橋梁墩身混凝土裂紋分析原因

...wd......wd......wd...混凝土橋墩裂縫分析和控制中鐵0局集團二處[提要]：本文對鐵路和公路橋梁墩身混凝土在施工過程中的非受力裂縫的產(chǎn)生原因作了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施及處理方法。[關(guān)鍵詞]：橋墩裂紋分析控制許多橋梁混凝土橋墩在施工過程中出現(xiàn)了不同程度、不同形式的裂縫，這是一個相當(dāng)普遍的現(xiàn)象。橋梁墩身混凝土裂縫是一直困擾著橋梁工程技術(shù)人員的技術(shù)難題。如2001年隴海線改建寶蘭二線施工過程中寶天段多座橋梁橋墩澆灌完畢后不同程度的存在裂縫，為此鄭州局西安工程指揮部組織寶蘭二線設(shè)計、監(jiān)理、各施工單位和有關(guān)專家沿線參觀并組織招開研討會。我單位在最近幾年所施工的橋梁中亦有多座橋墩發(fā)現(xiàn)裂縫。為進(jìn)一步加強對橋梁墩身混凝土裂縫的認(rèn)識，盡量防止工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫，本文對混凝土橋墩裂縫的種類和原因作了分析、總結(jié)，并提出了在實際施工中具有可操作性的預(yù)防措施和處理方法。一、混凝土橋墩裂縫產(chǎn)生的原因混凝土是一種多相體，它既具有抗壓極限強度較高、耐久性良好的優(yōu)點，又具有抗拉強度較低，受拉時抗變形能力小，容易開裂等缺點。混凝土構(gòu)造所產(chǎn)生的裂縫原因大致可分以下三種：1、由外荷載〔如靜、動荷載〕的直接應(yīng)力所產(chǎn)生的裂紋；2、由構(gòu)造的次應(yīng)力〔彎矩及切力〕引起的裂縫；3、變形變化所產(chǎn)生的裂紋，即主要由溫度、收縮、不均勻沉降或膨脹等因素而引起的裂縫。相關(guān)資料中認(rèn)為，工程實踐中構(gòu)造物的裂縫原因，屬于由荷載引起的約占20%左右，屬于由變形變化引起的約占80%以上。變形所產(chǎn)生的裂縫又分為溫度差所產(chǎn)生的裂紋和收縮所產(chǎn)生的裂紋。溫度差所產(chǎn)生的裂紋如外界氣溫的驟然變化及混凝土水化熱不均所產(chǎn)生的裂紋。收縮所產(chǎn)生的裂紋有干縮、塑性收縮、碳化收縮及自收縮等所產(chǎn)生的裂紋。〔1〕溫度變化引起的裂縫混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或構(gòu)造內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，假設(shè)變形遭到約束，則在構(gòu)造內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。引起溫度變化主要因素有：A、年、月溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對緩慢。我國年溫差一般以一月和七月的月平均溫度作為變化幅度。年、月溫差產(chǎn)生的裂縫一般屬深層裂縫。B、日照。橋墩側(cè)面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。日照產(chǎn)生的裂縫一般屬外表裂縫。日照和驟然降溫是導(dǎo)致構(gòu)造溫度裂縫的最常見原因。C、驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致構(gòu)造外外表溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。D、水化熱。水泥在水化過程中放出的熱量是混凝土體內(nèi)溫度上升的主要因素?；炷羶?nèi)部溫度顯著升高，體積膨脹。由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，而混凝土外部卻隨氣溫降低而冷卻收縮，混凝土內(nèi)部膨脹與外部收縮這兩種作用互相抵抗，使外部混凝土產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強度缺乏以抵抗這種拉應(yīng)力時，便開場出現(xiàn)裂縫。水化熱裂縫僅存在構(gòu)造外表。E、蒸汽養(yǎng)護或冬季施工時施工措施不當(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。〔2〕收縮引起的裂縫在實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中，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，另外還有自生收縮和炭化收縮。A、塑性收縮。發(fā)生在施工過程中、混凝土澆筑后4~15小時左右，此時水泥水化反響劇烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，此時骨料與膠合料之間產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，都發(fā)生在混凝土終凝之前，即塑性階段，稱為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級很大，可達(dá)1%左右。常在澆筑大體積混凝土后4~15小時內(nèi)，在外表上，特別在養(yǎng)護不良的部位出現(xiàn)龜裂，裂縫無規(guī)則，既寬〔1~2mm〕又密〔間距5~10cm〕，屬外表裂縫。由于沉縮的作用，這些裂縫往往沿鋼筋分布。B、縮水收縮〔干縮〕?；炷两Y(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮〔干縮〕。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生外表收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，外表收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使外表混凝土承受拉力，當(dāng)外表混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產(chǎn)生收縮裂縫?；炷劣不笫湛s主要就是縮水收縮。C、自生收縮。自生收縮是混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反響，這種收縮與外界濕度無關(guān)，且可以是正的〔即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土〕，也可以是負(fù)的〔即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土〕。D、炭化收縮。大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反響引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快?；炷潦湛s裂縫的特點是大局部屬外表裂縫，裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交織，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律?！?〕約束條件的影響約束條件是指各種構(gòu)造物在變形變化中所受之約束而阻礙其變形。橋梁墩身的外部約束指橋墩的邊界條件如橋墩承臺、墩身模板等對橋墩墩身混凝土變形的約束。當(dāng)橋墩承臺與墩身混凝土澆筑間距時間較長，墩身混凝土收縮變形時承臺即阻礙墩身混凝土的收縮，當(dāng)其所產(chǎn)生拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，墩身便產(chǎn)生裂縫。承臺約束所產(chǎn)生裂縫一般在墩身中心線附近，為豎向裂縫。墩身混凝土澆筑初期，橋梁墩身模板對其起約束作用。假設(shè)拆模較早，釋放了混凝土所受握裹力，混凝土向外放張，假設(shè)所受拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，即產(chǎn)生裂縫。二、常見橋梁墩身裂縫形式在施工過程中橋梁墩身常見的裂縫有：橋墩中心線裂縫橋墩中心線裂縫對拉筋孔圖2、對拉筋孔處裂縫中心線裂縫橋墩圖1、中心線附近裂縫1、橋墩中心線附近的豎向裂縫；2、橋墩在日照時間較長側(cè)的裂縫；3、在橋墩模板對拉筋孔處的裂縫；4、在橋墩模板分塊接縫處的裂縫；5、橋墩頂部環(huán)向裂縫；6、混凝土外表細(xì)小，不規(guī)則、長短不一的裂縫。橋墩中心線附近的裂縫可能是由于約束條件和溫度共同作用產(chǎn)生的裂縫；橋墩在日照時間較長側(cè)的裂縫則可能是由于日照溫差的影響產(chǎn)生的裂縫；在橋墩模板對拉孔位處的裂縫可能是由于水化熱溫差和收縮所產(chǎn)生的裂縫；模板分塊接縫處的裂縫可能是由于澆筑后為便于拆模松動連接螺栓后一方面約束釋放，另一方面溫差變化較大而引起的；橋墩頂部的環(huán)向裂縫可能是收縮裂縫或頂部施工荷載所引起；橋墩混凝土外表的細(xì)小、不規(guī)則、長短不一的裂縫則可能是收縮裂縫和溫度變化引起的裂縫。各種裂縫的劃分并無嚴(yán)格界限，混凝土橋墩裂縫產(chǎn)生的原因往往是多種因素共同作用的影響而產(chǎn)生。三、橋梁墩身混凝土裂縫的控制標(biāo)準(zhǔn)1、《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)造設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》〔TB10002.3-99〕中第5.2.7中規(guī)定鋼筋混凝土構(gòu)造構(gòu)件的計算裂縫寬度容許值：裂縫寬度容許值[ωf](mm)構(gòu)造構(gòu)件所處環(huán)境條件[ωf]水下構(gòu)造或地下構(gòu)造長期處于水下或潮濕的土壤中無侵蝕性介質(zhì)0.25有侵蝕性介質(zhì)0.20處于水位經(jīng)常反復(fù)變動的條件下無侵蝕性介質(zhì)0.20有侵蝕性介質(zhì)0.15一般大氣條件下的地面構(gòu)造有防護措施—0.25無防護措施—0.202、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》〔JTJ023—85〕第4.2.6條規(guī)定：在一般正常大氣〔不帶高濃度侵蝕性氣體〕條件下，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件在荷載組合I作用下，算得的最大裂縫寬度不應(yīng)超過0.2mm；在荷載組合Ⅱ或組合Ⅲ作用下，不應(yīng)超過0.25mm。處于嚴(yán)重暴露情況〔有侵蝕氣體或海洋大氣〕下的鋼筋混凝土構(gòu)件，容許裂縫寬度不應(yīng)超過0.1mm。3、《鐵路橋涵工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》〔TB10415—98〕第8.1.7條：混凝土墩臺外觀評定應(yīng)符合以下規(guī)定：合格：混凝土根本無蜂窩麻面，但存在0.2mm以下局部收縮裂紋，接槎處無明顯錯位、無跑?，F(xiàn)象，允許偏差符合規(guī)定。優(yōu)良：混凝土光滑平整，接槎順直，無0.2mm以下局部收縮裂紋，允許偏差符合規(guī)定。4、《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》〔JTJ071—98〕第6.13.3.2條規(guī)定：混凝土外表出現(xiàn)非受力裂縫，減1~3分?？p寬超過0.15mm者必須處理。從以上標(biāo)準(zhǔn)可看出，對于混凝土橋墩，不允許出現(xiàn)荷載應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，而僅僅可存在一定的因變形變化而產(chǎn)生的非受力性裂縫。對于鐵路橋梁混凝土墩臺，一般情況下要求裂縫的寬度不得大于0.2mm；對于公路橋梁墩臺，一般情況下要求裂縫的寬度不得大于0.2mm，大于0.15mm的裂縫必須進(jìn)展處理。對于裂縫的深度一般無規(guī)定。四、橋梁墩身混凝土裂縫的預(yù)防橋梁墩身混凝土的非受力裂縫會嚴(yán)重降低橋墩混凝土構(gòu)造的整體性和耐久性?，F(xiàn)在對于工程質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格，一般要求橋墩上少出現(xiàn)、甚至不允許出現(xiàn)非受力裂縫，這樣就必須加強對橋梁墩身混凝土裂縫的預(yù)防。由于墩身混凝土裂縫的主要原因為水化熱、驟然降溫、日照及收縮等，因而主要針對降低混凝土水化熱、防止溫度驟變、減少收縮及提高混凝土抗裂能力等方面著手。1、混凝土材料〔1〕水泥：選用低水化熱水泥，如礦渣硅酸鹽水泥與低熱微膨脹水泥等。水泥標(biāo)號越高、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時間越長?！?〕細(xì)骨料含泥量小于3%，采用中粗砂，級配良好；〔3〕粗骨料優(yōu)先選用5~40mm石子，含泥量小于1%，針、片狀小于10%〔重量比〕，級配良好；〔4〕當(dāng)混凝土的粗骨料或細(xì)骨料具有潛在堿活性時，橋墩混凝土的最大堿含量：假設(shè)骨料具有堿—硅酸鹽反響活性時，在枯燥環(huán)境中為3.5kg/m3在潮濕環(huán)境中為3.0kg/m3，在含堿環(huán)境中必須用非堿活性骨料；假設(shè)骨料具有堿—碳酸鹽反響活性時必須用非堿活性骨料。2、混凝土配合比〔1〕降低水灰比。盡可能降低水灰比，不僅可有效降低水化熱，而且可提高強度，減少收縮，減少外觀弊病?！?〕不要盲目增加水泥用量。目前，在施工現(xiàn)場，為了提高混凝土的強度，施工時經(jīng)常采用強行增加水泥用量的做法，結(jié)果收縮明顯加大?！?〕摻粉煤灰?；炷羶?nèi)摻入粉煤灰后，可降低水化熱；減少枯燥收縮；減少受熱體積變化；有火山灰作用；增加混凝土最大抗壓強度；增加抗拉強度；增加最大抗彎強度；增加彈性模量；改善和易性；減少離析現(xiàn)象；在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃容許范圍內(nèi)，凝結(jié)較緩；改善成型質(zhì)量和對模型的磨損；減低堿—集料反響；降低透水性和浸析現(xiàn)象；使用引氣劑時具有足夠的抗凍融抵抗力；增強對硫酸鹽的抵抗力；節(jié)約水泥，降低本錢。但摻粉煤灰混凝土的抗凍性、抗碳化性有所降低。在普通混凝土中，一般采用超量取代法摻用粉煤灰，適當(dāng)降低水灰比，可減小對混凝土抗凍性及抗碳化性的影響。粉煤灰取代水泥率見下表：粉煤灰取代水泥百分率混凝土強度等級取代普通硅酸鹽水泥率〔%〕取代礦渣硅酸鹽水泥率〔%〕C15以下15~2510~20C2015~2010~15C25~C3010~1510注：a、以32.5號水泥配制成的混凝土取表中下限值；以42.5號水泥配制成的混凝土取上限值；b、C20以上的混凝土宜采用I、II級粉煤灰，C15以下的素混凝土可采用Ⅲ級粉煤灰?！?〕泵送混凝土砂率應(yīng)在35%~45%之間，在滿足可泵性前提下，盡量降低砂率。摻入粉煤灰后，砂率宜減小2%~6%?！?〕坍落度在滿足泵送條件下盡量選小值?！?〕摻緩凝外加劑，以節(jié)約水泥，改善混凝土和易性與可泵性，延長緩凝時間。冬天不加緩凝外加劑?！?〕C20以下的混凝土，在設(shè)計允許時，可摻入低于25%的片石，可有效減小水化熱。3、施工工藝〔1〕模板：橋墩模板一般采用鋼模板。對于橋墩，尤其是鐵路橋墩直徑較大，鋼模板一定要有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，能承受新澆筑混凝土的重力、側(cè)壓力及施工中可能產(chǎn)生的各種荷載。模板安裝要結(jié)實，模板與腳手架不宜互相連接?！?〕降低混凝土澆筑入模溫度：A、防止氣溫高時澆筑混凝土；B、冷卻拌和水，夏季用井水或水中摻冰霄；C、冷卻骨料及水泥；D、泵送混凝土的泵送管加鋪草包及噴水?！?〕混凝土分層澆筑，每層厚度不宜超過30cm?？刂茲仓俣?，澆筑速度不宜過快。可有利于水化熱的散發(fā)和減小混凝土的塑性收縮裂縫?！?〕混凝土搗固密實，可有效防止收縮裂縫。但不可過搗，否則造成混凝土離析，墩身外外表呈樹支狀紋路或砂化。〔5〕盡量減少施工縫，認(rèn)真處理施工縫，減少環(huán)向裂縫的產(chǎn)生。但不可過分追求一次澆筑成型?！?〕混凝土在澆筑振搗過程中的泌水，應(yīng)予以排除?！?〕為防止氣溫驟變對混凝土的影響，最簡單、易行、可靠的方法是在橋墩模板外側(cè)掛草席或麻袋。在澆筑混凝土前即開場給模板及草席澆水，在混凝土澆筑過程中及澆筑后一直澆水，對模板進(jìn)展控溫。在盛夏可防止外界熱量侵襲混凝土，在冬季可起到保溫的作用?！?〕適當(dāng)推遲拆模時間?；炷翝仓r模板外張受拉力。假設(shè)拆模時間過早，則釋放了混凝土所受握裹力，混凝土向外放張而開裂。另模板撤除可看是一溫度驟降的過程?！?〕拆模后，即時在橋墩混凝土外表包裹一層塑料薄膜，可有效減少混凝土外外表水分的散發(fā)，減少混凝土的收縮?！?0〕為提高混凝土抗裂能力，可在外表加鋼筋網(wǎng)、鐵絲網(wǎng)。對于有鋼筋的橋墩，嚴(yán)格控制保護層厚度。保護層過厚會造成外表裂縫?！?1〕橋墩頂部混凝土外露面作好二次趕壓抹平，及早覆蓋?！?2〕橋墩承臺施工完畢后，應(yīng)及早澆筑墩身混凝土，以減小承臺對墩身的約束影響。五、橋墩混凝土裂縫的處理雖然對橋墩混凝土的原材料、配合比及工藝等方面加強預(yù)防措施，但混凝土橋墩的裂縫仍是不可防止的。對于橋墩裂縫，首先必須分析裂縫的形成原因。對于降低承載力的裂縫，必須由業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理和施工單位四方共同對其公析后采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)展處理，或補強型化學(xué)灌漿，或返工重做。假設(shè)由于變形變化所引起的非受力裂縫，大約占80%，而這種裂縫無承載力危險。可采用防水型化學(xué)灌漿技術(shù)作一般外表處理。對于須進(jìn)展處理的裂縫標(biāo)準(zhǔn)，公路橋墩，《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》中也明確說明縫寬超過0.15mm者必須處理；鐵路橋墩，可存在0.2mm以下局部收縮裂縫，但通常對寬度在0.1mm以上的裂縫進(jìn)展灌漿修補。修補的方法一般采用環(huán)氧樹脂灌漿修補。環(huán)氧灌漿材料是以環(huán)氧樹脂為主要成分，參加增塑劑、稀釋劑和固化劑等組成的一種高分子材料，一般具有良好的物理力學(xué)性能。配比可參考下表。材料名稱規(guī)格重量比(g)備注環(huán)氧樹脂E--44100主劑鄰苯二甲酸二丁酯工業(yè)10增塑劑二甲苯工業(yè)30~60稀釋劑，用量縫寬大小而定乙二胺試劑8~10固化劑，用量以操作時間、環(huán)境溫度而定在灌漿以前，必須用鋼絲刷將混凝土外表的灰塵、浮渣及松散層仔細(xì)去除，嚴(yán)重者用丙酮擦洗，露出混凝土本體，使裂縫處保持干凈。布嘴時選擇裂縫較寬處粘合嘴子。嘴子之間的距離，視裂縫大小、構(gòu)造形式而定，一般為30~60cm，水平裂縫則可適當(dāng)縮??；裂縫縱橫交織時，穿插處必須加設(shè)嘴子；裂縫的端部應(yīng)設(shè)嘴子；貫穿縫必須在兩面設(shè)嘴子，且交織進(jìn)展。用紅鉛筆劃出嘴子位置；記錄裂縫寬度；用二甲苯擦凈鋼嘴底盤；將環(huán)氧膩子刮在鋼嘴底盤上；貼在紅鉛筆劃出的位置；用環(huán)氧膩子封閉裂縫。布嘴和封閉用環(huán)氧膩子配方可參考下表：材料名稱規(guī)格重量比〔g〕材料名稱規(guī)格重量比〔g〕環(huán)氧樹脂E—44100乙二胺試劑8~