桥梁混凝土裂缝成因、预防与处理.pdf

1 1 4 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 5 月第 5 期 桥梁混凝土裂缝成因、 预防与处理 赵 利 利 ( 合肥市规划设计研究院， 安徽合肥 2 3 0 0 4 1 ) 摘 要： 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、 温度变化引起的裂缝 、 收缩引起的裂缝、 地基基础 变形引起的裂缝、 化学反应引起的裂缝等。在实际工程施工中要区别对待， 根据实际情况选用合适的方法进行预防。 关键词： 混凝土； 裂缝； 成因； 预防与处理 中图分类号 ： U 4 4 5 7 1 文献标 识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4) 0 5 一 O 1 1 4 0 4 1 混凝土裂缝产生的原 因 1 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， 分为直接应力裂缝、 次应 力裂缝两种 。 直接应力裂缝是 指外荷载引起 的直接应力产 生的裂缝 。裂缝产生 的原 因有： ( 1 ) 设计计算 阶段 ， 结构计算不合理， 受力假设 与实际受力不符， 安全系数不够， 不考虑施工的可 能性， 构造处理不 当等 。 ( 2 ) 施工阶段， 不加限制地堆放施工机具 、 材料； 随意翻身、 起 吊、 运输 、 安装 ； 不按设计 图纸施工， 擅 自更改结构施工顺序等。 ( 3 ) 使用阶段， 超出设计载荷的重型车辆过桥； 受车辆 、 船舶的接触 、 撞击； 发生地震 、 爆炸等。 次应力裂缝是指 由外荷载引起 的次生应力产 生 的裂缝 。如桥梁结构 中经常需要凿槽 、 开洞 、 设 置牛腿等 ， 这难 以用准 确的 图式进行 计算 ， 一般根 据经验设置受力钢筋 。研究表 明， 受力构件挖孔后， 力流将产 生绕射现象 ， 在孔洞附 近密集， 产 生 巨大 的应力集 中。实际工程 中， 次应力是产生荷载裂缝 的最常见原因。次应力裂缝多属张拉 、 劈裂 、 剪切 性质。在设计上， 应注意避免结构突变f 或断面突 变)， 当不能 回避 时， 应做 局部处理 ， 如转 角处做 圆 角( 倒角) ， 同时加强构造配筋， 转角处增配斜向钢 筋，对 于较大孔洞有条件时可在周边 设置护边角 钢 。 1 2温度变化 引起的裂缝 温度裂缝主要 由于混凝土 内外温差过大 而引 收稿 日期 ： 2 0 1 4 一 O 1 2 0 作者 简介 ： 赵 利利( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 北京人 ， 工程师 ， 从 事公路 桥梁施 工管理工作。 起 ， 混凝土浇筑后， 在硬化过程中， 水泥水化产生大 量 的水 化热 ( 当水泥用 量在 3 5 0 5 5 0 k g m ， ， 每立 方米混 凝土将释放出 1 7 5 0 02 7 5 0 0 k J的热 量 ， 从 而 使 混 凝 土 内 部 温 度 升 达 7 O 左 右 甚 至 1 0 MP a左右的拉 应力 ) 。当拉应力超过混凝 土的 抗拉强度极 限时 ， 混凝 土表 面就会产生裂缝 ， 此种 裂缝可称为内约束裂缝 。 另一方面 当混凝土后期均匀 降温 时 ，由于混 凝 土 自身 的收缩特性 ， 会受到地基 、 老混凝土垫层 等的约束， 在混凝土内部产生拉应力。 这也会导致 裂缝 的产生 ， 此种裂缝可称为外约束裂缝。外约束 裂缝一般发生在施工后 23个月或更长时间 ， 多 在结构 中部产生 ， 裂缝较深或是贯穿性 的， 可以破 坏结构的整体性。 温度裂缝 的走 向通 常无一定 规律 ，大面积结 构裂缝常纵横交错 ； 梁板类长度尺寸较大 的结构 ， 裂缝 多平行 于短边 ；深入和贯穿性的温度裂缝 一 般与短边方 向平行或接近平行 ，裂缝沿着长边分 段 出现 ， 中间较密。裂缝 宽度大小不一 ， 受温度变 化影 响较 为明显 ， 冬季较宽 ， 夏季较窄 。高温膨胀 引起 的混凝 土温度裂缝 是通 常 中间粗两端 细 ， 而 冷缩裂缝 的粗细变化不太 明显 。此种裂缝的 出现 会 引起钢筋 的锈蚀 ， 混凝土的碳化 ， 降低混凝土 的 抗冻融、 抗疲劳及抗渗能力等。 1 3收缩引起的裂缝 混凝 土施工 中为保证其 和易性 ，混凝土 中加 入 的水 分往 往是水 泥水 化 作用所 需水 分 的 45 倍。这部分游离水蒸发后， 在 昆 凝土内部留下许多 毛细孔 ， 混凝土就会产生体积收缩 ， 这种变形称为 游离水蒸 发收缩 。另外水泥水化作用也会引起混 凝土的体积收缩 ， 这种变形称 为混凝土 自收缩 。混 凝土的这种本身存在微细裂缝是它的一种特性 。 根 据试 验 测定 ， 混 凝 土 的 最 终 收缩 量 约 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 5 月第 5 期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构1 1 5 0 0 0 2 一0 0 0 4 5 ， 混凝土收缩值的大小和水泥品 种 、 用量 、 拌 和水量 、 骨料规格 、 振捣密实性 和养护 好坏有关 。如潮湿条件下养护 的混凝土 ， 其收缩值 比在干燥条件下的混凝土收缩量减少 6 8 。 施工中常见的混凝土收缩裂缝有塑性收缩裂缝 、 沉降收缩裂缝、 干燥收缩裂缝 3 种。 ( 1 ) 塑性 收缩裂缝 塑性收缩是指混 凝土在凝结之前 ，表面 因失 水较快而产生的收缩。普通混凝土所含的水分少 ， 在泌水和毛细管的双重作用下使混凝土的体积收 缩小 而且较均匀 ，所 以普通混凝土较少产 生塑性 收缩裂缝 。对于泵送混凝土而言 ， 因其所含 的水分 较 多 ， 若环境 温度 高风速大而且干燥 ， 水 分挥发迅 速 ，混凝土的泌水和毛细管提升水的综合作用还 低 于水 的挥发作用时 ，使混凝土表层脱水 速度远 大 于混 凝土 内层提供水 的速度 ，造成 了混 凝土面 层体积 收缩大 ，若 这时混凝土还未产 生足够的强 度 ， 则在混凝土表面产生塑性收缩裂缝 。商 品混凝 土因运输距离长， 为防止流动性损失过大， 常常加 人缓凝剂、 保塑剂等 ， 更增加 了 形成塑性收缩裂缝 的可能 。因混凝 土的塌落度大 ， 对模板的侧 向压力 也大 ， 使模板容易发生变形也会形成塑性裂缝 。 ( 2 ) 沉降收缩裂缝 沉降收缩裂缝产生的主要原因是混凝土浇筑 后 ， 骨料 颗粒沉 降 ， 水泥浆 上浮 ， 受到钢 筋或预埋 件或大骨料的阻挡使混凝土相分离 。此外 ， 混凝土 本身材料不均匀沉降也可以引起裂缝。 ( 3 ) 干燥收缩裂缝 干燥 收缩的主要原 因是 混凝 土在硬化后较 长 时 间产 生的水 分蒸 发引起的 ，且这种 收缩是不 可 逆 的。由于集料 的干燥收缩很小 ， 因此混凝土的干 燥收缩 主要是 由于水 泥干燥 收缩造 成 的。混凝土 的水 分蒸发 、 干燥 过程是 由外 向 内 、 由表及里 ， 逐 渐发展 的 ， 由于混凝土蒸发干燥非常缓慢 ， 产生 干 燥收缩 裂缝 多数在一个 月以上 ，有时甚至一年半 载 ， 而且 裂缝发 生在表层 很浅 的位置 ， 裂 缝细微 。 但是应 当特别注意 ， 由于碳化 和钢筋锈蚀 的作 用 ， 干缩裂缝不仅严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久 性 ，也会使大体积 的混凝土 的表 面裂缝发展 为更 严重的裂缝 ， 影响结构 的耐久性和承载能力 。干缩 裂缝 多为表 面性 的平 行线状 或 网状浅细裂 缝 ， 宽 度多在 0 0 50 2 mm之 问，混凝土干缩主要 和混 凝土的水灰比、 水泥的成分 、 水泥的用量 、 集料的 性质和用量 、 外加 剂的用量等有关 。 1 4地基基础变形引起的裂缝 由于结 构 构 件坐 落 在 未 经处 理 或 软 弱地 基 上 ， 混凝土 浇灌完后 ， 因地基不均 匀沉降而导致 。 另外 ， 混凝 土因模板 刚度不足 ， 支撑间距过 大或底 部松动以及过早拆模也 可以引起沉 陷裂缝 ，特别 是在冬季 ， 模板支撑在冻土上 ， 冻土化冻后产生不 均匀沉降， 致使混凝土结构产生裂缝。 此类裂缝的 主要表 现形式 多为深进或贯穿性 ，其位置与沉 陷 方 向一致 ， 较 大的沉 陷裂缝往往有一定的错位 ， 裂 缝宽度与沉陷值成正比。裂缝宽度受温度变化的 影 响较小 。地基变形稳定之后 ， 沉陷裂缝也基本趋 于稳定 。 1 5化学反应引起 的裂缝 碱 骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起 的裂缝是钢 筋混凝土结构 中最常见 的由于化学反应而引起的 裂缝 。 ( 1 ) 混凝土拌和后会产生一些碱性离子 ， 这些 离子 与某些活性骨料产生化学反应并吸收周 围环 境中的水而体积增大，造成混凝土酥松、膨胀开 裂 。这种裂缝一般出现 中混凝 土结构使用期间 ， 一 旦出现很难补救 ，因此应在施工中采取有效措施 进行预防。 ( 2 ) 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 中铁离子与侵人 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 24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 2 裂缝 的预 防措 施 2 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 2温度裂缝 2 2 1内约束裂缝预防措施 ( 1 ) 原材料控制 ： 水 泥选用 矿渣水泥或低标号 水泥尽量降低水泥的水化热；若遇炎热天气施工 时应对混凝土骨料进行降温处理 ；采用粉煤灰技 术替换 部分水 泥用量来增 加混凝 土的后期强度 ， 也会减少水化热的产生 。 ( 2 ) 混凝土浇筑控制： 混凝土应分层浇筑 ， 振 捣密实。其分层浇筑厚度不宜大 于 5 0 e m， 便于混 凝土的及时散热。 ( 3 ) 昆凝土的养护控制 ： 应遵循 以下原则即内 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 6 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 5月第 5 期 外温差不超过 2 5 ；降温梯 度不得大于 2 C d ， 延 缓降温速度。养护时加强保湿保温处理。 ( 4) 混凝土配合 比控制 ： 配合 比控制中除 了原 材料控制外还应注意合理规定混凝土的水灰比， 掺加相应的外加剂。 ( 5 ) 尽量利用混凝土的 自身特性 比如应力松弛 效应， 采取长时间养护， 规定合理的拆模时间等措 施。 2 - 2 2 外约束裂缝预 防措施 ( 1 ) 主要采 取控制混凝 土 的浇 筑温度 、 温升 、 减少温差 、 改进施工操作工艺 、 改善结构约束人手 来消减温度应力 。 ( 2 ) 改善骨料级配掺加块石。 ( 3 ) 拌和水掺冰降低水温 ， 对骨料预冷降温 ， 以便于降低混凝土的人模温度。 ( 4 ) 对于大体积混凝土而言 ， 可采用循环冷水 管对混凝 土进行 降温 ，使其 内外 温差不超过 2 5 。 ( 5 ) 合理分缝分块 ， 对较长结构应设置后浇带 ； 对基岩或老混凝土垫层应在表 面铺设 5 01 0 0 m m 砂垫层 ， 以消除基岩约束和嵌固作用 。 ( 6 ) 应当适当配置温度钢筋 ， 减少混凝土温度 应力。 ( 7 ) 加强混凝土的养护 ， 适 当延 长养护 时间和 拆模时间， 使混凝土表面缓慢冷却。 2 3 收缩裂缝 ( 1 ) 塑性收缩裂缝 ： 一是选用 于缩值较小早期 强度较高 的硅酸盐或普通硅 酸盐水 泥。二 是严格 控制水灰 比，掺加高效减水 剂来增加混凝 土的坍 落度和和易性 ， 减少水泥及水的用量 。三是浇筑混 凝土之前 ， 将基层和模板浇水均匀湿透。四是及时 覆盖塑料薄膜或者潮湿的草垫、 麻片等， 保持混凝 土终凝前表面湿润 ，或者在 混凝 土表 面喷洒养护 剂 等进行养护 。五是在高温和大风天气要 设置遮 阳和挡风设施， 及时养护。六是采用二次振捣的施 工工艺 ， 特别是对表面积大而厚度小的混凝土板 ， 通过振捣使混凝土的体积收缩减小而且均匀。 ( 2 ) 沉降收缩裂缝 ： 一是 可采用稠度适 当 的低 流 动性混凝土 。二是加强振捣 ，不 能发生 漏振现 象 。三是对于断面相差大的结构物和剪力墙孔洞 处 ， 现浇管较深部位 ， 静止 1 2 h ， 让混凝土沉降 后 ， 再与断面或孔洞上部混凝土一起浇筑。四是初 凝前两次振捣和两次抹压混凝土表面。 ( 3 ) 干燥收缩裂缝 ： 一是选用收缩量较小 的水 泥， 一般采用中低热水泥和粉煤灰水泥 ， 降低水泥 的用量。二是混凝土的干缩受水灰比的影响较大， 水灰 比越大， 干缩越大 ， 因此在混凝 土配合 比设 计 中应尽量控制好水灰比的选用，同时掺加合适的 减水剂。三是严格控制混凝土搅拌和施工中的配 合 比 ，混凝土的用水量绝对不能大于配合 比设计 所给定的用水量。四是加强混凝土的早期养护 ， 并 适 当延长混凝土的养护 时间。冬季施工 时要适 当 延长混凝土保温覆盖时间， 并涂刷养护剂养护。五 是在混凝土结构中设置合适的收缩缝。 2 4地基基础变形引起 的裂缝 ( 1 ) 对松软土 、 填 土地基在上部结 构施 工前应 进行必要 的夯实和加 固。 ( 2 ) 保证模板有足够的强度和刚度， 且支撑牢 固 ， 并使地基受力均匀。 ( 3 ) 防止混凝土浇灌过程中地基被水浸泡。 ( 4 ) 模板拆除的时间不能太早 ， 且 要注意拆模 的先后次序。 ( 5 ) 在冻土上搭设模板时要注意采取一定的预 防措施 。 2 5 化学反应引起的裂缝 2 5 1 碱 骨料反应 引起裂缝预防措施 ( 1 ) 选用碱活性小的砂石骨料 。 ( 2 ) 选用低碱水泥和低碱或无碱 的外加剂 。 ( 3 ) 选用合适 的掺和料抑制碱骨料反应 。 2 5 2 钢筋锈蚀引起 裂缝预防措施 ( 1 ) 保证钢筋保护层的厚度。 ( 2 ) 混凝土级配要 良好 。 ( 3 ) 混凝土浇注要振捣密实。 ( 4 ) 钢筋表层涂刷防腐涂料。 3 裂缝 处理 裂缝 的出现不但会影响结构 的整体性和刚 度 ， 还会引起钢 筋 的锈蚀 、 加 速混凝 土的碳化 、 降 低混凝土 的耐久性和抗疲劳 、 抗渗能力。因此根据 裂缝 的性质和具体情况我们要 区别对待 、及 时处 理 ， 以保证建筑物的安全， 混凝土裂缝的修补措施 主要有 以下一些方法 ： 表 面修补法 ， 灌浆 、 嵌缝 封 堵法 ， 结构加 固法 ， 混凝 土置换法 以及 电化学 防护 法 。 3 1 表面修补法 表面修补法是一种简单 、 常见的修 补方法 ， 它 主要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表 面裂缝 以及深进裂缝 的处理 。通 常的处 理措施 是 在裂缝 的表面涂抹水泥浆 、环氧胶泥或在混凝土 表 面涂刷油漆 、 沥青等 防腐材料 ， 在防护的 同时为 了防止混凝土受各种作用 的影响继续 开裂 ，通常 可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 5 月第 5 期 城 市道桥 与 防洪 桥梁结构1 1 7 3 2灌浆 、 嵌缝封堵法 灌浆法 主要适用于对结 构整体性有影 响或 有 防渗要求的混凝土裂缝的修补，它是利用压力设 备将胶结材料压人混凝土的裂缝 中，胶结材料硬 化后与混凝土形成一个整体 ，从而起到封堵加固 的 目的 。常用 的胶结材料有水泥浆 、 环氧树脂 、 甲 基丙烯 酸酯 、 聚氨酯等化学材料 。嵌缝法是裂缝封 堵 中最常用 的一种方法 ， 它通常是沿裂缝凿槽 ， 在 槽 中嵌填塑性或刚性止水材料 ，以达到封闭裂缝 的 目的。常用 的塑性材料有聚氯乙烯胶泥 、 塑料油 膏、 丁基橡胶等等； 常用的刚性止水材料为聚合物 水 泥砂浆 。 3 3结构加固法 当裂缝影 响到混凝土结构 的性 能时 ，就要考 虑采取加 固法对混凝土结构进行处 理 。结构加 固 中常用的主要有 以下几种方法 ：加 大混凝土结构 的截面面积 ， 在构件的角部外包型钢 、 采用预应力 法加 固、 粘贴钢板加固、 增设支点加固以及喷射混 凝土补强加 固。 3 4混凝土置换法 混凝土置换法 是处理严重损坏混凝 土的一种 有效方法， 此方法是先将损坏的混凝土剔除 ， 然后 再 置换 人新的混凝土或其他材料 。常用的置换材 料有： 普通混凝土或水泥砂浆、 聚合物或改性聚合 物混凝土或砂浆 。 3 5电化学防护法 电化学 防腐是利 用施加 电场在介 质 中的 电化 ( 上接 第 1 0 4页) 4 结语 大跨度预应力盖梁 ， 可 以尽可能地少设 墩柱 。 当桥梁位 于水 面上时可减 小水 中墩 的阻水面积 ， 当桥 梁位于陆上时可增大桥下空间利用率 ，节 约 用地， 也增加了桥下空间的通透性。大宽度盖梁采 用 预应 力结构 ， 可减小 盖梁建筑高度 ， 节省混凝 土 方量 ， 节省下部结构工 程量。桥下净 空的增加 ， 还 可 以作 为施工阶段的临时用地 ，减少 临时用地 的 学作用 ，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状 态 ， 钝化钢筋， 以达到防腐的目的。阴极防护法、 氯 盐提取法 、碱性复原法是化学 防护法 中常用而有 效 的三种方法 。 4 结语 裂缝 是混凝 土结 构 中普遍 存 在 的一种 现象 ， 它 的出现不仅会影响结构物 的使用功能 ，而且会 引起钢筋的锈蚀， 混凝土的碳化， 降低材料的耐久 性 ， 影 响结 构的承载能力 ， 因此要对混凝土裂缝进 行认真研究 、 区别对待 ， 并在施工 中采取各种有效 的预防措施来预防裂缝的出现和发展，保证建筑 物和构件安全 、 稳定地工作 。 参考 文献 【 1 钢筋混 凝土结 构设计规 范【 M 北 京： 中国建筑工业 出版社， 2 005 2 】 鞠丽艳 混凝土裂缝抑制措施的研究进展【 J 混凝土， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 1 1 1 4 3 】郭仕 万， 肖欣， 赵 和平 混凝 土施工 中 的裂缝控 制 【 J 】 山西 水利科 技 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 2 1 2 2 4 王涛， 邵正明， 促晓林 混凝土塑性收缩裂缝的影响因素及预防 措施 J 】 _混凝 土， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 5 3 5 4 【 5 】 俞宾辉 建筑混凝土工程施工手册【 M 】 山东济南： 山东科学技术 出版社 2 0 0 4 【 6 蒋新利， 徐洪润 浅谈桥梁混凝土的裂缝及预防措施【 J 1 辽宁交 通科 技， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 5 7 5 9 【 7 】 李成 玉 混凝土桥梁裂缝成因及防治措施【 J 】 铁道建筑技术 2 0 04 ( 9 ) ； 7 9 征迁 ， 节省工程造价。因此 ， 大跨度预应力盖梁桥 墩结构除施工阶段控制复杂这一缺点外， 在美观 ， 利于泄洪 ， 减少征地等方面都具有很大的优势 ， 值 得推广。 参 考文献 1 】 EG D 6 0 -2 004 ， 公 路桥涵 设计通用 规范【 s 】 2 】 J rr G D 6 2 -2 0 0 4 ， 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 范【 S 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m