预制桥梁T梁开裂分析、处理及预防研究

2021-06-22 11:54宋显义
运输经理世界 2021年32期
关键词:水泥钢筋裂缝

宋显义

(中国水利水电第十工程局有限公司,四川成都610000)

0 引言

T 梁指的是横截面为“T”型的桥梁,这也是我国桥梁建设中应用最广泛的一种桥梁横截面结构,通常有20m 与30m 两种类型。T 梁是桥梁工程的重要构件,也是最复杂的一道施工工序,涉及场地的选择、混凝土的采购、钢筋模板的搭建与安装等环节,任何环节出现问题,都可能影响T 梁的施工质量,并为裂缝病害埋下隐患。裂缝集中分布在铰缝周围,具有一定的规律性。主流观点认为,裂缝的出现和铰缝的抗剪能力差密切相关。因此,常通过翻新桥面的方式维修和加固,但经过翻新施工后,T 梁还可能再次开裂。所以,需要详细分析T 梁裂缝形成的原因,并根据不同的成因采取有针对性的处理措施。

1 桥梁T 梁裂缝病害类型

1.1 受力裂缝

T 梁受到荷载与恒载影响所形成的裂缝叫做受力裂缝。通常情况下,荷载越大,裂缝越严重,甚至还会给T 梁的结构造成破坏。

首先,T 梁跨周边的梁底受拉区域出现横向裂缝,继而扩张至两侧腹板,形成竖向裂缝。

其次,T 梁腹板出现斜裂缝,裂缝主要在支点周围到1/4 跨之间的范围内,斜裂缝也是因为车辆荷载的影响而形成的,靠近支点的位置剪力大且弯矩小,由于混凝土的抗拉强度无法承受主拉应力,导致腹板部位形成弯剪裂缝[1]。

1.2 锈蚀裂缝

如果混凝土质量未达到施工要求,或者保护层过薄,那么在二氧化碳的侵蚀下,混凝土就会出现碳化,并一直达到钢筋表面,从而降低钢筋混凝土的碱度,破坏钢筋表面的氧化膜。钢筋中的铁离子与混凝土中的水、氧发生反应后,会产生氢氧化铁,即锈蚀物,其体积甚至达到了原本的2~4 倍,最终导致混凝土产生膨胀应力,使保护层出现裂缝。因锈蚀而形成的裂缝,主要集中在主筋周围,并沿着主筋向水平纵向的方向延伸,严重危害钢筋混凝土梁,降低钢筋和混凝土的黏结度,导致钢筋应力突然增加,最终使钢筋遭到破坏。

1.3 温度裂缝

当混凝土内部温度与外部温度相差较大时,混凝土便会因为温差而出现变形,并形成内部应力。在混凝土的抗拉强度无法承受内部应力时,温度裂缝由此形成。日照、蒸汽养护、骤然降温、冬季施工不当等因素,都是导致混凝土出现温度裂缝的主要原因。

1.4 施工不当引起的裂缝

1.4.1 混凝土保护层太厚或钢筋变形,增加了承受负弯矩受力筋保护层的厚度,降低了混凝土构件的有效高度,在与受力钢筋相互垂直的位置,就可能形成裂缝。

1.4.2 混凝土的振捣不充分、不均匀,会出现空洞、蜂窝面、麻面等现象,引起钢筋锈蚀或荷载裂缝。

1.4.3 养护混凝土的早期阶段,环境湿度不足,混凝土与空气接触后,就会形成不规则的裂缝。

1.4.4 过早的拆除施工模板,导致混凝土强度不满足施工要求,在自重者施工荷载的影响下,混凝土构件出现裂缝。

1.5 收缩裂缝

在混凝土凝固、收缩的情况下,梁体上会形成裂缝。T 梁的收缩裂缝通常是因为干缩、自动缩、碳化收缩等多种因素的共同作用而产生的。常见的收缩裂缝有两种,一种是T 梁的腹板半高处出现的枣核裂缝;另一种是T 梁腹板表面出现的无规律网状裂缝。

2 桥梁T 梁裂缝的形成原因

混凝土之所以会出现裂缝,最主要的原因有二:一是荷载作用;二是间接作用。施工过程中出现的裂缝,通常是间接作用造成的,即混凝土内部形成宏观拉应力,并和混凝土的抗拉强度相互作用,最终导致裂缝的出现。施工方式产生的活荷载与以下因素有关:温度或湿度变化、混凝土的水化和养护、张拉台座对T 梁的约束作用等。

首先,分析混凝土结构。用低水灰比浇筑而成的高强混凝土初凝后,由于水泥的水化而持续消耗混凝土内部的游离水,使得混凝土结构越发干燥并自发收缩,在环境湿度小于混凝土内部湿度的情况下,混凝土内孔的水分便会转移到外部环境中,最终因内部水分不足而形成裂缝。这种情况下,混凝土的收缩一方面来自早期收缩,另一方面来自干燥收缩,二者的收缩程度和混凝土初期的孔结构有关。

其次,分析混凝土浇筑后的情况。水泥水化过程中产生的大量热量,会让混凝土内部在温差的影响下出现热收缩。因为混凝土被约束,温差变化会引起混凝土冷热收缩,只有在开裂后,才会以应变的方式表现出来。开裂前,只是在混凝土的内部产生拉应力,且这种拉应力会受混凝土弹性模量的影响。作为一种弹塑性体,混凝土具有徐变性特征,持续的应力作用会让混凝土逐渐松弛,使其内部因收缩而形成裂缝,且裂缝会逐渐向外扩散。随着龄期的延长,混凝土的弹性模量与收缩程度越来越大,混凝土内部出现的拉应力也会增加,由此加速了混凝土裂缝的形成速度。不过,随着龄期的延长,混凝土的应力松弛能力与抗拉强度也会随之增加,可以在一定程度上抑制裂缝。

以上便是T 梁开裂的基本原理。根据T 梁的设计方案、施工材料、施工技术,并结合混凝土与裂缝的检测结果,不难发现,如果施工材料符合品质要求,裂缝也就不存在无规则的网状特点。所以,可以将水泥安定或碱骨料反应而引起的裂缝排除在外。张拉台座地基采用C25 钢筋混凝土,经过反复压实后,在场地排水通畅的情况下,也可以将台座不均匀沉淀引起的裂缝排除在外。施工过程中也不会产生导致开裂的活荷载。基于以上情况分析可知,T 梁裂缝就是混凝土的收缩裂缝,干燥与温度是引起收缩裂缝的主要原因[2]。

2.1 边界约束

混凝土只有在受到约束的状态下,才会产生拉伸应力。当拉伸应力大于混凝土的抗拉强度时,便会出现干燥收缩与温度裂缝。受到混凝土收缩应力、温度应力的共同影响,T 梁混凝土会出现变形。因T 梁混凝土和底模混凝土的摩擦系数μ≥0.4,在摩擦力的作用下,梁体结构无法自由变形,梁体中间是固定的,只有两侧可以被拉伸。因此,梁跨中最薄弱部位的混凝土便会产生有规则的裂缝。

2.2 温度收缩

浇筑混凝土后,水泥因持续的水化而产生大量热量,导致混凝土内部结构温度提高,在和外部进行热交换后,混凝土内部温度会逐渐下降,并和周围温度维持相对的平衡。在此过程中,热量会导致混凝土出现收缩变形,在混凝土结构受约束的情况下还会形成拉应力,如果拉应力超出了混凝土的抗拉强度,则会出现温度裂缝。混凝土结构构件在施工现场会受到温度变化、水泥水化热的双重影响。随着混凝土的变化,其热工特性参数也会改变,即使是在同样的环境下,温度发展情况也会不同。混凝土内部大量的水热化无法散发,表面的温度变化速度与内部不一致,继而产生表面裂缝或贯穿裂缝。水泥用量越多、水化热越大;混凝土比热和密度越低,混凝土的水化热绝热温升越高。

此外,水泥细度、类型、介质温度也会影响水泥的放热量和放热速率。混凝土内部温度除了受到水化热的影响之外,还与环境的温度或湿度、材料温度、散热条件等因素密切相关。材料与环境温度越高,散热条件越差,混凝土中心温度就越高;环境温、湿度变化越显著,混凝土内部与外部的温差就越大。大体积混凝土的内部与外部温差通常需控制在25oC 以内,降温速度控制在1.5oC/d 以内。否则,如果降温、保温措施不当,混凝土极易形成温度裂缝。

在充分分析T 梁水泥细度、用量、环境温度或湿度变化、散热条件后可知:其一,水泥用量超过464kg/m3、水泥细度1.1%;其二,施工温度>30oC;其三,温差在10oC 左右。这三个因素会增加混凝土内部与外部之间的温差,由于T 梁表面和体积的比值较大,在风力较大的情况下,混凝土的温度会迅速下降,从而促进了混凝土的收缩变形,最终形成裂缝。

2.3 干燥收缩

混凝土的抗压试验结果显示,1#~7#T 梁使用的混凝土强度较高,施工过程中测出混凝土坍落度较大。所以,应按照高性能混凝土标准处理。另有研究显示,在收缩性上,高性能混凝土与普通混凝土有相似之处,但二者的早期塑性收缩、干燥收缩、自干燥收缩存在差异。高强混凝土的微观结构特点为大孔少、细孔多、致密性强、孔隙率小。因此,高强混凝土比普通混凝土的早期总收缩率更大、弹性模量更高、徐变变形能力更小,相应的,应力松弛能力也会降低,尽管抗拉强度有一定程度的增加,但增加幅度明显小于抗压强度。因此,在混凝土综合性能的共同作用下,T梁裂缝由此形成。

3 桥梁T 梁裂缝的预防和处理措施

3.1 预防措施

根据上文分析的混凝土材料及其配合比、施工工艺、养护措施等T 梁裂缝的形成原因,对T 梁开裂的预防,可以从以下几个方面着手:

第一,混凝土原材料中,粉煤灰的含量保持在20%左右,推荐使用缓凝型高效混凝土减水剂,维持水胶比在0.33~0.35、取砂率在28%~34%、水泥量在400kg/m3左右、用水量不超过165kg/m3。在试验中确定拌和物的强度与易性,最终确定混凝土材料的配合比。

第二,根据施工条件、环境温度或湿度安排施工时间,最好在温度较低的时间段施工,可避免混凝土温度过高。分层浇筑,每层的浇筑厚度约30~40cm。以排除混凝土孔隙中的气泡,提高振捣的密实度,但也要注意因过度振捣而导致混凝土离析。终凝后,将麻袋覆盖在混凝土表面,并洒水维持湿润度。拆模后,继续用麻袋包裹,并洒水养护,持续14d。

第三,降低T 梁收缩时产生的摩擦力,将3~5mm厚的钢板铺设在混凝土底模,保证混凝土强度满足施工要求,通过对梁体施加预应力,促使混凝土压缩变形,预防开裂。

3.2 处理措施

3.2.1 裂缝修补

(1)开槽法。修补材料的配比如下:环氧树脂∶聚硫橡胶∶水泥∶砂=10∶3∶12.5∶28。修补宽度>0.5mm的裂缝时可采用该方法。

(2)低压注浆法。通常用于宽度0.2~0.3mm 的裂缝修补。先将裂缝内的杂物清理干净,然后按照试漏—配置注浆液—注浆—再次注浆的顺序修补裂缝,修补完毕后清理表面。

(3)表面覆盖法。在裂缝表面覆盖一层涂膜,修补宽度<0.2mm 的细小裂缝。

3.2.2 工艺流程

(1)检查并标注裂缝:宽度<0.2mm 的裂缝,可在表面涂抹聚合物水泥,用以封闭裂缝。聚合物水泥由改性环氧浆液配制而成,然后再加入50g 的525#的水泥搅拌均匀。封闭裂缝后要抹平,以实现表面的平整与美观;宽度≥0.2mm 的裂缝,可在缝隙内灌注胶液,把胶液压入混凝土结构内部的裂缝中,增强混凝土结构的耐久性、抗渗性与强度,让开裂的混凝土构件恢复完整。

(2)钻孔:在裂缝处采取骑缝钻孔的方式,形成沿着裂缝走向的灌浆导向孔。孔径8mm、孔深5cm、孔距35cm。在所有裂缝的交叉部位钻孔,钻孔时应注意不要破坏波纹管。

(3)清孔:使用高压空气将钻孔吹吸干净,保证孔内无灰渣,沿着裂缝按照从上到下的顺序清理周围的灰尘和浮浆,可用的清理工具有手铲、毛刷、小锤、砂纸、钢刷等。整平表面后,再用丙酮擦洗,将裂缝附近的油污清理干净,清孔过程中应注意不要堵塞裂缝。

(4)粘贴灌浆嘴:清理干净灌浆嘴底盘的铁锈,然后使用丙酮擦拭,在底盘附近均匀涂抹一层1~2mm厚的胶泥,对准孔眼,粘贴在裂缝上。结合裂缝的长度与宽度确定灌浆嘴的间距,通常在3.5~4.0cm,宽缝间距宜稀,窄缝间距宜密。每道裂缝至少要有≥1 个进浆孔的排气孔,灌浆孔的孔眼保持对中和导流通畅,灌浆嘴应粘贴牢固,四周抹成鱼脊状,保证完全密封。

(5)封闭裂缝:浆液应该充满混凝土的缝隙,而且又不会大量外渗。为了达到这一目的,裂缝处理完后,还需要使用聚合物水泥砂浆浆液涂刷裂缝表面,涂刷方向为从上到下,涂刷宽度为6~8cm。涂刷两遍后,在裂缝表面贴上宽5~7cm 的玻璃丝布,以封闭裂缝。

(6)压气试验:当封闭带硬化后,再通过压气试验的方式检测封闭带的密封度。将压缩气体的气压维持在0.2~0.4MPa。将肥皂水涂抹在封闭带与灌浆嘴的周围,如果通气后封闭带仍有泡沫,则提示此部位存在漏气,需要再次封闭。如果是竖向裂缝,可按照从下到上的顺序试气;如果是横向裂缝,则更适合从低处向高处试气。

4 结语

综上所述,随着混凝土桥梁工程规模的不断扩大,形成了相对成熟的混凝土的耐久性与安全性理论体系。T 梁裂缝是影响桥梁施工质量、缩短桥梁使用寿命的重要因素。除了严格按照技术标准设计施工方案、选择施工工艺、做好施工管理外,还应全面分析和了解T 梁开裂的具体原因,根据裂缝的宽度和特点合理选择处理措施,及时修补裂缝,消除交通安全隐患,提高T 梁结构的耐久性与稳定性。

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