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【摘 要】本文阐述了桥梁工程中混凝土裂缝产生的种类及原因,提出了预防措施及处理方法。
【关键词】桥梁;混凝土;裂缝;原因分析;预防措施;处理方法
Discuss causes of bridge concrete cracks and prevention measures
Shan Biao-yun
(Laiwu city Highway Authority Laiwu Shandong 271100)
【Abstract】Concrete bridge cracks in the types and causes, prevention and treatment.
【Key words】Bridges; Concrete; Cracks; Reason analysis; Precautionary measures; Treatment
随着我国公路建设发展速度的加快,新建桥梁工程越来越多,在桥梁建造和使用过程中,因混凝土出现裂缝而影响工程质量甚至导致桥梁垮塌的事件屡见不鲜,可见在桥梁工程建设中对混凝土裂缝的防治和处理工作是何等重要!
1. 裂缝形成种类及形成原因
桥梁工程中裂缝种类归纳起来可分为三种:一是由外荷载引起的直接应力裂缝,即外荷载引起的直接应力产生的裂缝;二是由外荷载引起的次应力裂缝,即是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝;三是变形应力引起的裂缝,这主要是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等引起结构变形,变形受到约束时便产生应力,当此应力超过混凝土极限强度时就产生裂缝。这些裂缝产生的原因是多方面的,主要有设计原因、施工原因、材料性质的原因,此外,外部环境等因素的影响也会产生裂缝。
1.1 设计方面原因。
主要是设计疏漏,计算假设受力与实际受力不相符、计算模型不合理、外部荷载考虑不周全等等。
1.2 施工方面原因。
不按设计图纸施工,使结构受力模型与设计不相符;施工中混凝土振捣不密实、初期养生不够、拆除支架顺序不正确;不加限制地堆放施工机具、材料,超过计算荷载;不根据预制结构受力特点合理起吊、运输、安装;施工蛮干、不合理使用,乱开孔、乱埋预埋件、乱开槽、乱支牛腿,受车辆、船舶的撞击等都会产生裂缝。
1.3 材料性质原因。
水泥的反常凝固、反常膨胀、离析与泛浆以及水泥的水化热不按规范施工;混凝土在硬化初期的体积变化和后期的干缩,若养生不充分;混凝土骨料的配合比、密度、空隙率、弹性模量等不合适,所有以上原因也会导致裂缝的产生。
1.4 外部环境原因。
温度与湿度的变化、混凝土构件内外温差、内部钢筋的锈蚀、受盐类的化学腐蚀,车轮的磨损、地震荷载、地基变形及沉降等外部环境影响也会产生裂缝。
2. 桥梁工程裂缝的预防
裂缝是混凝土本身具有的一种材料特性,让它完全不发生是不可能的。长、大、薄、高强的混凝土构件是最易产生裂缝的混凝土构件,而桥梁工程许多结构具备其中一个或多个特点,如50mT梁预制具有“长、大、薄、高强”四个特点;连续刚构具有“大、薄、高强”三个特点;桥面铺装具备“大、薄、高强”的特点;承台具备“大”的特点;防撞护栏具备“长、薄”的特点;空心薄壁墩具备“薄、高强”的特点等。预防混凝土裂缝是在掌握一定基础资料的前提下,通过科学预测及计算,优化设计施工方案,合理地组织施工,才能避免混凝土构件中出现裂缝。
2.1 优化设计
2.1.1 改善配筋
(1)薄壁结构配筋中增设防裂筋,一般用小直径钢筋(8～14),小间距布置(@10～@15cm),明显地提高混凝土抗裂性。
(2)大体积混凝土配筋中增设温度筋,分层布置,一般用小直径、小间距布置,提高混凝土抵抗温度应力所引起的混凝土变形。
(3)结构的转角处、锚固断面、构件形状突变处、预留孔道处、受力钢筋截断处等容易出现裂缝的部位增设抗裂筋,较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。改善应力集中,防止裂缝的出现。
2.1.2 增加应力释放途径,减少内外约束。
(1)设立应力释放缝:在断面小的结构中(如防撞护栏)按受力特点规则地增设应力释放缝。在采取分层或分块浇筑大体积混凝土中,合理设置水平或垂直施工缝。
(2)设置后浇缝:当大体积混凝土平面尺寸过大时,可以适当设置后浇缝,以减小外应力和温度应力;同时增加混凝土散热面积,降低混凝土的内部温度。
(3)设置滑动层及缓冲层:对大体积混凝土基础与岩石地基,或基础与厚大的混凝土垫层之间设置滑动层,如采用平面浇沥青胶铺砂、或刷热沥青、或铺卷材。在垂直面、键槽部位设置缓冲层,如铺设30～50mm厚沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料,以消除嵌固作用,释放约束应力。
(4)在大体积混凝土内部预埋冷却水管,预制T梁及连续刚构中以预埋预应力管道为冷却水管,通入冷却水,强制降低混凝土水化热温度。
(5)易发生裂缝的重要结构部位混凝土设计时外掺定量的纤维材料,提高混凝土的抗拉能力,避免裂缝产生。
2.2 结构方面
(1)地质勘察精度可靠、试验资料准确,防止因基础技术资料与实际有误造成不匀均沉降而产生裂缝。
(2)同一联桥梁中,基础结构类型尽量一致,防止因混合使用不同基础类型或同时采用扩大基础但基底标高差异大时而引起地基不均匀沉降从而产生裂缝。
(3)避免结构突变(或断面突变),当不能回避时,应做局部处理,如转角处做圆角,突变处做成渐变过渡。防止因应力集中而产生裂缝。
2.3 确定最佳配合比
2.3.1 选用优质原材料
(1)水泥:选用水化热较低、收缩量较小、干缩值较小、高标号、早期强度较高的、含碱量较低的、初凝时间较长的水泥,以减少水化热量总量,减小温差变化幅度,减少水泥水化时收缩量,增强水泥胶和物的早期强度,从而避免因温差、干缩等原因产生裂缝。
(2)粗细集料:选用吸水率较小、收缩性较低、级配良好的骨料,控制骨料中云母、含泥量、有机质和轻物质和硫化物的含量,以减少骨料的收缩,增强混凝土强度。
2.3.2 确定最佳配合比
(1)水灰比:一般来说用水量越大,水灰比越高,混凝土干缩越大。水灰比一般控制在0.5以下。
(2)外掺矿物粉:为减小混凝土中水泥含量,减少水化热及收缩,一般采取外掺粉煤灰等矿物粉,替代混凝土中部分水泥含量,矿物粉掺配比例宜占胶凝总量的1/4。
(3)外加剂:掺加高效减水、增塑、缓凝剂来增加混凝土的坍落度和和易性,减少水泥及水的用量,改善混凝土拌合物的流动性、保水性,降低水化热,减少水化热总量,减少混凝土干缩,推迟热峰的出现时间。
2.4 定量预测。
计算大体积混凝土温度、应力、平均整浇长度(伸缩缝间距),确定混凝土内外最大温差、最大应力、最长伸缩缝间距,当其超过混凝土极限抗拉强度时,需在施工方案中采取降温、延长温度变化时间,或增加应力释放途径,或增加伸缩缝来避免产生裂缝。计算支架及模板的刚度及挠度,防止因支架及模板的下沉而引起混凝土在未形成强度前不均匀沉降而产生裂缝。
2.5 合理施工。
在混凝土结构立模、浇筑、预制构件运输、堆放、拼装及吊装过程中,必须合理组织施工,防止因施工原因产生裂缝。
2.5.1 混凝土立模与支架。
模板与支架必须具有足够的强度和刚度。支架设置在具有足够强度的地基上,防止因不均匀沉降而产生裂缝。在支架拆除时,施工顺序正确,避免由于产生瞬时动荷载而导致的对结构产生冲击作用而产生的裂缝。
【关键词】桥梁;混凝土;裂缝;原因分析;预防措施;处理方法
Discuss causes of bridge concrete cracks and prevention measures
Shan Biao-yun
(Laiwu city Highway Authority Laiwu Shandong 271100)
【Abstract】Concrete bridge cracks in the types and causes, prevention and treatment.
【Key words】Bridges; Concrete; Cracks; Reason analysis; Precautionary measures; Treatment
随着我国公路建设发展速度的加快,新建桥梁工程越来越多,在桥梁建造和使用过程中,因混凝土出现裂缝而影响工程质量甚至导致桥梁垮塌的事件屡见不鲜,可见在桥梁工程建设中对混凝土裂缝的防治和处理工作是何等重要!
1. 裂缝形成种类及形成原因
桥梁工程中裂缝种类归纳起来可分为三种:一是由外荷载引起的直接应力裂缝,即外荷载引起的直接应力产生的裂缝;二是由外荷载引起的次应力裂缝,即是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝;三是变形应力引起的裂缝,这主要是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等引起结构变形,变形受到约束时便产生应力,当此应力超过混凝土极限强度时就产生裂缝。这些裂缝产生的原因是多方面的,主要有设计原因、施工原因、材料性质的原因,此外,外部环境等因素的影响也会产生裂缝。
1.1 设计方面原因。
主要是设计疏漏,计算假设受力与实际受力不相符、计算模型不合理、外部荷载考虑不周全等等。
1.2 施工方面原因。
不按设计图纸施工,使结构受力模型与设计不相符;施工中混凝土振捣不密实、初期养生不够、拆除支架顺序不正确;不加限制地堆放施工机具、材料,超过计算荷载;不根据预制结构受力特点合理起吊、运输、安装;施工蛮干、不合理使用,乱开孔、乱埋预埋件、乱开槽、乱支牛腿,受车辆、船舶的撞击等都会产生裂缝。
1.3 材料性质原因。
水泥的反常凝固、反常膨胀、离析与泛浆以及水泥的水化热不按规范施工;混凝土在硬化初期的体积变化和后期的干缩,若养生不充分;混凝土骨料的配合比、密度、空隙率、弹性模量等不合适,所有以上原因也会导致裂缝的产生。
1.4 外部环境原因。
温度与湿度的变化、混凝土构件内外温差、内部钢筋的锈蚀、受盐类的化学腐蚀,车轮的磨损、地震荷载、地基变形及沉降等外部环境影响也会产生裂缝。
2. 桥梁工程裂缝的预防
裂缝是混凝土本身具有的一种材料特性,让它完全不发生是不可能的。长、大、薄、高强的混凝土构件是最易产生裂缝的混凝土构件,而桥梁工程许多结构具备其中一个或多个特点,如50mT梁预制具有“长、大、薄、高强”四个特点;连续刚构具有“大、薄、高强”三个特点;桥面铺装具备“大、薄、高强”的特点;承台具备“大”的特点;防撞护栏具备“长、薄”的特点;空心薄壁墩具备“薄、高强”的特点等。预防混凝土裂缝是在掌握一定基础资料的前提下,通过科学预测及计算,优化设计施工方案,合理地组织施工,才能避免混凝土构件中出现裂缝。
2.1 优化设计
2.1.1 改善配筋
(1)薄壁结构配筋中增设防裂筋,一般用小直径钢筋(8～14),小间距布置(@10～@15cm),明显地提高混凝土抗裂性。
(2)大体积混凝土配筋中增设温度筋,分层布置,一般用小直径、小间距布置,提高混凝土抵抗温度应力所引起的混凝土变形。
(3)结构的转角处、锚固断面、构件形状突变处、预留孔道处、受力钢筋截断处等容易出现裂缝的部位增设抗裂筋,较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。改善应力集中,防止裂缝的出现。
2.1.2 增加应力释放途径,减少内外约束。
(1)设立应力释放缝:在断面小的结构中(如防撞护栏)按受力特点规则地增设应力释放缝。在采取分层或分块浇筑大体积混凝土中,合理设置水平或垂直施工缝。
(2)设置后浇缝:当大体积混凝土平面尺寸过大时,可以适当设置后浇缝,以减小外应力和温度应力;同时增加混凝土散热面积,降低混凝土的内部温度。
(3)设置滑动层及缓冲层:对大体积混凝土基础与岩石地基,或基础与厚大的混凝土垫层之间设置滑动层,如采用平面浇沥青胶铺砂、或刷热沥青、或铺卷材。在垂直面、键槽部位设置缓冲层,如铺设30～50mm厚沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料,以消除嵌固作用,释放约束应力。
(4)在大体积混凝土内部预埋冷却水管,预制T梁及连续刚构中以预埋预应力管道为冷却水管,通入冷却水,强制降低混凝土水化热温度。
(5)易发生裂缝的重要结构部位混凝土设计时外掺定量的纤维材料,提高混凝土的抗拉能力,避免裂缝产生。
2.2 结构方面
(1)地质勘察精度可靠、试验资料准确,防止因基础技术资料与实际有误造成不匀均沉降而产生裂缝。
(2)同一联桥梁中,基础结构类型尽量一致,防止因混合使用不同基础类型或同时采用扩大基础但基底标高差异大时而引起地基不均匀沉降从而产生裂缝。
(3)避免结构突变(或断面突变),当不能回避时,应做局部处理,如转角处做圆角,突变处做成渐变过渡。防止因应力集中而产生裂缝。
2.3 确定最佳配合比
2.3.1 选用优质原材料
(1)水泥:选用水化热较低、收缩量较小、干缩值较小、高标号、早期强度较高的、含碱量较低的、初凝时间较长的水泥,以减少水化热量总量,减小温差变化幅度,减少水泥水化时收缩量,增强水泥胶和物的早期强度,从而避免因温差、干缩等原因产生裂缝。
(2)粗细集料:选用吸水率较小、收缩性较低、级配良好的骨料,控制骨料中云母、含泥量、有机质和轻物质和硫化物的含量,以减少骨料的收缩,增强混凝土强度。
2.3.2 确定最佳配合比
(1)水灰比:一般来说用水量越大,水灰比越高,混凝土干缩越大。水灰比一般控制在0.5以下。
(2)外掺矿物粉:为减小混凝土中水泥含量,减少水化热及收缩,一般采取外掺粉煤灰等矿物粉,替代混凝土中部分水泥含量,矿物粉掺配比例宜占胶凝总量的1/4。
(3)外加剂:掺加高效减水、增塑、缓凝剂来增加混凝土的坍落度和和易性,减少水泥及水的用量,改善混凝土拌合物的流动性、保水性,降低水化热,减少水化热总量,减少混凝土干缩,推迟热峰的出现时间。
2.4 定量预测。
计算大体积混凝土温度、应力、平均整浇长度(伸缩缝间距),确定混凝土内外最大温差、最大应力、最长伸缩缝间距,当其超过混凝土极限抗拉强度时,需在施工方案中采取降温、延长温度变化时间,或增加应力释放途径,或增加伸缩缝来避免产生裂缝。计算支架及模板的刚度及挠度,防止因支架及模板的下沉而引起混凝土在未形成强度前不均匀沉降而产生裂缝。
2.5 合理施工。
在混凝土结构立模、浇筑、预制构件运输、堆放、拼装及吊装过程中,必须合理组织施工,防止因施工原因产生裂缝。
2.5.1 混凝土立模与支架。
模板与支架必须具有足够的强度和刚度。支架设置在具有足够强度的地基上,防止因不均匀沉降而产生裂缝。在支架拆除时,施工顺序正确,避免由于产生瞬时动荷载而导致的对结构产生冲击作用而产生的裂缝。