在橋樑建造和使用過程中,大體積商品混凝土裂縫經常出現。大體積商品混凝土的裂縫是由於大體積商品混凝土內部應力和外部荷載作用,以及溫度變化等因素作用下形成的。一般正常大氣條件下,荷載組合I作用下寬度小於0.2 mm的裂縫,荷載組合Ⅱ、Ⅲ作用下寬度小於0.25 mm的裂縫以及處於嚴重暴露情況下,寬度小於0.1 mm的裂縫都屬於正常的工作裂縫。超出以上範圍的裂縫屬於非正常裂縫,終究會影響結構物的耐久性。並且有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下,不斷擴展,不但會影響大體積商品混凝土表面的美觀、減小鋼筋的大體積商品混凝土保護層厚度,而且易引發大體積商品混凝土面層剝落,加速鋼筋的鏽蝕,降低大體積商品混凝土的抗凍性及耐久性,嚴重時甚至發生垮塌事故,所以必須加以控制。
一、商品混凝土裂縫產生的原因
大體積商品混凝土結構通常具有以下特點:商品混凝土是脆性材料,抗拉強度只有抗壓強度的1/10左右。大體積商品混凝土的斷面尺寸較大,由於水泥的水化熱會使商品混凝土內部溫度急劇上升;以及在以後的降溫過程中,在一定的約束條件下會產生相當大的拉應力。大體積商品混凝土結構中通常只在表面配置少量鋼筋,或者不配鋼筋。因此,拉應力要由商品混凝土本身來承擔。
1、荷載引起的裂縫
大體積商品混凝土橋樑在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱為荷載裂縫,歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。產生原因有:
1)對結構進行計算時,計算模型不合理,結構受力假設與實際受力不符,荷載少算或漏算;內力與配筋計算錯誤,結構安全係數不夠;結構設計未考慮施工的可行性,設計截面不足;鋼筋設計偏少或佈置錯誤,結構剛度不夠等⋯。2)施工時不加限制地堆放施工機具、材料;不瞭解預製結構受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖施工、擅自更改結構施工順序、改變結構受力模式;未對結構作疲勞強度驗算等。3)在使用階段,超過設計荷載的重型車輛過橋、車輛撞擊、發生大風、大雪、地震、爆炸等。
2、 溫度變化引起的裂縫
商品混凝土具有熱脹冷縮的性質,當外部環境或結構內部溫度發生變化,商品混凝土將發生變形,若變形遭到約束,則在結構內將產生應力,當應力超過商品混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。溫度裂縫的特徵主要是表面裂縫的走向一般無規律性,深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行;裂縫寬度大小不一,受溫度變化的影響熱細冷寬。
3、收縮引起的裂縫
大體積商品混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的,塑性收縮和縮水收縮(幹縮)是發生商品混凝土體積變形的主要原因,另外還有自身收縮和碳化收縮。收縮裂縫產生的主要原因是由於商品混凝土快速乾燥,商品混凝土內水分的蒸發速率大於其泌水速率,在固體顆粒水面產生毛細管張力,商品混凝土自體收縮所產生的拉應力大於商品混凝土本身的抗拉強度而產生裂縫。收縮引起的裂縫是不規則斜裂縫,在鋼筋以上,似龜紋,常開始出現在現澆商品混凝土後數週或數月之間。
4、地基基礎變形引起的裂縫
基礎不均勻沉降的主要原因有:
1)由於商品混凝土在塑性狀態下其基礎、支架等有不均勻沉降,使局部商品混凝土變形受約束而產生裂縫。
2)由於重力作用使商品混凝土中較重顆粒下沉而使水泥漿上浮,當這種下沉受到鋼筋、模板作用時就會產生裂縫。
5、鋼筋鏽蝕引起的裂縫
由於大體積商品混凝土質量較差或保護層厚度不足,商品混凝土保護層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面,使鋼筋周圍商品混凝土鹼度降低,或由於氯化物介入,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商品混凝土中的氧氣和水分發生鏽蝕反應,其鏽蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2倍～4倍,從而對周圍商品混凝土產生膨脹應力,導致保護層商品混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫。
6、凍脹引起的裂縫
當大氣溫度低於零度時,吸水飽和的商品混凝土出現冰凍,遊離的水轉變成冰,體積膨脹9%,因而商品混凝土產生膨脹應力;同時商品混凝土凝膠孔中的過冰水(結冰溫度在一78℃以下)在微觀結構中遷移和重分佈,使商品混凝土中膨脹力加大,商品混凝土強度降低,導致裂縫出現。
二、大體積商品混凝土裂縫的控制措施
1、 摻加外加料和外加劑
在大體積商品混凝土中摻入一定量的粉煤灰後,可以增加商品混凝土的密實度,提高抗滲能力,改善商品混凝土的工作度,降低最終收縮值,減少水泥用量。要降低大體積商品混凝土的水泥水化熱引起的內部溫升,防止結構出現溫度裂縫,利用粉煤灰作商品混凝土的摻合料是最有效的方法之一。外加劑可以從以下幾個方面來選擇。UFA 膨脹劑,它可以等量替換水泥。並且是商品混凝土產生適度的膨脹。一方面保證商品混凝土的密實度,另一方面使商品混凝土內部產生壓力,以抵消商品混凝土中產生的部分拉應力。
2、大體積商品混凝土的骨料控制
在骨料的選擇上應該選取粒徑大強度高級配好的骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積,從而減少水泥的用量,降低水化熱,減少幹縮,減小了商品混凝土裂縫的開展。
3、優化大體積商品混凝土的設計
雖然大體積商品混凝土不佈置鋼筋或者布筋較少,我們還是可以在裂縫易發生部位如孔洞周圍以及轉角處佈置一些斜筋,從而讓鋼筋代替商品混凝土承擔拉應力,這樣可以有效的控制裂縫的發展。為了避免裂縫的出現,在設計中利用中低強度底水泥充分利用商品混凝土的後期強度。在工程結構設計中要特別注意降低結構的約束度。對於商品混凝土中鋼筋保護層的厚度應當儘量取較小值,因為保護層的厚度愈大愈容易發生裂縫。
4、大體積商品混凝土的施工
商品混凝土施工包括商品混凝土的生產、運輸、澆築和溫度及表面保護,是保護大體積商品混凝土溫度裂縫的關鍵環節。而熱應力的控制手段主要是控制商品混凝土的內外溫差△T:
△T=Tp+Tr-Tf
式中:Tp ―起始澆築溫度;Tr ―水泥水化溫升;Tf―天然或人工冷卻後澆築塊的穩定溫度。
在溫度較高的情況下進行施工,我們一定要注意降低商品混凝土澆築時的溫度。可以在施工現場對堆在露天的砂石用布覆蓋,以減少陽光對其的輻射,同時對澆築前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向商品混凝土中添加冰水。以上這些措施都可以有效的降低商品混凝土的入模溫度。
如果是在冬季進行施工,因為要防止早期商品混凝土被凍問題,所以要求商品混凝土澆築時應該具有較高的澆築溫度。商品混凝土澆築溫度在冬季施工時一般以5℃～10℃為宜,在澆築商品混凝土以前還應該對基礎及新商品混凝土接觸的冷壁用蒸汽預熱,對原材料應視氣溫高低進行加熱。加熱石料時應避免過熱和過分乾燥,最高溫度不應超過75℃。另外還要注意運輸中的保溫、澆築過程中減少熱量的損失以及保溫養護。
綜上所述,雖然大體積商品混凝土很容易產生裂縫,但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明:只要我們在設計、施工工藝、材料選擇以及後期的養護過程中能夠充分考慮的各種因素的影響,還是完全可以避免危害結構的裂縫的產生。
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