桥梁基础大体积混凝土裂缝种类和成因分析
2010-08-12
引言
在世界金融危机日趋严峻、我国经济遭受冲击日益显现的背景下，中国宏观调控政策作出了重大调整，将实行积极的财政政策和适度宽松的货币政策，并在今后两年多时间内安排4万亿元资金强力拉动内需，促进经济稳定增长，而铁路建设成为拉动内需的火车头。
本文将以铁路桥梁作为研究主题，重点探讨墩身大体积混凝土表面裂缝问题。
基础工程是建、构筑物的第一环节，但现在有不少已建、在建工程的基础存在着不同程度的沉降及开裂现象，这对建、构筑物的安全造成了直接影响，存在极大的安全隐患。特别是对于桥梁基础工程． 作为“生命线工程”．桥梁基础工程的开裂及沉降给人类社会发展屡屡带来巨大损失，是人类面临的严重的非自然灾害。
混凝土桥梁基础裂缝的成因复杂而繁多．甚至有多种因素相互影响．但每一条裂缝均有其产生的原因。混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状，并且耐火性好、不易风化、养护费用低，成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。混凝土的缺点是：抗位移能力差，容易开裂。虽然混凝土裂缝不可避免，但其有害程度可以控制。在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下， 目前一些混凝土桥梁不断产生裂缝而且已扩展． 引起混凝土炭化、保护层剥落、钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度削弱，耐久性降低，危害了结构的正常使用，因此必须对此加以控制。
1 荷载引起的裂缝
混凝土桥梁在静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝称为荷载裂缝，主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝；次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。混凝土桥梁在静、动荷载及次应力作用下产生裂缝的原因主要有以下几点。
1．1 设计阶段
设计阶段引起裂缝的因素有：结构受力假设与实际受力不符：结构安全系数不够：结构设计时不考虑施工的可行性：钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足等。
在设计外荷载作用下。由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑。从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥在拱脚设计时常采用布置“X”形钢筋， 同时采用削减该处断面尺寸的办法设计铰，理论计算该处不会存在弯矩，但实际上该铰仍然能够抗弯，以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。
1．2 施工阶段
施工场地随便堆放施工机具、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：不对结构作机器振动下的疲劳强度验算等，这些都是导致裂缝产生的原因。
2 温度变化引起的裂缝
混凝土具有热胀冷缩特性．当外部环境或结构内部温度发生变化时混凝土将发生变形，若变形遭到约束．则将在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即会产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中．温度应力可以达到甚至超出荷载应力。温度裂缝区别于其他裂缝最主要的特性是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化的主要因素如下。
2．1 温差
一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造来解决。
2．2 日照
桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后．温度明显高于其他部位，温度梯度呈非线性分布。由于受到自身的约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和骤然降温是导致结构温度裂缝的常见原因。
2_3 降温
突降大雨、冷空气侵袭、日落等均可能导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对缓慢而产生温度梯度。
2．4 水化热
在施工过程中，大体积混凝土(厚度超过2．Om)浇筑之后由于水泥水化放热．致使内部温度很高，内外温差太大，表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥、限制水泥用量、减少骨料人模温度、降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热，甚至有些大体积混凝土工程在浇筑期间，采取加入冰棒的方式降温。
3 混凝土收缩引起的裂缝
在实际工程中．混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中。塑性收缩和缩水收缩(干缩)是混凝土体积变形的主要原因。另外还有自生收缩和炭化收缩。混凝土收缩裂缝大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，呈龟裂状，形状没有任何规律。
影响混凝土收缩裂缝的主要因素如下。
3．1 水泥品种、标号及用量
矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高，而普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大．且发生收缩的时间越长。
3．2 骨料品种
骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小， 收缩性较低；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大，收缩性较高。另外，骨料粒径越大收缩则越小，含水量越大收缩则越大。
3-3 水灰比
用水量越大，水灰比越高，则混凝土收缩越大。
3．4 外掺剂
外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。
3．5 养护方法
良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长，则混凝土收缩越小。
3．6 外界环境
大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发得快，导致混凝土很快收缩。
4 地基基础变形引起的裂缝
由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，结构中产生附加应力．超出}昆凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有：地质勘察精度不够、试验资料不准：地基地质差异太大；结构荷载差异太大：结构基础类型差别太大：地面冻胀；桥梁基础处于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质带，可能造成不均匀沉降。
5 钢筋锈蚀引起的裂缝
要防止钢筋锈蚀，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(当然保护层亦不能太厚，否则构件有效高度减小，受力时将加大裂缝宽度)：施工时应控制混凝土的水灰比．加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其他存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应对此加以重视。
6 冻胀引起的裂缝
气温低于0℃ 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9％ ，因而混凝土产生膨胀应力：同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-7 °C~-8°C 以下)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可达30％~50％ 。冬季施工时对预应力孑L道灌浆后若不采取保温措施也可能导致产生沿管道方向的冻胀裂缝。
7 施工材料质量引起的裂缝
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用的材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。
7．1 水泥
水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢．在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用，可破坏已硬化的水泥石，使混凝土抗拉强度下降。
水泥出厂时强度不足．以及受潮或过期后，可能使混凝土强度不足，从而导致混凝土开裂
7．2 砂石材料
砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响混凝土的强度，使混凝土收缩加大。如果使用超出规定的特细砂，后果会更加严重。
7_3 拌和水及外加剂
拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制混凝土，或采用含碱的外加剂，可能对碱骨料反应有一定影响。
8 施工工艺质量引起的裂缝
混凝土在浇筑、制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施1二质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是更容易出现细长薄壁结构。裂缝出现的部位和走向以及裂缝宽度的产生原因如下。
8．1 保护层厚度
混凝土保护层过厚或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，会导致构件的有效高度减小。形成与受力钢筋相垂直的裂缝。
8．2 施工振捣
混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其他荷载裂缝。
8．3 施工浇筑
混凝土浇筑过快，流动性较低，若硬化前混凝土沉实不足或硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后产生裂缝，即所谓的收缩裂缝。
8．4 施工运输
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，会使混凝土体出现不规则的收缩裂缝。
8．5 施工保障与准备工作
混凝土分层或分段浇筑时，若对接头处处理不好，易在新旧混凝土与施工缝之问出现裂缝如混凝土分层浇筑时，后浇筑混凝土因停电、下雨等原因未能在前浇筑混凝土初凝前浇筑，会引起层面之间的水平裂缝；采用分段现浇时，先前浇筑的混凝土接触面未进行凿毛、清洗不好，新旧混凝土之间粘结力小，或对后浇筑混凝土养护不到位，会导致混凝土收缩而引起裂缝。
8．6 施工期间产生的自重
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。
8．7 施工材料质量控制差
若任意套用混凝土配合比．水、砂石、水泥材料计量不准，易造成混凝土强度不足和其他性能(和易性、密实度)下降，从而导致结构开裂。
9 地震波对桥梁基础开裂的影响
地震波是指从震源产生向四周辐射的弹性波。地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。
地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5．5km／s～7km／s， 最先到达震中。又称P波．它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波， 在地壳中的传播速度为3．2km／s一4．0km／s。第二个到达震中，又称S波，它会使地面发生前后、左右的抖动， 破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。
地震波对生命线工程— — 桥梁的损害是灾难性的。1995年1月里氏7．2级的大地震袭击了人1：3稠密的13本关西地区．造成了关西高速桥梁的大量损坏。神户(Kobe)线(即大阪和神户两城市间投入使用的33km长的干道)的损坏尤其是灾难性的，有的大梁掉落地面，桥墩倾斜或倒塌。调查发现，这条高速公路上1 106个桥墩中有604个受到不同程度的破坏．更令人担忧的是损坏延伸到了桥梁基础
【1】
10 外力撞击引起的桥梁基础开裂
外力撞击引起的桥梁基础开裂是指桥梁基础受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等所引起的震动。外力撞击是引起桥梁基础断裂不可忽视的因素．船只或漂流物的撞击力属于偶然荷载。在通行较大重量的船只或有漂流物的河流中。修建桥梁的河中桥墩必须考虑船只或漂流物的撞击力。这个撞击力有时是非常巨大的，可以达到1 000kN以上。实例如下：
— — 2007年6月15日清晨5时10分。“南桂机035”号运沙船由佛山高明开往顺德途中偏离主航道航行撞击九江大桥。导致桥面坍塌约200m。
— — 2008年3月28日凌晨1时15分，台州籍货轮“勤丰一二八”在舟山海域与正在建设中的金塘大桥发生撞击，两块重达3000多吨的钢筋混凝土砸在了货轮的驾驶舱上。
11 结论与展望
一座桥梁从规划论证到投人运营，要经历地质勘察、方案论证、施工图设计、施工、监理、运营等多个环节。由此可知，每个环节紧密相扣，严格执行国家相关设计、施工标准，是桥梁结构安全、耐用的前提。同时，加强及完善施工期间及投入运营阶段的不问断、不定期的巡查制度，有利于保证工程质量隐患的及时排查，尤其是混凝土构件的裂缝。
参考文献
[1】徐风云，陈德荣，宋凤立．自锚式悬索桥评述【J]．公路，2005，(11)：27—29．
【2】李建本，贾军政．自锚式悬索桥发展综述fJ]．城市道桥与防洪，2005，(5)：44—45．
【3】施仲衡．地下铁道设计与施T．iM]．陕西：陕西科学技术出版社，2002．
【4】腾智明．钢筋混凝土基本构件【M]．北京：清华大学，1987．
【5】姚玲森．桥梁工程[M】．北京：人民交通出版社，1996．
