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橋梁大體積混凝土裂縫產生的原因及其控制措施

0158建筑材料2021-07-18 12:02:55

摘要：隨著國家建設投資的發展，市政工程的投入進一步加大，各類橋梁在市政工程的應用日益廣泛，大體積混凝土在橋梁結構中應用的越來越多，而且主要應用于主要受力部分，但是，相應暴露出來的問題也越來越多，其中，大體積混凝土的裂縫問題，尤為突出。本文通過現場施工管理，從設計，施工的角度，分析了造成橋梁結構中大體積混凝土裂縫的原因，并提出如何預防，檢查和處理大體積混凝土裂縫的主要的技術措施。

0 引言

　　在橋梁建造和使用過程中，大體積混凝土裂縫經常出現。大體積混凝土的裂縫是由于大體積混凝土內部應力和外部荷載作用，以及溫度變化等因素作用下形成的。一般正常大氣條件下，荷載組合I作用下寬度小于0.2mm的裂縫，荷載組合Ⅱ、Ⅲ作用下寬度小于0.25 mm的裂縫以及處于嚴重暴露情況下，寬度小于0.1mm的裂縫都屬于正常的工作裂縫。超出以上范圍的裂縫屬于非正常裂縫，終究會影響結構物的耐久性。并且有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下，不斷擴展，不但會影響大體積混凝土表面的美觀、減小鋼筋的大體積混凝土保護層厚度，而且易引發大體積混凝土面層剝落，加速鋼筋的銹蝕，降低大體積混凝土的抗凍性及耐久性，嚴重時甚至發生垮塌事故，所以必須加以控制。

1 混凝土裂縫產生的原因

　　大體積混凝土結構通常具有以下特點：混凝土是脆性材料，抗拉強度只有抗壓強度的1/10左右。大體積混凝土的斷面尺寸較大，由于水泥的水化熱會使混凝土內部溫度急劇上升；以及在以后的降溫過程中，在一定的約束條件下會產生相當大的拉應力。大體積混凝土結構中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應力要由混凝土本身來承擔。

　　1.1 荷載引起的裂縫大體積混凝土橋梁在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱為荷載裂縫，歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。產生原因有：①對結構進行計算時，計算模型不合理，結構受力假設與實際受力不符，荷載少算或漏算；內力與配筋計算錯誤，結構安全系數不夠；結構設計未考慮施工的可行性，設計截面不足；鋼筋設計偏少或布置錯誤，結構剛度不夠等。②施工時不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預制結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖施工、擅自更改結構施工順序、改變結構受力模式；未對結構作疲勞強度驗算等。③在使用階段，超過設計荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊、發生大風、大雪、地震、爆炸等。

　　1.2 溫度變化引起的裂縫混凝土具有熱脹冷縮的性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。溫度裂縫的特征主要是表面裂縫的走向一般無規律性，深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行；裂縫寬度大小不一，受溫度變化的影響熱細冷寬。

　　1.3 收縮引起的裂縫大體積混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自身收縮和碳化收縮。收縮裂縫產生的主要原因是由于混凝土快速干燥，混凝土內水分的蒸發速率大于其泌水速率，在固體顆粒水面產生毛細管張力，混凝土自體收縮所產生的拉應力大于混凝土本身的抗拉強度而產生裂縫。收縮引起的裂縫是不規則斜裂縫，在鋼筋以上，似龜紋，常開始出現在現澆混凝土后數周或數月之間。

　　1.4 地基基礎變形引起的裂縫基礎不均勻沉降的主要原因有：

　　1.4.1 由于混凝土在塑性狀態下其基礎、支架等有不均勻沉降，使局部混凝土變形受約束而產生裂縫。

　　1.4.2 由于重力作用使混凝土中較重顆粒下沉而使水泥漿上浮，當這種下沉受到鋼筋、模板作用時就會產生裂縫。1.5 鋼筋銹蝕引起的裂縫由于大體積混凝土質量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發生銹蝕反應，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2倍～4倍，從而對周圍混凝土產生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產生裂縫。

　　1.6 凍脹引起的裂縫當大氣溫度低于零度時，吸水飽和的混凝土出現冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹9％，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冰水（結冰溫度在一78℃以下）在微觀結構中遷移和重分布，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，導致裂縫出現。

2 大體積混凝土裂縫的控制措施

　　2.1 摻加外加料和外加劑在大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密實度，提高抗滲能力，改善混凝土的工作度，降低最終收縮值，減少水泥用量。要降低大體積混凝土的水泥水化熱引起的內部溫升，防止結構出現溫度裂縫，利用粉煤灰作混凝土的摻合料是最有效的方法之一。外加劑可以從以下幾個方面來選擇。UFA膨脹劑，它可以等量替換水泥。并且是混凝土產生適度的膨脹。一方面保證混凝土的密實度，另一方面使混凝土內部產生壓力，以抵消混凝土中產生的部分拉應力。

　　2.2 大體積混凝土的骨料控制在骨料的選擇上應該選取粒徑大強度高級配好的骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積，從而減少水泥的用量，降低水化熱，減少干縮，減小了混凝土裂縫的開展。

　　2.3 優化大體積混凝土的設計雖然大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，我們還是可以在裂縫易發生部位如孔洞周圍以及轉角處布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔拉應力，這樣可以有效的控制裂縫的發展。為了避免裂縫的出現，在設計中利用中低強度底水泥充分利用混凝土的后期強度。在工程結構設計中要特別注意降低結構的約束度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應當盡量取較小值，因為保護層的厚度愈大愈容易發生裂縫。

　　2.4 大體積混凝土的施工混凝土施工包括混凝土的生產、運輸、澆筑和溫度及表面保護，是保護大體積混凝土溫度裂縫的關鍵環節。而熱應力的控制手段主要是控制混凝土的內外溫差△T：

　　△T＝Tp＋Tr－Tf

　　式中：Tp—起始澆筑溫度；Tr—水泥水化溫升；Tf—天然或人工冷卻后澆筑塊的穩定溫度。

　　在溫度較高的情況下進行施工，我們一定要注意降低混凝土澆筑時的溫度?？梢栽谑┕がF場對堆在露天的砂石用布覆蓋，以減少陽光對其的輻射，同時對澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向混凝土中添加冰水。以上這些措施都可以有效的降低混凝土的入模溫度。

　　如果是在冬季進行施工，因為要防止早期混凝土被凍問題，所以要求混凝土澆筑時應該具有較高的澆筑溫度?；炷翝仓囟仍诙臼┕r一般以5℃～10℃為宜，在澆筑混凝土以前還應該對基礎及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預熱，對原材料應視氣溫高低進行加熱。加熱石料時應避免過熱和過分干燥，最高溫度不應超過75℃。另外還要注意運輸中的保溫、澆筑過程中減少熱量的損失以及保溫養護。

　　綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產生裂縫，但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明：只要我們在設計、施工工藝、材料選擇以及后期的養護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，還是完全可以避免危害結構的裂縫的產生。

混凝土裂縫體積