淺析橋梁大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

巴冠冠 徐斌

摘要：隨著國家建設(shè)投資的發(fā)展，市政工程的投入進一步加大，各類橋梁在市政工程的應(yīng)用日益廣泛，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越多，而且主要應(yīng)用于主要受力部分，但是，相應(yīng)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(xiàn)場施工管理，從設(shè)計，施工的角度，分析了造成橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土裂縫的原因，并提出如何預(yù)防，檢查和處理大體積混凝土裂縫的主要的技術(shù)措施。

在橋梁建造和使用過程中，大體積混凝土裂縫經(jīng)常出現(xiàn)。大體積混凝土的裂縫是由于大體積混凝土內(nèi)部應(yīng)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0.25mm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(jié)構(gòu)物的耐久性。并且有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)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(fā)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(fā)生垮塌事故，所以必須加以控制。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土 混凝土裂縫 工作裂縫非正常裂縫

中圖分類號： TU37文獻標識碼： A

1混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)生相當大的拉應(yīng)力。大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應(yīng)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(guī)靜、動荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫，歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生原因有：①對結(jié)構(gòu)進行計算時，計算模型不合理，結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實際受力不符，荷載少算或漏算；內(nèi)力與配筋計算錯誤，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠；結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮施工的可行性，設(shè)計截面不足；鋼筋設(shè)計偏少或布置錯誤，結(jié)構(gòu)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(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設(shè)計圖施工、擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序、改變結(jié)構(gòu)受力模式；未對結(jié)構(gòu)作疲勞強度驗算等。③在使用階段，超過設(shè)計荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊、發(fā)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(zhì)，當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)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(guī)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(fā)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(chǎn)生的主要原因是由于混凝土快速干燥，混凝土內(nèi)水分的蒸發(fā)速率大于其泌水速率，在固體顆粒水面產(chǎn)生毛細管張力，混凝土自體收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土本身的抗拉強度而產(chǎn)生裂縫。收縮引起的裂縫是不規(guī)則斜裂縫，在鋼筋以上，似龜紋，常開始出現(xiàn)在現(xiàn)澆混凝土后數(shù)周或數(shù)月之間。

1.4地基基礎(chǔ)變形引起的裂縫基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：

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

1.5鋼筋銹蝕引起的裂縫由于大體積混凝土質(zhì)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(fā)生銹蝕反應(yīng)，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(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)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(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9％，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冰水（結(jié)冰溫度在一78℃以下）在微觀結(jié)構(gòu)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(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

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?jié)B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(nèi)部溫升，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)部產(chǎn)生壓力，以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力。

2.2大體積混凝土的骨料控制在骨料的選擇上應(yīng)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(yōu)化大體積混凝土的設(shè)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(fā)生部位如孔洞周圍以及轉(zhuǎn)角處布置一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔拉應(yīng)力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。為了避免裂縫的出現(xiàn)，在設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計中要特別注意降低結(jié)構(gòu)的約束度。對于混凝土中鋼筋保護層的厚度應(yīng)當盡量取較小值，因為保護層的厚度愈大愈容易發(fā)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(chǎn)、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(guān)鍵環(huán)節(jié)。而熱應(yīng)力的控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)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(wěn)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。可以在施工現(xiàn)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(yīng)該具有較高的澆筑溫度。混凝土澆筑溫度在冬季施工時一般以5℃～10℃為宜，在澆筑混凝土以前還應(yīng)該對基礎(chǔ)及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預(yù)熱，對原材料應(yīng)視氣溫高低進行加熱。加熱石料時應(yīng)避免過熱和過分干燥，最高溫度不應(yīng)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(yǎng)護。

綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是大量的科學(xué)研究以及成功的工程實例都表明：只要我們在設(shè)計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)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(jié)構(gòu)的裂縫的產(chǎn)生。