混凝土桥梁裂缝的产生及其控制措施

在桥梁建造和使用过程中,大体积商品混凝土裂缝经常出现。大体积商品混凝土的裂缝是由于大体积商品混凝土内部应力和外部荷载作用,以及温度变化等因素作用下形成的。一般正常大气条件下,荷载组合I作用下宽度小于0.2 mm的裂缝,荷载组合Ⅱ、Ⅲ作用下宽度小于0.25 mm的裂缝以及处于严重暴露情况下,宽度小于0.1 mm的裂缝都属于正常的工作裂缝。超出以上范围的裂缝属于非正常裂缝,终究会影响结构物的耐久性。并且有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下,不断扩展,不但会影响大体积商品混凝土表面的美观、减小钢筋的大体积商品混凝土保护层厚度,而且易引发大体积商品混凝土面层剥落,加速钢筋的锈蚀,降低大体积商品混凝土的抗冻性及耐久性,严重时甚至发生垮塌事故,所以必须加以控制。
一、商品混凝土裂缝产生的原因
大体积商品混凝土结构通常具有以下特点:商品混凝土是脆性材料,抗拉强度只有抗压强度的1/10左右。大体积商品混凝土的断面尺寸较大,由于水泥的水化热会使商品混凝土内部温度急剧上升;以及在以后的降温过程中,在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。大体积商品混凝土结构中通常只在表面配置少量钢筋,或者不配钢筋。因此,拉应力要由商品混凝土本身来承担。
1、荷载引起的裂缝
大体积商品混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称为荷载裂缝,归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。产生原因有:
1)对结构进行计算时,计算模型不合理,结构受力假设与实际受力不符,荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误,结构安全系数不够;结构设计未考虑施工的可行性,设计截面不足;钢筋设计偏少或布置错误,结构刚度不够等⋯。2)施工时不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图施工、擅自更改结构施工顺序、改变结构受力模式;未对结构作疲劳强度验算等。3)在使用阶段,超过设计荷载的重型车辆过桥、车辆撞击、发生大风、大雪、地震、爆炸等。
2、 温度变化引起的裂缝
商品混凝土具有热胀冷缩的性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,商品混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过商品混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝的特征主要是表面裂缝的走向一般无规律性,深层或贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行;裂缝宽度大小不一,受温度变化的影响热细冷宽。
3、收缩引起的裂缝
大体积商品混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的,塑性收缩和缩水收缩(干缩)是发生商品混凝土体积变形的主要原因,另外还有自身收缩和碳化收缩。收缩裂缝产生的主要原因是由于商品混凝土快速干燥,商品混凝土内水分的蒸发速率大于其泌水速率,在固体颗粒水面产生毛细管张力,商品混凝土自体收缩所产生的拉应力大于商品混凝土本身的抗拉强度而产生裂缝。收缩引起的裂缝是不规则斜裂缝,在钢筋以上,似龟纹,常开始出现在现浇商品混凝土后数周或数月之间。
4、地基基础变形引起的裂缝
基础不均匀沉降的主要原因有:
1)由于商品混凝土在塑性状态下其基础、支架等有不均匀沉降,使局部商品混凝土变形受约束而产生裂缝。
2)由于重力作用使商品混凝土中较重颗粒下沉而使水泥浆上浮,当这种下沉受到钢筋、模板作用时就会产生裂缝。
5、钢筋锈蚀引起的裂缝
由于大体积商品混凝土质量较差或保护层厚度不足,商品混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,使钢筋周围商品混凝土碱度降低,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商品混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2倍～4倍,从而对周围商品混凝土产生膨胀应力,导致保护层商品混凝土开裂、剥离,沿钢筋纵向产生裂缝。
6、冻胀引起的裂缝
当大气温度低于零度时,吸水饱和的商品混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%,因而商品混凝土产生膨胀应力;同时商品混凝土凝胶孔中的过冰水(结冰温度在一78℃以下)在微观结构中迁移和重分布,使商品混凝土中膨胀力加大,商品混凝土强度降低,导致裂缝出现。
二、大体积商品混凝土裂缝的控制措施
1、 掺加外加料和外加剂
在大体积商品混凝土中掺入一定量的粉煤灰后,可以增加商品混凝土的密实度,提高抗渗能力,改善商品混凝土的工作度,降低最终收缩值,减少水泥用量。要降低大体积商品混凝土的水泥水化热引起的内部温升,防止结构出现温度裂缝,利用粉煤灰作商品混凝土的掺合料是最有效的方法之一。外加剂可以从以下几个方面来选择。UFA 膨胀剂,它可以等量替换水泥。并且是商品混凝土产生适度的膨胀。一方面保证商品混凝土的密实度,另一方面使商品混凝土内部产生压力,以抵消商品混凝土中产生的部分拉应力。
2、大体积商品混凝土的骨料控制
在骨料的选择上应该选取粒径大强度高级配好的骨料。这样可以获得较小的空隙率及表面积,从而减少水泥的用量,降低水化热,减少干缩,减小了商品混凝土裂缝的开展。
3、优化大体积商品混凝土的设计
虽然大体积商品混凝土不布置钢筋或者布筋较少,我们还是可以在裂缝易发生部位如孔洞周围以及转角处布置一些斜筋,从而让钢筋代替商品混凝土承担拉应力,这样可以有效的控制裂缝的发展。为了避免裂缝的出现,在设计中利用中低强度底水泥充分利用商品混凝土的后期强度。在工程结构设计中要特别注意降低结构的约束度。对于商品混凝土中钢筋保护层的厚度应当尽量取较小值,因为保护层的厚度愈大愈容易发生裂缝。
4、大体积商品混凝土的施工
商品混凝土施工包括商品混凝土的生产、运输、浇筑和温度及表面保护,是保护大体积商品混凝土温度裂缝的关键环节。而热应力的控制手段主要是控制商品混凝土的内外温差△T:
△T=Tp+Tr-Tf
式中:Tp ―起始浇筑温度;Tr ―水泥水化温升;Tf―天然或人工冷却后浇筑块的稳定温度。
在温度较高的情况下进行施工,我们一定要注意降低商品混凝土浇筑时的温度。可以在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖,以减少阳光对其的辐射,同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向商品混凝土中添加冰水。以上这些措施都可以有效的降低商品混凝土的入模温度。
如果是在冬季进行施工,因为要防止早期商品混凝土被冻问题,所以要求商品混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。商品混凝土浇筑温度在冬季施工时一般以5℃～10℃为宜,在浇筑商品混凝土以前还应该对基础及新商品混凝土接触的冷壁用蒸汽预热,对原材料应视气温高低进行加热。加热石料时应避免过热和过分干燥,最高温度不应超过75℃。另外还要注意运输中的保温、浇筑过程中减少热量的损失以及保温养护。
综上所述,虽然大体积商品混凝土很容易产生裂缝,但是大量的科学研究以及成功的工程实例都表明:只要我们在设计、施工工艺、材料选择以及后期的养护过程中能够充分考虑的各种因素的影响,还是完全可以避免危害结构的裂缝的产生。
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