淺析預應力橋梁砼裂縫產生原因及防治

陳安

摘 要：本文對預應力橋梁砼裂縫產生的原因進行了深入分析，探討砼裂縫預防措施，以期作為預應力橋梁砼裂縫防治工作的參考。

關鍵詞：預應力橋梁；裂縫；產生原因；防治措施

預應力橋梁承重結構主要為鋼筋混凝土砼結構，裂縫的產生會導致其結構強度降低，會對橋梁使用壽命產生不良影響，甚至會影響橋梁安全性。預應力橋梁砼結構裂縫常見于底板、腹板及頂板等部位，不同部位的裂縫，所形成的形狀、產生原因也會有所差異，部分裂縫有方向性，絕大多數裂縫無方向性。導致預應力橋梁砼裂縫的原因較多，大致可以分為內因和外因兩種類型，也有可能是內外因共同作用的結果。砼裂縫類型可分為施工質量裂縫、鋼筋腐蝕裂縫、地基形變裂縫、收縮裂縫、溫度裂縫及荷載裂縫等。本文圍繞預應力橋梁砼裂縫產生的原因進行探討，分析其防治措施。

1 預應力橋梁砼裂縫主要類型

1.1 橋梁預應力裂縫

預應力橋梁砼裂縫可分為幾種類型，常見的包括預應力裂縫、溫度裂縫及收縮裂縫等。預應力裂縫可表現為縱向裂縫，主要產生于橋梁底部朝縱向預應力筋表面，在端塊錨下應力區也可產生裂縫。導致預應力裂縫產生的原因主要為以下兩種：（1）環狀拉應力導致開裂：砼在張拉過程中，沒有達到要求的強度，導致泊松效應作用于錨中局部，從而產生一種橫向的環狀拉應力，最終致使裂縫產生。（2）泊松效應導致縱向開裂：當泊松效應作用于底板中部時，產生縱向預應力，或在進行橋梁施工時，由于預應力影響，管道附近的砼收縮不夠完全，增加了底板橫橋向拉應力，致使縱向裂縫產生。

1.2 橋梁溫度裂縫

連續箱梁施工的限制性較大，在施工過程中，容易受到各方面的約束，有內部約束，也有外部約束，包括箱梁內部底板、腹板及頂板等截面薄厚約束、鋼筋約束、預應力約束及混凝土固結支座約束等。箱梁在受到約束時，砼熱脹系數為約束度×砼熱脹系數×溫差×砼的有效彈模。導致砼溫度裂縫的前提為：砼熱脹系數大于或等于砼抗拉強度，為了防止砼溫度裂縫，應盡量降低砼熱脹系數，使其小于抗拉強度，從而降低溫差，避免因溫度過高引起砼裂縫。砼澆筑后3～5天為溫升期，砼在溫升期內，可由塑性轉變為彈性，砼的有效彈模較小，不會產生溫度裂縫現象。但過了溫升期，砼的有效彈模會不斷增加，到了澆筑后7～20天，應溫度影響，會導致裂縫產生。另外，在澆筑連續梁時，懸臂分塊中已出現硬化現象的老砼塊體，一旦與新澆筑的塊體接觸，會對其溫度變形產生約束，導致新塊體出現裂縫。新老砼接觸時由于溫差影響，導致溫度裂縫產生，發生機制簡單明了，可通過減小砼澆筑時所產生的溫差，來控制溫度裂縫，防止溫度裂縫現象。

1.3 橋梁收縮裂縫

當混凝土或水泥石中的水分含量逐漸蒸發，會轉化成蒸汽消耗掉，這個過程其實就是混凝土和水泥石的干燥過程。水泥石中的水分在蒸發前，可以蒸發水的形式存在于凝膠孔、毛細孔及大孔洞中。砼毛細水及凝膠水蒸發可使砼發生收縮反應，砼收縮時，橋梁體表層局部會因抗拉強度較低，出現裂縫現象。砼凝膠水大幅度較低，是導致沉陷裂縫的主要原因，而毛細水蒸發過度，會導致水分蒸發過多，造成干縮裂縫。

1.3.1 沉陷裂縫產生的原因：梁體水分會隨著外界濕度降低而蒸發，濕度越低，蒸發速度越快，當水分蒸發到一定程度時，可導致凝膠失水。膠粒在沒有水膜保護的狀態下，受到水分引力影響后，膠粒間距會越來越小，從而導致收縮現象發生，最終引起沉陷裂縫。沉陷裂縫通常發生在澆筑后幾小時內，因此，在砼澆筑完成后，應做好其養護工作，尤其是梁體頂板的養護工作，防止沉陷裂縫產生。

1.3.2 干縮裂縫產生的原因：砼內會含有一定的毛細水分，當毛細水分含量降低時，毛細管內的壓力也會隨之增大，并作用于管壁上，當砼內溫度降低時，管壁壓力也會越來越大，導致砼體積“干縮”現象產生。在正常情況下，箱梁外表與內部的溫度會存在一定差異，外表干縮速度與內部干縮速度也會隨之改變，與內部干縮速度相比，表面干縮速度較快，因此，當拉應力作用于箱梁外表時，便會產生干縮裂縫。

新砼體干縮速度快于老砼體干縮速度，兩者接縫時，老砼體會對新砼體產生約束影響，致使新砼體表面發生新的變化，從而導致接縫干縮裂縫現象，這就是常說的施工縫。施工單位用水量、水泥用量與水泥品種等因素決定了砼體的干縮速度，施工時所采用的水量越大、水泥量越多、水泥顆粒越細，水泥標號越高，砼的收縮越明顯，收縮力越大。當砂石以骨架的形式存在砼體中時，會對砼收縮產生抑制作用，砂石搗鼓的密實程度和純凈度會對砼收縮量產生一定影響，密實程度和純度越高，收縮量越小。

2 預應力橋梁砼裂縫控制措施

2.1 材料選擇

想要預防砼裂縫，避免橋梁裂縫產生，應做好砼施工過程中的質量控制，從預應力和箱梁施工方面，全面控制施工質量，做好裂縫防治工作，避免同裂縫產生。

2.1.1 骨料：水泥漿與砂石混合時，不會發生化學反應，采用這兩種材料作為砼體骨架材料，可有效減少水化熱，避免因水泥漿硬化導致砼體收縮，從而防止裂縫出現。骨架材料是砼體重要組成部分，因此，應采用顆粒級配良好的骨料進行砼施工，避免空隙產生，確保砂石純凈，使其完全與水泥漿融合，盡量減低砂石雜質含量，確保砼體穩定性和耐久性。采用的砂石粒徑越大，水泥用水量與水泥使用量越少，砼水化熱越低，干縮程度越小。如果砂石的粒徑過大，又會增加砼攪拌難度，使砼施工工序變得更加復雜，更加困難，甚至有可能導致離析現象發生。根據這一施工特點，可選擇兩種級配的骨料，選擇粒徑為10～25mm的砂石，或選擇碎石施工，但應確保其粒徑為5～16mm。如采用的砂石太粗，在攪拌過程中，容易出現泌水現象，增加砼攪拌難度；如采用的砂石太細，又會增加砼粘聚性，雖然容易振搗，且利于水分保持，但由于干縮速度較快，其表面會出現干縮裂縫。根據以往的施工經驗，在砼施工時，應采用細度模數為2.6～2.9的粗砂作為骨料。

2.1.2 水泥材料：水泥是砼施工的主要材料之一，其品質優劣會對水泥凝膠的使用數量、結構及組分產生影響，同時影響水泥凝膠孔與毛細孔的數量、尺寸及形狀等，致使砼體干縮性發生改變。

2.1.3 配合比：砼的配合比指的是在保證經濟性的前提下，確保砼的耐久性、強度及其和易性等滿足施工要求，合理運用石子、砂子、水、水泥及外加劑等材料，使其比例適宜，以滿足砼施工條件。應以砼振搗密實、澆筑均勻作為砼施工前提，盡量減少水量，降低水灰比，用配級良好的骨料，減小拌和溫度和坍落度，從而抑制砼干縮反應，避免干縮裂縫出現。

2.1.4 外加劑：箱梁表面會有一定數量的波縫管，且鋼筋較為密集，對于砼的和易性和流動性要求較高，必須采用密實劑和減水劑作為外加劑。采用密實劑進行砼攪拌，可以充分連接各層砼，防止施工裂縫現象。減水劑可降低砼攪拌時的水量，提高砼和易性，降低水化熱速度，減少水化熱量，從而提高砼溫度應力，避免砼開裂情況發生。

2.2 提高混凝土抗拉能力

當溫度應力大于或等于砼抗拉強度時，可導致砼溫度裂縫產生，由此可見，砼抗拉能力越高，其裂縫發生率越小，可通過控制砼抗拉伸變能力，防止砼裂縫。目前，國內對于砼裂縫與砼抗拉性能的研究較少，不夠充分，仍有待進一步研究。圖1為混凝土受拉應力變化線形圖。

從圖1可以看出，當混凝土拉應力高于A點時，砼內部會出現微裂縫，且數量逐漸增多，裂縫面積逐漸擴大，當發生塑性變形后，拉應力會逐漸提高，并提高至極限B點（ft），此時，混凝土并不會立即發生裂縫反應，直至拉應力降低至C點，才會出現斷裂現象。相關研究指出，決定混凝土最高拉伸度的因素為混凝土強度，除此之外，粗骨料的粒徑大小也會影響其極限拉伸度。如果混凝土主料為碎石，那抗拉伸性相對卵石混凝土來說，更強、更好。研究表明，混凝土抗拉性能可隨著其骨料粒徑的增加而降低。

圖1 混凝土受拉應力變化線形圖

2.3 控制預應力施工質量

在預應力橋梁建造過程中，預應力施工環節十分關鍵，其施工質量可對整個橋梁質量產生影響，是決定箱梁承載力的重要工序。施加預應力時，應確保其精度與施工要求相符，在施工過程中，應盡量避免受到不良影響，如施工人員專業水平、張拉機具、彈簧筋、錨下鋼筋及錨頭砼質量等影響。在預應力施工中，應采取質量控制措施：對油表及千斤頂進行標定處理，確保其工作狀態良好；檢查鋼絞線與錨具的質量，避免因質量問題影響正常施工；嚴格控制砼張拉時所產生的彈性模量及強度，使其強度大于49.5Mpa；盡量貼近錨墊板與工作錨之間的距離，夾片需擰緊，安裝均勻；在卸載或加載過程中，需保持緩慢、平穩的加卸載速度，避免因速度過快導致沖擊力過大；根據施工設計順序進行張拉施工。

2.4 做好箱梁施工質量控制

砼完成澆筑后，必須立即對其進行養生，充分發揮砼的硬化作用，避免出現干縮裂縫。可用水直接淋在砼表面，確保砼體水分充足，保持足夠的濕潤度，預防砼發生干裂現象，從而出現頂板裂縫。澆筑箱梁時，應保證連續澆筑，先澆筑底板下料，然后再依次澆筑腹板和頂板，按照澆筑順序進行澆筑，并根據澆筑情況，控制其坍落度。頂板和底板的坍落度需控制在14～16cm范圍內，腹板為16～18cm。砼振搗應采用附著式的振搗方式，并同時使用振動棒，設置好振搗動器，附著式振動器兩邊必須同時振動，在振動過程中，嚴格控制時間。頂板和底板應選擇插入式的振動棒逐步進行搗固，確保布點均勻，注意控制新混凝土與老混凝土接縫處于錨頭的振搗力度，避免出現漏振或振搗過度的情況，控制砼施工質量，防止裂縫出現。澆筑梁體頂板部位后，需進行二次收漿，做好抹面拉毛工作，防止開裂、沉陷現象。

3 結語

綜上所述，砼裂縫發生機制較為復雜，關系到混凝土施工環境、構性及材性等問題，影響因素較多。在砼施工過程中，不管是溫度變形還是干縮變形，兩種情況都是相伴發生的，而內部約束出現的同時，外部約束也會以另一種形式存。可見，裂縫的出現是各種因素共同作用的結果。想要防止砼裂縫產生，應控制砼變形的約束條件、抗拉性能及收縮變形大小，通過各種預防措施，避免混凝土出現裂縫。

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