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淺議橋梁混凝土結構工程中的裂縫成因

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    在橋梁施工過程中,只要嚴格控制好材料質量、施工工藝、以及現場的施工管理,根據現場條件、材料特點、氣溫等多種因素,采取合理的技術措施和組織措施,就能有效地控制裂縫的產生,確保工程質量和結構安全使用。
一、施工材料質量引起的裂縫
  混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格,可能導致結構出現裂縫。
  (一)水泥
  1、水泥安定性不合格,水泥中游離的氧化鈣含量超標。游離氧化鈣是熟料中的有害成分,在凝結過程中水化速度很慢,在硬化水泥中繼續與水作用,生成氫氧化鈣晶體,體積增大近1倍,產生體積膨脹,可破壞已硬化的水泥石,使混凝土抗拉強度下降。
  2、水泥出廠時強度不足,水泥受潮或過期,可能使混凝土強度不足,從而導致混凝土開裂。
  3、當水泥含堿量較高(例如超過0.6%),同時又使用含有堿活性的骨料,可能導致堿骨料反應。
  (二)砂、石骨料
  砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大,將導致水泥和拌和水用量加大,影響混凝土的強度,使混凝土收縮加大,如果使用超出規定的特細砂,后果更嚴重。砂石中云母的含量較高,將削弱水泥與骨料的粘結力,降低混凝土強度。
  砂石中含泥量高,不僅將造成水泥和拌和水用量加大,而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗滲性。砂石中有機質和輕物質過多,將延緩水泥的硬化過程,降低混凝土強度,特別是早期強度。砂石中水溶性硫酸鹽及硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發生化學反應,體積膨脹2.5倍,也可導致硬化混凝土的開裂。
  (三)拌和水及外加劑
  拌和水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土,或采用含堿的外加劑,可能導致堿骨料反應的發生。
  二、荷載及溫度變化引起的裂縫
  (一)荷載引起的裂縫
橋梁混凝土在常規靜、動荷載作用下產生的裂縫稱荷載裂縫,裂縫產生的原因有:
  1、設計計算階段,結構計算時不計算或部分漏算;計算模型不合理;荷載少算或漏算;內力與配筋計算錯誤;結構安全系數不夠;結構設計時不考慮施工的可能性;設計圖紙交代不清等。
  2、施工階段,不加限制地堆放施工機具、材料;不了解預制結構受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖紙施工,擅自更改結構施工順序,改變結構受力模式等。
  3、使用階段,超出設計載荷的重型車輛過橋;受車輛、船舶的接觸、撞擊;發生大風、大雪、地震、爆炸等。
  (二)溫度變化引起的裂縫
  混凝土具有熱脹冷縮性質,當外部環境或結構內部溫度發生變化,混凝土將發生變形,若變形遭到約束,則在結構內將產生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。引起溫度變化而導致裂縫產生的主要因素有:
  1、年溫差
一年中四季溫度不斷變化,但變化相對緩慢,對橋梁結構的影響主要是導致橋梁的縱向位移,一般可采取橋面伸縮縫、支座位移或設置柔性墩等構造措施,只有結構的位移受到限制時才會引起溫度裂縫,例如拱橋、剛架橋等。
  2、日照
橋面板、主梁或橋墩側面受太陽曝曬后,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,導致局部拉應力較大,出現裂縫。
  3、驟然降溫
突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降,但因內部溫度變化相對較慢而產生溫度梯度,從而導致產生溫度裂縫。日照和驟然降溫是導致結構溫度裂縫的最常見原因。
  4、水化熱
出現在施工過程中,大體積混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱,致使內部溫度很高,內外溫差太大,致使表面出現裂縫。施工中應根據實際情況,盡量選擇水化熱低的水泥品種,限制水泥用量,降低骨料入模溫度,減小內外溫差,并緩慢降溫,必要時可采用循環冷卻系統進行內部散熱。
  5、蒸汽養護或冬季施工時施工措施不當,混凝土驟冷驟熱,內外溫度不均,易出現裂縫。這種裂縫的產生在北方地區比較常見,在冬季混凝土施工中要盡量注意避免。
三、鋼筋銹蝕及基礎變形引起的裂縫
(一)鋼筋銹蝕引起的裂縫
  由于混凝土質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生銹蝕反應,其銹蝕物體積比原來增長較大,從而對周圍混凝土產生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結構承載力下降,并將誘發其它形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導致結構破壞
  (二)基礎變形引起的裂縫
由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移,使結構中產生附加應力,超出混凝土結構的抗拉能力,導致結構開裂。基礎不均勻沉降的主要原因有:
  1、地質勘察精度不夠、試驗資料不準。沒有充分掌握地質情況就設計、施工,這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區或山嶺區橋梁,勘察時鉆孔間距太遠,而地基巖面起伏又大,勘察報告不能充分反映實際地質情況。
2、地基地質差異太大。建造在山區溝谷的橋梁,河溝處的地質與山坡處變化較大,河溝中甚至存在軟弱地基,地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。
  3、結構荷載差異太大。在地質情況比較一致條件下,各部分基礎荷載差異太大時,有可能引起不均勻沉降,例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大,中部的沉降就要比兩邊大,箱涵可能開裂。
  4、結構基礎類型差別大。同一聯橋梁中,混合使用不同基礎如擴大基礎和樁基礎,或同時采用樁基礎但樁徑或樁長差別大時,或同時采用擴大基礎但基底標高差異大時,也可能引起地基不均勻沉降。
  5、分期建造的基礎。在原有橋梁基礎附近新建橋梁時,如分期修建的高速公路左右半幅橋梁,新建橋梁荷載或基礎處理時引起地基土重新固結,均可能對原有橋梁基礎造成較大沉降。
  6、地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹;一旦溫度回升,則凍土融化,地基下沉。因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。
  7、橋梁基礎置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時,可能造成不均勻沉降。
  8、橋梁建成以后,原有地基條件變化。大多數天然地基和人工地基浸水后,尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土,土體強度遇水下降,壓縮變形加大。在軟土地基中,因人工抽水或干旱季節導致地下水位下降,地基土層重新固結下沉,同時對基礎的上浮力減小,負摩阻力增加,基礎受荷加大。有些橋梁基礎埋置過淺,受洪水沖刷、淘挖,基礎可能位移。地面荷載條件的變化,如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等,橋址范圍土層可能受壓縮再次變形。因此,使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。對于拱橋等產生水平推力的結構物,對地質情況掌握不夠、設計不合理和施工時破壞了原有地質條件是產生水平位移裂縫的主要原因。

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