探析桥梁混凝土裂缝原因
2016-07-05
在桥梁建造和使用过程中，混凝土裂缝经常出现。混凝土的裂缝是由于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，荷载组合作用下宽度小于0.2mm的裂缝，荷载组合宽度小于0.25mm的裂缝以及处于严重暴露情况下，宽度小于0.1mm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，不但会影响混凝土表面的美观、减小钢筋的混凝土保护层厚度，而且易引发混凝土面层剥落，加速钢筋的锈蚀，降低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。混凝土裂缝的成因复杂而繁多，有时甚至多种因素相互影响。但就一些具体裂缝而言，总有主导原因。为了便于分析、鉴别工程中发生的裂缝。根据裂缝产生的原因，常见裂缝可分为荷载引起的裂缝、地基基础变形引起的裂缝、冻胀引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝、收缩引起的裂缝、温度变化引起的裂缝、施工引起的裂缝等七大类。
一、混凝土裂缝特性及产生的原因
1.荷载引起的裂缝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，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。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。表面温度裂缝常出现在现浇混凝土1d-2d之间，深层温度裂缝与贯穿温度裂缝常开始出现在现浇混凝土21d后。引起温度变化主要原因有：
（1）表面温度裂缝多由于温差较大引起的。如大体积混凝土（厚度超过2m）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，导致表面出现裂缝。在冬季施工时，过早除掉保温层，或受寒潮袭击，都导致混凝土因早期强度低而产生裂缝。此外当预制构件采用蒸汽养护时，由于降温过快或构件急于出池，急速揭盖均使混凝土表面收缩，产生裂缝。
（2）深层贯穿裂缝多由于结构降温差值大，受外界的约束而引起。如现浇桥台混凝土或大体积刚性扩大基础，浇筑在坚硬的地基上，未采取隔离等放松约束措施或收缩缝间距过大。在混凝土浇筑时，温度很高，加上水泥水化热的温度升高很大，使温度更高。当混凝土冷却收缩时，全部或部分受到地基或其他外部结构的约束，在混凝土内部出现很大拉应力，进而产生降温收缩裂缝，这类裂缝有时成贯穿状。
3.收缩引起的裂缝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混凝土快速干燥，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，混凝土自体收缩所产生的拉应力大于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，常开始出现在现浇混凝土后数周或数月之间。
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，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。地基基础变形引起的裂缝常出现在钢筋上方，结构变化处，常开始出现在现浇混凝土10min到3h内。基础不均匀沉降的主要原因有：
（1）由于混凝土在塑性状态下其基础、支架等有不均匀沉降，使局部混凝土变形受约束而产生裂缝。
（2）由于重力作用使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混凝土质量较差或保护层厚度不足，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，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，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。
6.冻胀引起的裂缝当大气温度低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9％，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冰水（结冰温度在-78℃以下）在微观结构中迁移和重分布，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，导致裂缝出现。
二、主要裂缝的防治措施
1.荷载裂缝应该采取合理的计算模型、限制施工机具的堆放、限制超过设计荷载的重型车辆过桥等方法避免结构产生荷载裂缝。
2.温度裂缝为预防混凝土温度裂缝，应合理安排混凝土浇筑顺序及浇筑速度，在混凝土浇筑过程中降低部分温差。夏季施工时骨料要洒水降温，冬季施工时混凝土表面应覆盖保温。
3.收缩裂缝为预防收缩裂缝，应加强早期混凝土养护以降低混凝土中水分蒸发速率，方法是在结构外露面覆盖麻袋、海绵，然后进行浇水养护。
4.地基基础变形引起的裂缝为预防地基基础变形裂缝的措施主要有基础处理，科学设计支架搭设，对支架进行全面积预压以消除非弹性变形；在混凝土中加减水剂以减少混凝土泌水，确保混凝土保护层厚度，混凝土施工时进行二次抹面；以及浇筑前将基层和模板充分浇水湿透等。
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；施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，最大限度地保证混凝土自身密实、完好，保持高碱度和防止有害离子入侵；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、地下水地区尤其应慎重。
6.冻胀引起的裂缝冬季施工时，采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在混凝土拌和水中掺入防冻剂（但氯盐不宜使用），可保证混凝土在低温或负温条件下硬化。在桥梁建设和使用过程中，混凝土开裂可以说是常见病症，其经常困扰着桥梁工程技术人员。通过文中的论述，使施工人员更加正确地认识裂缝成因，并能提出合理的防治措施，进一步提高桥梁工程的耐久性。
