橋梁橫梁裂縫原因淺析及處理

  裂縫產(chǎn)生的原因是多方面,并不是由單一原因造成的,它的多因性也經(jīng)常困擾著工程技術(shù)人員,要想控制或減少裂縫的產(chǎn)生,有必要了解其產(chǎn)生機(jī)理,在施工中加以控制。

  浙江某大橋0號(hào)塊在支架上現(xiàn)澆,從當(dāng)天上午開始澆注,第二天上午完成,共澆注時(shí)間約為25個(gè)小時(shí)。第四天開始拆模,在所有現(xiàn)澆支架均未拆除的情況下一拆模就發(fā)現(xiàn)有多條裂縫,寬度較大。根據(jù)檢測單位的檢測報(bào)告,最大的裂縫寬度達(dá)到1.4mm,而且是貫通的,橫梁的發(fā)展趨勢基本是從底面向上發(fā)展。

  1 裂縫產(chǎn)生原因綜述
  
裂縫產(chǎn)生的形式和種類很多,正確判斷和分析混凝土裂縫的成因是有效控制和減少混凝土裂縫產(chǎn)生的最有效途徑。

  廣義上講,裂縫產(chǎn)生有兩種原因。一種是由荷載引起的,我們稱這種裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫,是承載力不足的結(jié)果;另一種為由于變形受約束引起的,此類裂縫稱為非機(jī)構(gòu)性裂縫,如溫度變化、混凝土收縮、基礎(chǔ)不均勻沉降等因素引起的變形,當(dāng)變形受到約束,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生次應(yīng)力,由于混凝土的早期抗拉強(qiáng)度比較低,因此產(chǎn)生的次應(yīng)力很容易就超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度,引起混凝土開裂。

  1.1 混凝土的收縮
  
收縮是混凝土的一個(gè)主要特性,對混凝土的性能有很大影響。由于收縮而產(chǎn)生的微觀裂縫一旦發(fā)展,則有可能引起結(jié)構(gòu)物的開裂、變形甚至破壞。產(chǎn)生收縮裂縫的原因,一般認(rèn)為在施工階段因水泥水化熱及外部氣溫的作用引起混凝土收縮而產(chǎn)生的裂縫。多為規(guī)則的條狀,很少交叉。研究結(jié)果表明混凝土干縮率大體在(2~10)/萬的范圍內(nèi)。收縮裂縫多發(fā)生在混凝土表面上,裂縫較淺而細(xì),對于高度較大的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,一般在腰部產(chǎn)生豎向裂縫,且多集中在構(gòu)件的中部,中間寬兩頭窄,至梁的上緣及下緣逐漸消失,呈“棗核”形。如養(yǎng)護(hù)不周、時(shí)干時(shí)濕,表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束,也往往導(dǎo)致裂縫。

  1.2 混凝土材料及配合比
  
配合比設(shè)計(jì)不當(dāng)直接影響混凝土的抗拉強(qiáng)度,是造成混凝土開裂不可忽視的原因。配合比不當(dāng)指水泥用量過大,水灰比大,含砂率不適當(dāng),骨料種類不佳,選用外加劑不當(dāng)?shù)?,這幾個(gè)因素是互相關(guān)聯(lián)的。有關(guān)試驗(yàn)資料顯示:用水量不變時(shí),水泥用量每增加10%,混凝土收縮增加5%;水泥用量不變時(shí),用水量每增加10%,混凝土強(qiáng)度降低20%,混凝土與鋼筋的粘結(jié)力降低10%??偨Y(jié)的原因有如下方面:

  (1) 粗細(xì)集料含泥量過大,造成混凝土收縮增大。集料顆粒級(jí)配不良或采取不恰當(dāng)?shù)拈g斷級(jí)配,容易造成混凝土收縮的增大,誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生;

  (2) 骨料粒徑越細(xì)、針片含量越大,混凝土單方用灰量、用水量增多,收縮量增大;

  (3) 混凝土外加劑、摻和料選擇不當(dāng)、或摻量不當(dāng),嚴(yán)重增加混凝土收縮;

  (4) 水泥品種原因,礦渣硅酸鹽水泥收縮比普通硅酸鹽水泥收縮大。

  1.3 施工及現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)原因
  
(1) 現(xiàn)場澆搗混凝土?xí)r,振搗或插入不當(dāng),漏振、過振或振搗棒抽撤過快,均會(huì)影響混凝土的密實(shí)性和均勻性,誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生。

  (2) 高空澆注混凝土,風(fēng)速過大、烈日暴曬,混凝土收縮值大。

  (3) 大體積混凝土澆注,對水化計(jì)算不準(zhǔn)、現(xiàn)場混凝土降溫及保溫工作不到位,引起混凝土內(nèi)部溫度過高或內(nèi)外溫差過大,混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。

  (4) 現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)措施不到位,混凝土早期脫水,引起收縮裂縫。

  (5) 現(xiàn)場模板拆除不當(dāng),引起拆模裂縫或拆模過早。

  這些因素都會(huì)造成混凝土較大的收縮,致使混凝土微觀裂縫迅速擴(kuò)展,形成宏觀裂縫。養(yǎng)護(hù)是使混凝土正常硬化的重要手段,養(yǎng)護(hù)條件對裂縫的出現(xiàn)有著關(guān)鍵的影響。

  1.4 外界因素
  
支架不均勻沉降,產(chǎn)生沉降裂縫。

  1.5 溫度裂縫
  
混凝土硬化中,水泥放出大量水化熱(內(nèi)部溫度可達(dá)70℃),造成其內(nèi)外溫差大,表面受內(nèi)部混凝土的約束,將產(chǎn)生很大應(yīng)力,使混凝土因早期強(qiáng)度低而產(chǎn)生裂縫。因此,為防治水化熱引起的裂縫,施工前應(yīng)計(jì)算升溫峰值、內(nèi)外溫差及降溫速率,制定相應(yīng)的技術(shù)措施,防止和控制溫度裂縫,確保工程質(zhì)量?;炷恋膬?nèi)部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。

  在混凝土的施工中,為了提高模板的周轉(zhuǎn)率,往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間,以免引起混凝土表面的早期裂縫。新澆筑早期拆模,在表面引起很大的拉應(yīng)力,出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在混凝土澆筑初期,由于水化熱的散發(fā),表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力,此時(shí)表面溫度亦較氣溫為高,此時(shí)拆除模板,表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,從而在表面附加一拉應(yīng)力,與水化熱應(yīng)力迭加,再加上混凝土干縮,表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值,就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn),應(yīng)該采取以下控制溫度的措施。

 ?。?)采用改善骨料級(jí)配,用干硬性混凝土,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量。

  (2)降低混凝土入模溫度。
  
a、降低原材料進(jìn)入攪拌機(jī)的溫度如夏季在水箱內(nèi)加冰塊,降低水溫;粗骨料遮陽防曬,并灑冷水降溫;細(xì)骨料遮陽防曬;散裝水泥提前儲(chǔ)備,避免新出廠水泥溫度過高。采取以上措施最大限度降低混凝土出機(jī)溫度。

  b、夏季混凝土運(yùn)輸車加保溫套或?qū)摅w噴淋冷水降溫?;炷帘盟凸艿勒陉柗罆瘛?/FONT>

  c、混凝土澆筑作業(yè)面遮陽,減少混凝土冷量損失。

  d、控制澆注溫度。應(yīng)調(diào)整施工時(shí)間,盡量選擇低溫及夜間施工;考慮到冷量損失在澆注過程中影響較大,因此要加快運(yùn)輸,縮短澆注時(shí)間。

 ?。?)降低混凝土水化熱。
  
a、選擇中低熱品種水泥,優(yōu)先選用礦渣硅酸鹽水泥。

  b、摻入一定比例的粉煤灰。

  c、摻入高效減水劑。

  d、摻加緩凝劑。

  e、熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱。

  (4)控制混凝土的出機(jī)溫度。
  
對混凝土出機(jī)溫度影響大的是石子和水的溫度,砂的溫度次之,水泥的溫度影響最小。氣溫較高時(shí),為防止陽光直接照射,砂石堆應(yīng)設(shè)遮陽棚,并噴冷水降溫。拌合用水可加冰,使水溫度控制在5℃,混凝土出機(jī)溫度應(yīng)控制在18-20℃為宜。

 ?。?)規(guī)定合理的拆模時(shí)間。
  
此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),防止表面干縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫是十分重要,應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫,出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的,因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

  為保證混凝土工程質(zhì)量,防止開裂,提高混凝土的耐久性,正確使用外加劑(如微膨脹劑、減水防裂劑)也是減少開裂的措施之一。

  使用減水防裂劑的其主要作用為:
  
a. 混凝土中存在大量毛細(xì)孔道,水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力,使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力,但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低;

  b. 水灰比是影響混凝土收縮的重要因素,使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%;

  c. 水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素,摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15%的水泥用量,其體積用增加骨料用量來補(bǔ)充;

  d. 減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減少沉縮變形;

  e. 提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力,提高混凝土的抗裂性能;

  f. 混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就會(huì)產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高混凝土抗拉強(qiáng)度,大幅提高混凝土的抗裂性能;

  g. 摻加外加劑可使混凝土密實(shí)性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,減少碳化收縮;

  h. 摻減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng),在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上,避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。

  3 大橋裂縫產(chǎn)生的主要原因
  
裂縫產(chǎn)生后業(yè)主及時(shí)組織專家及相關(guān)人員赴現(xiàn)場查看,對裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,認(rèn)為橫梁裂縫是多種因素綜合影響的結(jié)果,主要包括施工工藝、氣溫條件、混凝土材性、支架系統(tǒng)以及混凝土水化熱影響等因素。但是主要的原因是:1、現(xiàn)場施工氣溫高,最高時(shí)達(dá)40℃以上,風(fēng)速大濕度低,加上高標(biāo)號(hào)混凝土產(chǎn)生的大量水化熱以及烈日暴曬,致使梁體的內(nèi)外溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過25℃。2、混凝土的初凝時(shí)間僅為3小時(shí),遠(yuǎn)小于澆筑時(shí)間,上層混凝土在澆筑的過程中,下層混凝土已經(jīng)初凝,在荷載的作用下就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

  4 對橫梁的處理
  
本次橋梁裂縫的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在通長的和貫通的裂縫較多,裂縫的寬度較大,大多數(shù)裂縫均從橫梁底面向上延伸發(fā)展,部分裂縫有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。說明性狀比較嚴(yán)重,必須引起高度重視,認(rèn)真對待。專家組建議由設(shè)計(jì)單位通過驗(yàn)算提出意見,看橫梁裂縫處理后是否還具有繼續(xù)使用的可能性。

  設(shè)計(jì)單位認(rèn)為從理論上講通過對較大裂縫采取壓力注漿法及對細(xì)小裂縫采取涂膜封閉法處理后再進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉,可以滿足受力的需要,但是根據(jù)檢測單位報(bào)告,橫梁有部分裂縫已經(jīng)貫穿,致使結(jié)構(gòu)的剛度下降,橫梁的抗彎、抗剪能力減小,即使對裂縫進(jìn)行修補(bǔ),也會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件未來的使用,使結(jié)構(gòu)的耐久性下降,導(dǎo)致橋梁的使用壽命縮短。另外橫梁的部分鋼筋可能已經(jīng)受拉破壞,內(nèi)部混凝土是否有破碎夾層也未知,如有破碎層存在,則受力方面肯定大受影響,無法滿足設(shè)計(jì)要求,建議對橫梁鑿除后重新澆筑。

  處理方法:鑿除位置布置在以d0橫梁為中心至橫梁四周倒角處的位置。

  考慮此橫梁拆除施工時(shí)的震動(dòng)及工期的要求,如果沿用傳統(tǒng)的風(fēng)鎬,則震動(dòng)較大且工期較長;若用爆破作業(yè),則會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng),對施工造成安全隱患,無法解決保護(hù)原主體結(jié)構(gòu)的基本要求。

  鑒于上述要求,本次鑿除工具采用鉆石鋼線切割法結(jié)合風(fēng)鎬。橫梁頂面同行車道板同厚度的部分先用風(fēng)鎬鑿除,使橫梁成為單獨(dú)的塊件。橫梁主體部位采用鉆石鋼線切割法,根據(jù)吊裝重量分段切割,至靠近主體結(jié)構(gòu)的切割邊緣線1m左右范圍內(nèi)混凝土采用風(fēng)鎬鑿除,保留該段鋼筋,以便與新澆筑橫梁內(nèi)鋼筋連接。鑿除后新澆橫梁澆筑時(shí)應(yīng)在兩端靠近邊主梁的兩側(cè)分別設(shè)置1m的后澆帶,在混凝土中摻人適量的膨脹劑。

  鉆石鋼線切割法作為一項(xiàng)新型的施工技術(shù),受到了眾多建筑業(yè)人士的關(guān)注與興趣,該設(shè)備由大功率油壓機(jī)、傳動(dòng)定位滑輪及帶有金剛石鋸齒的鋼線組合而成,油壓馬達(dá)通過傳動(dòng)滑輪帶動(dòng)鋼線圍繞被切割物體高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割,具有施工作業(yè)速度快、噪音低、無震動(dòng)、無粉塵廢氣污染等優(yōu)點(diǎn),而且切口平直光滑,無須做善后加工處理。采用該技術(shù),對于一些對施工有特殊要求的工程,如工期緊迫、環(huán)保要求高,以及一些大型混凝土結(jié)構(gòu)拆卸、切割的工程,這些難題即可迎刃而解。

  在后面重新澆筑的時(shí)候,施工單位根據(jù)提出的意見對施工工藝進(jìn)行了改進(jìn),沒有出現(xiàn)裂縫,效果良好。

  5 結(jié)束語
  
混凝土橋梁的裂縫是一個(gè)較復(fù)雜的問題,它涉及到管理、設(shè)計(jì)、施工等各個(gè)方面,某一環(huán)節(jié)稍有疏忽均可能導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn),引起鋼筋的銹蝕,影響整座橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性,造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。本文簡單的闡述了裂縫產(chǎn)生的原因及最終的處理措施 ,供工程實(shí)踐借鑒,以盡量避免這些問題的出現(xiàn),使國家有限的建設(shè)資金發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

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