、加固结构的主要材料的趋势,但国内还处于测试其性能的试用阶段。另一种方法是压力灌浆修补法,此种方法通过施加压力将浆液灌入结构内部裂缝中,在封闭裂缝和恢复提高结构强度、耐久性和抗渗性上效果显著,这里做重点介绍。

      压力灌浆法根据灌浆的材料不同可分为三类:即水泥、石灰灌浆、化学灌浆和沥青灌浆。由于压灌浆液的种类很多,用途也有所不同,因此仅就修补桥梁结构裂缝中应用较多的水泥灌浆和化学灌浆作重点叙述。

      1、水泥灌浆法

      水泥灌浆法所采用的材料为标号不低于425号的普通水泥,水泥浆液通过砼中用不同方法钻成的孔眼灌入裂缝中。钢筋混凝土结构的水泥灌浆压力一般为4.05×105~6.08×105,在灌浆施工中灌浆压力和浆体稠度可根据实际情况进行调整,对于可灌性好且灌浆量不大的情况下可始终使用同一个压力和同一个稠度;对于裂缝粗细不均匀、灌浆渗漏较大的情况可适当调整压力和稠度,宜先低压后高压,先稀浆后稠浆。

      2、化学灌浆法

      采用化学材料灌浆修补结构裂缝,可以大大改善灌浆材料的可灌性能,并可灌入0.3mm或更细小些的裂缝,施工机械简单操作简便,补强效果好,在桥梁结构裂缝病害处理中得到广泛应用。

      常用的灌缝材料有环氧树脂类和丙烯酸酯类两大类:

      环氧树脂类灌浆材料是一种补强、固结灌浆材料,可用于各种原因造成的桥梁结构裂缝缺陷。环氧树脂类灌浆材料按稀释剂的不同又分为非活性稀释剂体系材料、活性稀释剂体系材料和糠醛-丙酮稀释剂体系材料;

      丙烯酸酯类灌浆材料是一种固结性能良好的高分子化学灌浆材料,可灌入0.3mm及更细小的裂缝中,并与砼有较好的粘结能力,收缩性、吸水性均小,耐化学性好,聚合凝固时间可控制在几分钟到几小时,在施工中非常容易操作。

      3、灌浆工艺

      水泥灌浆施工工艺。分为裂缝检查及处理、钻孔及清孔、止浆或堵漏处理、压水(风)试验、灌浆、封孔及质量检查六个工序,主要是在构件上钻孔至裂缝面(除骑缝浅孔外不得顺裂缝钻孔),并要求钻孔轴线与裂缝面的交角>30度,孔深应穿过裂缝面0.5m以上(指墩台部分)。孔眼钻好后用水冲洗干净,同时用压缩空气吹干,并用水泥砂浆或环氧砂浆做止浆堵漏处理。在工程量较大时宜用灌浆机或活塞推送式压灌泵,在工程量不大时可使用手压浆泵或注射器施工。

      化学灌浆工艺与水泥灌浆的施工工艺基本相同,具体做法上有所差异,主要也分为六个施工步骤:

      首先是对裂缝进行检查和清理,并对修补部位进行详细检查和记录;

      其次是每隔一定间距在裂缝表面钻孔,并在钻孔处埋设灌浆嘴;

      第三步是嵌缝止浆,即用玻璃丝布对其余裂缝全部封闭;

      第四步是压水或压气试验,以检查裂缝的封闭和灌浆嘴的畅通情况;

      第五步是灌浆,这是化学灌浆的主要步骤;

      第六步是收尾处理,即待灌浆液固化后拆除灌浆嘴,并在处理后的表面刷水泥浆确保封闭严实且与原混凝土色彩一致。

      四、结束语

      桥梁裂缝病害一直是困扰桥梁结构安全的一大技术难题,由于设计疏漏、施工低劣、监理不力、养护不善均可能使混凝土桥梁出现裂缝。在桥梁混凝土施工过程中,采用合理的设计措施,正确选择原材料,采用科学的施工措施,严格施工管理,就可以提高混凝土本身抗拉性能,减少混凝土裂缝的产生,保证工程质量,避免因出现裂缝而影响工程的质量甚至导致结构垮塌的事故的发生。

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