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养护学术论文之九--混凝土桥梁病害之裂缝分析

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养护学术论文之九--混凝土桥梁病害之裂缝分析

  • 分类:工程养护
  • 作者:唐海涛
  • 来源:养护管理部
  • 发布时间:2020-09-30
  • 访问量:0

养护学术论文之九--混凝土桥梁病害之裂缝分析

【概要描述】混凝土桥梁常遭受各类化学和物理变化,容易出现各种各样的病害,从而影响结构的正常使用,甚至危及到桥梁的使用安全。常见的混凝土桥梁病害可分为表层缺陷和裂缝两大类。其中裂缝又分为非结构裂缝和结构裂缝。
一、非结构裂缝
混凝土是由砂石骨料、水泥、水及留存其中的气体组成的非均匀性脆性材料。在温度、湿度变化及混凝土硬化产生的体积变形下,各组分材料产生了不均匀的体积变形,而这种变形总是受到钢筋、邻近部位结构及模

  • 分类:工程养护
  • 作者:唐海涛
  • 来源:养护管理部
  • 发布时间:2020-09-30 14:32
  • 访问量:0
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混凝土桥梁常遭受各类化学和物理变化,容易出现各种各样的病害,从而影响结构的正常使用,甚至危及到桥梁的使用安全。常见的混凝土桥梁病害可分为表层缺陷和裂缝两大类。其中裂缝又分为非结构裂缝和结构裂缝。

一、非结构裂缝

混凝土是由砂石骨料、水泥、水及留存其中的气体组成的非均匀性脆性材料。在温度、湿度变化及混凝土硬化产生的体积变形下,各组分材料产生了不均匀的体积变形,而这种变形总是受到钢筋、邻近部位结构及模板、基底的限制,从而在混凝土内部产生了约束应力。一旦约束应力超过水泥和骨料之间的粘结强度及水泥自身的抗拉强度,在混凝土内部即产生了用显微镜才能看到的细微裂缝。此细微裂缝在结构或非结构因素的进一步作用下,就可能发展成为肉眼可见的宏观裂缝,这种非因荷载力或其他外力引发的裂缝,即非结构性混凝土裂缝。主要类型有如下几种:

(一)混凝土塑性干缩裂缝。

塑性干缩裂缝是混凝土在硬化过程中因表面水分蒸发而引起的干缩裂缝,通常见于混凝土构件浇注后未覆盖部位的表面,尤其是大块板面。其形成可用水泥浆体毛细空隙内的毛细水拉力来解释:混凝土中存在大量毛细孔道,当混凝土固体质点间的毛细空隙水因蒸发减少时,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,形成弯液面而产生拉力,使尚处于可塑性状态的混凝土收缩。混凝土初期收缩历程可划分为四个阶段:在混凝土浇注后最初1小时内为第一阶段,沁水速度大于蒸发干燥速度,混凝土表面不会收缩;此后约40分钟为第二阶段,蒸发速度大于沁水速度,混凝土表面开始收缩,但由于混凝土尚未完全凝固余有足够塑性,能够适应体积变化而不会开裂;再后1小时为第三阶段,混凝土逐步完成初凝,塑性大幅度降低,而水分蒸发仍持续不断,就有可能引起塑性开裂;混凝土初凝至终凝期间约2小时为第四阶段,混凝土逐步完全失去塑性,但水分仍在持续蒸发引起干燥收缩远大于混凝土凝结收缩,必然形成裂缝。

增加用水量通常会使毛细空隙增大,从而减少塑性收缩的毛细拉力,但实际情况用水量大的新搅拌混凝土有高得多的塑性收缩值,更容易引发塑性开裂。其缘由是塑性收缩值的大小还要与浆体抵抗塑性收缩的能力有关,如果浆体较硬,其抵抗塑性收缩的能力较大,而增加用水量则使混凝土浆体稠度降低从而导致抵抗塑性收缩能力降低,所以最终塑性收缩反而增大。气温越高、相对湿度越低、风速越快,毛细空隙水因蒸发速度越快,毛细水拉力越大,混凝土收缩的也就越厉害,尤其是相对湿度的影响最为严重。

(二)混凝土塑性沉降裂缝。

在新搅拌的混凝土中,骨料颗粒悬浮在一定稠度的水泥浆体中,浆体的重量密度较低,水灰比0.6的浆体的重量密度只有骨料重量密度的一半,所以骨料在浆体中有下沉的趋势,而浆体中水泥颗粒又远重于水,使得新搅拌混凝土的多余水分向上转移,即发生“沉降”与“沁水”现象。沁水使混凝土的多余水分减少,有利于提高硬化后的混凝土的强度,但是沁水和沉降带来的危害更大:骨料的下沉和水分的上升会在水平钢筋的底部形成空隙并积聚水分,为锈蚀留下了隐患;水分上升还会滞留在粗骨料的底部,造成混凝土抗渗性和抗冻性降低;当处置下沉的固体颗粒遇到水平设置的钢筋或紧固螺栓等预埋件,或受到侧面模板的摩擦阻力时,受到阻拦并与部位的混凝土形成沉降差,结果在混凝土顶部表面造成塑性沉降裂缝。另外,如果同时浇注梁、板、柱或墙的混凝土,由于这些构件的深度不同,有着不同的沉降,从而在这些构件交接面处形成沉降差并产生塑性沉降裂缝。

混凝土塑性沉降裂缝与钢筋尺寸、保护层厚度及坍落度几个因素有关。坍落度愈大,沉降开裂的可能性也愈大。在接近表面的水平钢筋上方最容易形成沉降裂缝,并随钢筋直径加粗和保护层减小而愈趋严重。当保护层过薄时,塑性沉降裂缝甚至会深入钢筋表面并沿着钢筋通长发展。

(三)混凝土干燥收缩裂缝。

混凝土在塑性流动性终止初凝并进入硬化阶段,干燥收缩一直在进行,即使达到28d龄期也不能说终止,有的工程可以持续若干年。所以说干燥收缩是水泥基混凝土的固有特性。浇注时呈流动状态的混凝土混合介质,硬化后呈固体状态除了硬化生成硅酸钙等固体物质,是一个化学反应过程外,还伴随着一个水分蒸发干燥的物理过程,形成干燥收缩裂缝。混凝土内的固体水泥体积会随水分含量的减少而减小,而砂石等骨料却保持相对稳定状态,对水泥浆体的体积因水分蒸发造成的体积减小则起很大的约束作用,使混凝土的体积变化远远低于水泥浆体的体积变化,其中差值只有形成无数细微的裂缝了。

影响混凝土干燥收缩的因素很多,主要因素有水泥品种、骨料类型和用量、用水量、水泥用量和水灰比、化学外加剂、粉煤灰等火山灰掺料、环境条件、构件尺寸等。

(四)混凝土自生收缩裂缝。

自生收缩裂缝是水泥水化作用引起的收缩,并不属于干燥收缩。在已硬化的水泥浆体中,未水化的水泥继续水化是产生自生收缩的主要原因。水化使空隙尺寸减小并消耗水分,如无外界水分补给,就会引起毛细水负压使硬化水化物受压产生体积变化即自生收缩裂缝。

水灰比越低,自生收缩越大,掺加硅粉更能加大自生收缩。一些改善自生收缩的措施常与提高混凝土强度措施相矛盾,在实际工程中需要具体分析,如采用高强度混凝土则必须高度重视自生收缩危害,但标号较低的混凝土自生收缩则不是主要矛盾。

(五)温度裂缝。

由于水泥凝结硬化过程中产生大量的水化热,且主要集中在浇筑后的7d左右。一般每千克水泥可以放出500千焦左右的热量,如果以水泥用量每立方米350~550公斤来计算,每立方米混凝土将放出175000~275000千焦的热量,从而使混凝土内部升高(可达70℃左右)。混凝土内部和表面的散热条件不同,内部热量不易散发,致使其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多;而在混凝土升温峰值过后的降温过程中,内部降温速度又比其表层慢得多,因此混凝土中心温度很高,这样就会形成温度梯度。在这些过程中,混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界约束的作用而在混凝土内产生的温度应力,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。外界气温愈高,混凝土的浇筑温度也就会愈高;但外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快,会造成很大的温度应力,极其容易引发混凝土的开裂。尤其外界气温变化较大时,混凝土内部与外界温差很大,温度应力峰值愈大,超过混凝土极限值的可能性也愈大,产生温度裂缝的几率自然愈大。由于产生原因的不同,可能出现在表面层、深层或贯通裂缝。表面温度裂缝多由于温度差较大引起,如冬季施工过早拆模板,导致混凝土表面急剧的温度变化约束,产生较大拉应力,而使混凝土表面出现裂缝。深进的和贯穿的温度裂缝多由于结构温差较大,受到外界约束而引起,如混凝土浇注温度较高,加上水泥水化反应热导致的升温,使混凝土内部温度很高,当混凝土冷却收缩,受到垫层或其它外部结构的约束,将使混凝土内部出现很大拉应力,超过混凝土极限值时就产生降温收缩裂缝。温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温度变化较大地区的混凝土结构中。

(六)施工因素裂缝。

工程施工质量对裂缝的影响十分明显。在混凝土浇注、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的、贯穿的各种裂缝。裂缝出现的部位、深度和走向因产生的原因而异,裂缝宽度、深度、长度不一,无一定规律。

钢筋混凝土结构在如下情况易出现施工裂缝:1.保护层过厚或乱踩踏已绑扎的上层钢筋,使承受负弯矩的受力筋保护层加厚,导致构件的有效高度减小,形成于受力筋垂直方向的裂缝。2.混凝土浇注过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易在浇注数个小时后发生裂缝。混凝土分层或分段浇注时,接头部位处理不好,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。混凝土振捣不实、不均匀,易出现施工裂缝。3.用泵送混凝土施工时,为保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其它原因加大了水灰比,导致混凝土硬化时收缩量增加,使混凝土出现不规则裂缝。4.施工前对支架压实不足或支架刚度不足,浇注混凝土后支架不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝。施工时模板刚度不足,在浇注混凝土时由于侧向压力的作用使模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。拆模过早,混凝土强度不足,使构件在自重或施工荷载的作用下产生裂缝。

(七)化学反应裂缝。

在钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应引起的裂缝是碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝。混凝土拌和后会产生一些碱性离子,这些碱性离子与某些活性骨料产生化学反应并吸收这位环境中的水分而体积增大,造成混凝土酥松、膨胀开裂。由于混凝土浇注、振捣不实或者钢筋保护层过薄,有害物质进入混凝土,使钢筋产生锈蚀、体积膨胀,导致混凝土涨裂。

非结构性混凝土裂缝的成因复杂,完全消除它从技术上讲是不可能的,从经济上讲是不不经济的,我们只能根据其形成机理,有针对性地加以预防、控制。同时,以上各项技术措施并不是孤立的,而是相互联系、相互制约的,设计和施工中必须结合实际、全面考虑、合理采用,才能起到良好的效果。实践证明,在优化配合比设计,严格控制原材料质量,改善施工工艺,提高施工质量,做好温度监测工作及加强养护等方面采取有效技术措施,坚持严谨的施工组织管理,可以有效控制非结构性裂缝的产生。

二、结构裂缝。

钢筋混凝土结构的裂缝产生的原因主要有三种:

(一)由外部荷载引起的裂缝隙,按常规计算的各种荷载引起的;

(二)由于结构的实际工作状态与设计模型的不同而产生的结构次应力引起的裂缝;

(三)由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素产生的变形应力引起的裂缝,施工中可采取措施避免。

(四)大体积混凝土结构中,由于结构截面大,水泥用量多,水泥水化释放的水化热能产生很大的温度变化和收缩作用,是导致大体积混凝土温度裂缝的主要原因。

裂缝按其开裂深度可分为表面的、贯穿的;按其在结构物表面上的形状可分为网状裂缝、爆裂状裂缝、不规则短裂缝、纵向裂缝、横向裂缝、斜裂缝等;按其发展情况可分为稳定的和不稳定的、能愈合的和不能愈合的:按其产生的时间可分为混凝土硬化之前产生的塑性裂缝和硬化之后产生的裂缝按其产生的原因,可分为荷载裂缝和变形裂缝。其中,荷载裂缝是指因动、静荷载的直接作用引起的裂缝;变形裂缝是指因不均匀沉降、温度变化、湿度变异、膨胀、收缩、徐变等变形因素引起的裂缝。工程实践中发现,混凝土墙体裂缝大多数为拆模时已经形成,属于早期裂缝。

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