浅析混凝土裂纹产生的原因及预防措施

2011-02-19胡先军

中国科技信息 2011年4期

关键词：箱梁裂纹构件

胡先军

中铁十一局集团二公司，湖北十堰

浅析混凝土裂纹产生的原因及预防措施

胡先军

中铁十一局集团二公司，湖北十堰

本文通过对砼裂纹产生的原因展开深入的分析，根据原因采取相应的技术措施进行有效的控制，并在工程实践中得到了成功的应用，取得了良好的感观质量，达到了内实外美的预期目的。具有良好的实用价值和借鉴意义。

混凝土；裂纹；原因；预防措施

随着我国经济的持续快速增长，基础设施迅速发展起来，作为跨越江、河、沟壑的桥梁也得到了迅速发展，一大批高墩大跨桥梁相继建成，为国民经济快速发展提供动力。笔者作为一名基础设施建设者，曾参与或主持修建了多座桥梁，亲身感受了我国经济发展的脉搏。在实践中，砼裂纹问题一直困扰着建设者，特别是箱梁的裂纹问题非常突出，笔者曾查阅过同行写的一些与此相关的文章，觉得与现场实践有出入。现笔者结合永咸高速公路咸阳机场互通立交桥的施工实践对后张预应力箱梁裂纹预控技术做一简介，供同行参考。

1 工程概况

福（州）银（川）高速永（寿）咸（阳）段咸阳机场互通立交桥位于陕西省咸阳市周陵镇境内，桥梁共分13联60跨，全长1581m。其中主线桥长970.95m，8联38跨，预制组合箱梁4联525.45m，由25m跨度箱梁176片组成；现浇箱梁4联1055.55m，由8片现浇箱梁组成。砼共计3万余方。

2 问题的出现

咸阳机场互通立交桥紧靠西安咸阳国际机场，是陕西省的门户，其质量特别是感观质量直接展现在国际友人面前，政治影响极为重要。箱梁开工前，业主在我部召开专题会议，强调梁部施工零缺陷，特别要克服质量通病。而裂纹是砼施工中最常出现的问题，特别对预应力砼影响极大，严重影响结构物的使用寿命。

3 裂纹产生原因分析

箱梁裂纹产生的原因归纳起来主要有四种，即荷载产生的裂纹、温变产生的裂纹、收缩产生的裂纹和施工措施不当引起的裂纹。

3.1 荷载产生的裂纹

荷载裂纹有直接荷载裂纹和次应力裂纹两种。

3.1.1 直接荷载裂纹

直接荷载裂纹是由直接荷载作用产生的裂纹。裂纹产生的原因有：

a 设计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够。结构设计时不考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。

b 施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构受力特点，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，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

c 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；发生大风、大雪、地震、爆炸等。

3.1.2 次应力裂缝

次应力裂纹是由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：

a 在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如箱梁梁体钢束张拉后，箱体部分砼在高应力作用下，长度变短，而翼缘板部分由于翼缘板悬挑外伸，特别是翼缘板外边缘，产生拉应力，形成“V”型裂纹。

b 梁体结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。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。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。

c 实际工程中，次应力裂缝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。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，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。

荷载裂缝特征依荷载不同而呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但必须指出，如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，往往是结构达到承载力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。根据结构不同受力方式，产生的裂缝特征如下：

a 中心受拉:裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。

b 中心受压:沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。

c 受弯。弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用纹钢筋时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时，裂缝少而宽，结构可能发生脆性破坏。

d 大偏心受压:大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件，类似于受弯构件。

e 小偏心受压:小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压构件，类似于中心受压构件。

f 受剪:当箍筋太密时发生斜压破坏，沿梁端腹部出现大于45°方向的斜裂缝；当箍筋适当时发生剪压破坏，沿梁端中下部出现约45°方向相互平行的斜裂缝。

g 受扭:构件一侧腹部先出现多条约45°方向斜裂缝，并向相邻面以螺旋方向展开。

h 受冲切:沿支座顶板内四侧发生约45°方向斜面拉裂，形成冲切面。

I 局部受压:在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。

3.2 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有：

a 年温差。一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。我国年温差一般以一月和七月月平均温度作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。

b 日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其他部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。

c 骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。

d 水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土（厚度超过2.0米）浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。

e 蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。

f 采用电热张拉法张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至350℃，混凝土构件也容易开裂。试验研究表明，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与混凝土的黏结力随之下降，混凝土温度达到300℃后抗拉强度下降50%，抗压强度下降60%，光圆钢筋与混凝土的黏结力下降80%；由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。

3.3 收缩产生的裂纹

混凝土凝结硬化过程中，由于水泥水化吸水放热，体积收缩，当砼内配有钢筋或砼受到约束时易产生裂纹。这种裂纹的特征或呈龟裂状；或与钢筋布置一致，同时沿钢筋周围产生次生裂纹；或垂直于约束方向，一般深度较浅，约3～5mm之间。产生收缩裂纹的原因有：

a 坍落度：混凝土坍落度越大，硬化过程中体积收缩就越大，产生收缩裂纹的可能性就越大。特别是现在施工机械的发展，大型集中自动化混凝土搅拌站及混凝土泵车的普及应用，一方面极大地提高了生产效率，减轻了劳动强度，不用不行；另一方面泵车泵送要有一定的坍落度，这就为混凝土裂纹的产生提供了土壤。

b 水泥用量：水泥用量越大，混凝土收缩也越大，产生的收缩裂纹就多。高墩大跨是当今桥梁发展的方向，要达到这一目标就需要用大水泥用量来配制高标号砼，就存在产生裂纹的可能。

c 粗、细骨料含泥量：粗、细骨料中含泥量越大，产生的收缩也越大。

d 养生不及时：混凝土收缩裂纹的产生，与养生关系极大。只要养生及时合理，即可阻止或消除裂纹的产生，增强混凝土的强度，反之则反是。

e 浇注顺序不合理：混凝土浇筑的顺序对裂纹的生成影响很大。

f 新旧砼结合部处理不合理：现浇箱梁中通常需根据应力需要采用分段张拉或预留工作孔分段施加预应力，段面或工作孔一般留在正负弯矩分界处，但此处的剪应力又较大，处理不慎易产生裂纹。

g 钢筋保护层厚度预留不合理引起的裂纹：钢筋净保护层厚度3cm左右较为合理。施工中结构物上表面的钢筋净保护层厚度不易控制，特别是大面积现浇梁顶面，砼凝结硬化后体积收缩，受到钢筋的架立作用，在结构物上表面易产生沿钢筋方向同向的微裂纹。

3.4 施工措施不当引起的裂纹

施工过程中由于管理人员考虑不周或操作人员操作不当，也经常导致已浇注的砼产生裂纹。产生的原因主要有：

a 拆模过早引起的裂纹：构件拆模应按施工组织设计及规范要求进行。如操作不当，混凝土强度没有达到要求即开始拆模，易使构件产生重力裂纹。

b 振捣不当引起的裂纹：混凝土浇筑顺序不合理，振捣操作不当，振捣上层砼时振捣器插入过深，使下层已凝固的混凝土产生裂纹。

c 模板擅动引起的裂纹：浇注砼过程中，支架不稳或外力作用引起模板颤抖，使已凝结的砼产生裂纹。

d 新旧砼接缝留置不当引起的裂纹：新旧混凝土接缝位置留置不对，在复杂应力作用下易出现裂纹。

e 过早张拉引起的裂纹：箱梁张拉强度由设计或规范规定进行，应由同条件试件强度决定。过早张拉易产生沿预应力孔道方向的裂纹或受拉区产生垂直短裂纹。

f 吊装或支垫不当引起的裂纹：预制箱梁吊装或支垫应严格按设计要求进行，如操作不当，易产生裂纹，影响梁体的使用。

g 预应力管道预留不当引起的裂纹。预应力管道应按设计要求位置留设计，并要求大线顺直。施工过程中孔道固定过少或振捣器碰到管道，均易造成孔道弯曲或突变，施加预应力时在弯曲位置产生裂纹。

4 施工预防控制措施

根据裂纹产生的不同原因,有针对性采取如下施工预防措施：

4.1 直接荷载产生裂纹预防措施

4.1.1 施工准备阶段对设计文件进行验算复核，特别加强对边角、预留孔洞、大体积预埋件周边等部位次生应力进行验算。对有可能产生破坏性裂纹的部位，合理配制钢筋。

4.1.2 对施工荷载进行验算，严格按照设计方案确定合理的施工方案与步骤，并严格实施。在施工过程中严格按施工方案要求，根据梁体结构特点合理确定材料堆放、转运方案；按设计要求进行动、静载等试验。

4.1.3 结构转角、突变、及孔洞部位，做圆角缓慢过渡，有条件的设置斜向或护边钢筋；预应力筋的截断部位应统筹考虑，并在截断点处周围配制环型筋，以平衡应力流突变产生的次生裂纹。

4.1.4 负弯矩区或两次灌注砼结合部位设置防裂钢筋网，网格间距以10厘米以内为宜，可有效防止因荷载产生的大面积裂纹。

4.1.5 全部使用塑料垫块，确保钢筋保护层厚度的准确与均匀，可以有效防止保护层的开裂。

4.2 温变裂纹预防措施

4.2.1 严格按设计要求设置支座、伸缩缝，让构件随温度变化能自由伸缩。

4.2.2 主体结构迎阳面设置防晒层，如高速公路无极非金属材料路面层与桥梁等结构物系非刚性连接，温变系数也不同，能吸收太阳能量，对结构物本身防止温度聚变引起的裂纹就有很好的预防作用。没有条件的主应力部位可采用防裂钢筋网防止温度聚变对结构物的破坏。

4.2.3 施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，控制骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。

4.2.4 对刚浇注的砼，根据不同气温采用合理的养生措施，能有效预防裂纹的形成。在炎热的夏天，及时覆盖并喷淋养生，有条件时，可采用蓄水浸泡养生，养生时间一般以7天为宜；冬季施工时由于各地气温千差万别，根据气候特点，设计合理的浇注养生措施，能有效保证砼质量并防止裂纹产生。

4.3 收缩裂纹预防措施

4.3.1 严格控制砼的坍落度，一般情况下砼的坍落度在80mm左右为宜。需用泵车泵送时可适量掺加附加剂如减水剂或泵送剂等，以提高其施工效果。

4.3.2 水泥用量严格控制在规范规定的范围内，且宜使用下线指标。当需要配制较高标号的砼时，尽可能采用高标号水泥。同时严格控制砂、碎石中的泥、石粉等微粒含量，使其不大于2%。

4.3.3 大体积（或面积）砼严格按照预先设计的浇注方案进行浇注。浇注顺序应结合混凝土的凝结硬化顺序，使前后浇注的混凝土在凝结硬化上不互相影响，以免造成后凝结的混凝土拉裂先凝结的混凝土。

4.3.4 新老砼结合部位或应力流突变部位，应增设防裂钢筋网片，并对结合部位的旧砼表面凿毛处理。凿毛要求露出石子，使新老砼能密贴并防止产生沿结合部的裂纹。填补孔洞的小体积砼，考虑到收缩的影响，可在砼中掺加适量的膨胀剂。

4.3.5 对现浇箱梁等大面积密集筋的构件上表面，除严格控制水灰比、坍落度等措施外，在砼表面稍凝后用手还能压动表面时进行二次收浆，可有效防止干缩下陷裂纹的产生。及时养生能控制裂纹的发展。

4.4 施工不当裂纹预防措施

4.4.1 严格按规范要求时间及顺序拆除模板，特别是截面较小的悬空细长构件的承重模板，拆除前砼强度要达到设计强度的80%以上。需要提前拆除时要经过计算确定。

4.4.2 模板板面要具有足够的刚度，同时支架加固牢固。振捣时按需振捣砼的厚度确定插棒深度，不可过插也不可漏振。新旧砼结合部位过渡平缓并结合紧密，防止因不同心而产生裂纹。

4.4.3 预应力管道应按设计位置留设，并要求大线顺直。波纹管要有一定的刚度，并用井字架固定牢固。特别是管道拐弯的位置要加密设置井字架固定。振捣时应远离波纹管的位置，切忌不可碰到管道。构件达到设计要求张拉强度后方可进行张拉工作，并注意控制好张拉应力，不可超拉也不能欠拉。构件吊装时吊点位置要选择合适，并捆绑牢固。安放时支点选择符合设计要求。