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是克服和控制裂缝、保证桥梁正常使用的关键物理类裂缝由荷载、温度、变形、约束等因素造成,文章浅谈了混凝土桥梁裂缝的原因
关键词:桥梁裂缝,荷载 造成混凝土桥梁裂缝种类繁多,不同的裂缝对桥梁的危害各有轻重
混凝土桥梁裂缝按产生原因分为物理类裂缝和化学类裂缝,而物理类裂缝是最常见而且最难预防和控制的
正确地分析裂缝出现的原因,是克服和控制、保证桥梁正常使用的关键、物理类裂缝是因为温度荷载、梯度、收缩、变形、约束等各种因素,导致混凝土内部或表面产生应力和应力变化,同时与混凝土增长中强调之间不相适应而产生和发育的
文章具体分析了桥梁混凝土裂缝的物理成因
一、 荷载裂缝 在工程实践中,由荷载引起的裂缝占总混凝土桥梁裂缝的20%左右
荷载裂缝是混凝土桥梁在静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝,主要分直接应力裂缝和次应力裂缝
直接应力裂缝是指混凝土桥梁在外荷载引起的直接应力产生的裂缝;次应力裂缝是指混凝土桥梁由外荷载引起的次生应力产生的裂缝
荷载裂缝产生的原因主要有:在设计计算阶段,计算模型不合理;设计断面不足;结构计算时部分荷载漏算;构件处理不当,钢筋设置偏少或布置错误;设计图纸交代不清等
在施工阶段,不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工,擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模式;不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等
在桥梁使用阶段,超出设计载荷的重型车辆频繁过桥;受船舶撞击等
次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因
次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质,仅是按常规一般不计算,但目前次应力裂缝也是可以做到合理验算的
在设计上,应注意避免结构突变(或断面突变),当不能回避时,应做局部处理,如转角处做圆角,突变处做成渐变过渡,同时加强构造配筋,转角处增配斜向钢筋,对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢
混凝土桥梁的荷载裂缝特征依荷载不同而呈现不同特点,其分布规律是沿主拉应力方向开展,其走向与主拉应力方向垂直
荷载裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位
如受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝,即表明混凝土桥梁达到承载力极限,其原因多是截面尺寸偏小
根据混凝土桥梁结构的不同受力方式,产生的裂缝特征主要有中心受拉、中心受压、受弯、大偏心受压、小偏心受压、受剪、受扭、受冲切和局部受压
二、 温度裂缝 温度裂缝区别于其他裂缝最主要的特征是随温度变化而扩张或合拢
因此研究引起混凝土桥梁温度变化的因素,对减少温度裂缝至关重要
引起混凝土桥梁温度变化的主要因素有:年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等
其中日照和骤然降温时导致混凝土桥梁温度裂缝的最常见原因
尤其对大体积混凝土桥梁施工中的温度控制,是控制温度裂缝产生的关键
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,则在结构内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝
在某些大跨径混凝土桥梁中,温度应力可以达到甚至超出荷载应力
三、 收缩裂缝 混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错,成龟裂状,形状没有任何规律
塑性收缩发生在施工过程中、混凝土浇注后4~5h左右,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失去收缩,同时骨料因自重下沉,此时混凝土尚未硬化
塑性收缩所产生量可达1%左右
在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝
在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处,因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝
缩水收缩
混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,湿度逐步降低,混凝土体积减小,称为缩水收缩
因混凝土表层水分损失快,内部损失慢,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力,表面混凝土承受压力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝
自生收缩是混凝土在硬化过程中,水泥与水发生水化反应,这种收缩与外界湿度无关,且可以是正的,也可以是负的
另外,当大气中的CO2与水泥的水化物发生化学反应引起的炭化收缩
四、 地基变形裂缝 由于地基不均匀沉降或水平方向位移,使混凝土桥梁结构中产生附加应力,超出混凝土结构的抗拉力能力,导致结构开裂
地基不均匀沉降的主要原因有:地址勘察精度不够、试验资料不准;地基地质差异太大;结构荷载差异太大;结构基础类型差别大;分期建造基础;地基冻胀;桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质;桥梁建成以后,原有地基条件变化
对于拱桥等产生水平推力的结构物,对地质情况掌握不够、设计不合理和施工时破坏了原有的地质条件是产生水平位移裂缝的主要原因
五、 钢筋锈蚀裂缝 由于混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层CO2侵蚀炭化至钢筋表面,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,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,混凝土中钢筋的锈蚀主要是电化学过程
其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2~4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离、沿钢筋纵向产生裂缝
由于锈蚀,使得钢筋有效断面面积减小,钢筋与混凝土握裹力消弱,结构承载力下降,并将诱发其它形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏
六、 冻胀裂缝 大气气温低于零度时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水因结冰使其体积增大9%,使混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度≤-78℃)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,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可达30%-50%.冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施,也可能发生混凝土沿管道方向冻胀裂缝. 七、 施工裂缝 在混凝土桥梁结构浇注、构件制作、起膜、运输、堆放、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生表面的、深进的和贯穿的各种裂缝,特别是细长薄壁结构更容易出现
裂缝出现的部位和走向、裂缝的宽度因产生的原因而异,比较典型的有:混凝土保护层过厚,或乱踩已绑扎结实放入上层钢筋,使承受负弯矩的受力筋保护层加厚,导致构件的有效高度减小,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝
混凝土振捣不密实、不均匀,出现蜂窝、麻面、空洞,导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝
混凝土浇注过快,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,容易在浇注数小时后发生裂缝,即塑性收缩裂缝
混凝土搅拌、运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土坍落度过低,使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝
工程实践和理论分析表明,几乎所有的混凝土桥梁均是带缝工作的,只是有些裂缝很细,甚至肉眼看不到(<0.05mm),一般对混凝土桥梁的危害很小,可以不处理;有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下不断产生和扩展,引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀,使混凝土的强度和刚度受到削弱,耐久性降低,严重时甚至发生混凝土桥梁坍塌事故,危害混凝土桥梁的正常使用,所以,必须加强对桥梁混凝土裂缝的研究,严格控制此裂缝的产生和扩展
就其早期出现的裂缝的原因、特点、分类及其危害进行了阐述,对如何防止和减少水泥砼路面早期裂缝提出了有效的对策
同时告诫广大施工人员对此病害的内因与外因,不能孤立去研究,而应综合分析,全面考虑,研究制定确保工程质量、减少经济损失的方案
关键词:混凝土路面,裂缝,危害,探讨 水泥砼路面的突出优点是:强度高,使用周期长,正常维护费用低;其突出缺点是:一次性投资大,对损坏难以修复
因此,如何进一步利用水泥砼路面的优点,克服其缺点,延长使用年限,对今后砼路面的修建是有实际意义的
在砼路面的施工中,无论在技术上,在管理上,仍有不少教训,值得我们去反思研讨
水泥砼路面早期裂缝危害的潜在因素及防治就是其中的重要课题
本文所指的早期裂缝是指:凡是在道路开放交通前产生的裂缝,均称作早期裂缝
随着水泥砼路面的发展,其病害也不断增加,特别是在夏季或冬季施工的路面,早期裂缝的现象更为严重
可见,早期裂缝对砼路面的危害十分普遍,对其如何防护和处理显得十分重要
根据“早裂”的潜在成因及外部条件的影响,初步归纳后,可将早期裂缝分为四种,分别是:沉降裂缝;干缩裂缝;温度裂缝;施工裂缝
一、沉降裂缝 砼浇筑后,水泥和骨料自然下沉,同时引起泌水,在沉降过程中发生的裂缝
产生沉降裂缝主要原因,是砼浇筑后,水泥和骨料在下沉阶段,如受到钢筋和其它埋件的局部阻碍、模板移动、基础沉降,使该处砼产生拉应力和剪应力时,该处就会产生沉降裂缝
裂缝一般均在浇筑后1~3小时产生,属硬化前裂缝
发现后迅速进行处理,可重新加压抹平,使裂缝闭合,能达到较好效果
沉降是砼特性之一,完全避免是不可能的
但沉降有一定限度,随着各粒子间的相互接触,水泥浆的逐步凝结,将导致沉降停止
沉降量与单位用水量成正比
即单位用水量愈大,泌水率愈大,沉降量也愈大
为防止和减少沉降裂缝,应从以下三方面着手: (1)在保证砼和易性的条件下,降低砼的单位用水量,使用干硬性砼
(2)选择在沉降结束以前快速硬化,而又不失去粘结力的水泥和外加剂
(3)施工良好震捣,消除因泌水产生的水膜而减少砼沉降
二、干缩裂缝 水泥砼浇筑后,在硬化的过程中,由于水泥水化生成物的体积比原来物质的体积小,加上游离水在空气中蒸发及凝胶体失水而紧缩,随着砼何体积收缩产生拉应力,当拉应力大于当时砼的抗拉强度,而产生干缩裂缝
裂缝的主要特征:表面开裂,纵横交错,没有一定规律;缝宽和长度都很小,与发丝相似,不注意时较难发现
干缩裂缝是砼路面早期裂缝中最常见危害之一
因内外研究资料表明,砼的干燥收缩也是砼特性之一,正是因为这一特征,能使砼密实,提高砼与钢筋之间的粘结力
但是干缩量超过一定程度就会产生裂缝
干缩裂缝的产生与使用材料、配合比、板块尺寸、养护条件、外加剂等有密切关系,根据对干缩裂缝的认识,对其成因分述如下: (1)在冬季或夏季施工,往往由于养护不及时,让砼风吹日晒,造成砼表面水分蒸发速度过快,超过了泌水速度,因而产生干缩裂缝
(2)对于塑性砼来说,从凝结到硬化结束,就是早期收缩期间,也是砼快速失去塑性的过程
此时,如果砂率过大,石料含泥量过多,或是采用干缩量较大的水泥,都会造成砼过量收缩而产生裂缝
多年实践证明:水泥标号越高,收缩越大;矿渣水泥比普通水泥收缩大;级配骨料粒径越小,收缩愈大;生产干缩裂缝危害的机会就越大
为防止干缩裂缝产生,首要任务是消除一切可能诱导“干裂”产生的因素
主要应从以下三方面入手: (1)根据不同气候条件,选用合理级配
正确选用水泥、石料、砂率、用水量、外掺剂等,从减少干缩率,来防止干缩裂缝
(2)严格施工管理,防止水分过量蒸发,捣筑后,及时采用凉棚或其它遮盖物,将砼覆盖起来,避免风吹干燥,日光直接照射,进入养护期后,注意养生
(3)不同外加剂及剂量,对砼干缩率有一定影响
因此,掺配外加剂前应对干缩率作试验后,再确定是否掺配和掺配量
三、温度裂缝 水泥砼具有热胀冷缩的性质
由于水泥水化作用,是伴随发热的化学反应,所以,在硬化的过程中释放大量热能,使温度上升
经参考有关实测资料,在通常温度范围内,砼温度上升1℃,每米膨胀0.01毫米
这种温度变形,对大面积砼板块,极为不利
砼路面板的内部温度增高有时可达到40~60℃,使内部砼产生显著的体积膨胀,而板面砼随着晚上气温降低,湿水养护而冷却收缩
内部膨胀与外部收缩,互相制约,产生很大拉应力,而外部砼所受拉应力一旦超过砼当时的极限抗拉强度时,板块就会产生裂缝
经几年来现场观察温度裂缝的结果是:横向裂缝多于纵向裂缝,板中裂缝多于板边裂缝,缝宽大小不一,受温度影响大
另外,在某些路段,因踞缝不及时,而在靠近设计伸缩缝处,发生了走向较规则的温度裂缝,这种情况在香港大道施工时曾多次出现
对温度裂缝的处理,尚未较成熟的办法
按常规整块打掉,返工重浇,浪费较大
我市常用办法是用切割机垂直切除损坏部分,破除运走,重新浇筑单层钢筋砼,以保证损坏块的强度及稳定性
对于温度裂缝,应该树立以防为主的思想
在施工管理的过程中,我们积累了不少的好经验和预防措施
综合起来,主要有下面三条: (1)砼单位骨料用量愈大,其热膨胀系数愈小
水泥浆含量愈多,则砼膨胀系数愈大
因此,合理选择级配,采用水化热较低水泥,减少水泥及用水量,降低砼膨胀值,是防止温度裂缝的主要途径
(2)施工管理中,应注意人工降温措施,对表层砼采取保温保湿防护措施,减少温度变形
(3)对于大面积砼路面施工,应该做到及时锯缝,这是防止温度裂缝的有效措施
四、施工裂缝 在砼早期裂缝中,可以说没一种裂缝不与施工因素有关
施工裂缝主要是指由施工因素产生的裂缝
从我市市政道路施工中比较常见的施工裂缝,追踪其成因主要有两方面: (1)震捣不够,拆摸过早,因而引起砼表面和边部开裂
(2)在不中断交通的情况下,分边施工,先期施工的砼板块通车后,影响新浇筑的板块,产生震动裂缝
对防止施工裂缝的产生,并非一个纯技术问题,在很大程度上是施工管理问题
只要严格加强施工质量,正确执行施工技术操作规程,因施工因素产生的裂缝是可以防止和避免的
五、结束语 水泥砼路面早期裂缝的产生,其内因与外部条件,非常复杂
既有单一因素,也有综合因素
因此我们对某一种裂缝的产生,也不应看到孤立,应综合进行分析研究,以确保水泥砼路面的工程质量,减少早期裂缝所造成的损失
参考文献: 1、王景峰,路基路面施工与养护技术,人民交通出版社,2005.12 2、江苏省交通厅公路局,水泥混凝土路面技术委员会,公路水泥混凝土路面养护技术规范(JTJ073.1-2001),江苏教育出版社,2001.9 3、张雄主编,混凝土结构裂缝防治技术,化学工业出版社,2007.1