西北地区混凝土桥梁开裂原因分析及预防措施

摘要： 本文对西北地区29座桥梁的墩台开裂进行了调查研究，对裂缝产生的原因进行了分析，总结了西北地区混凝土开裂有别于其他普通地区的特点，提出了西北地区预防混凝土结构开裂的措施。

Abstract: In this article, 29 bridge pier cracking in the Northwest Region was investigated, the causes of cracks are analyzed. In northwest China, cracking characteristics is different from other common areas. This paper proposed preventive measures of cracking of concrete structures.

关键词： 西北地区；混凝土裂缝；温度；湿度

Key words: Northwest China；concrete cracks；temperature；humidity

中图分类号：TU37 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）02-0062-02

0前言

混凝土裂缝严重影响结构耐久性和工程安全性，已受到业内普遍关注。混凝土开裂原因复杂，涉及设计计算、设计的构造配筋、施工工艺、气候条件、日常养护等各个方面[1-3]，具体包括荷载作用、塑性收缩和沉降、干燥和自干燥收缩、化学反应、碳化收缩、温度变化、沉陷、冻胀作用、原材料因素、外加剂因素、施工不当等。其中，气候、环境特征是影响混凝土开裂的重要外部因素。

我国西北地区，受西伯利亚寒流、多年冻土及现代冰川的影响，气候干旱少雨，年均气温低，日温差大，紫外线照射强烈，导致混凝土结构面临干湿循环、冻融循环、盐碱腐蚀、风蚀等多种自然因素的作用，混凝土结构极易产生裂缝。而我国目前针对环境因素对混凝土的抗裂性的影响缺少考虑。因此，很有必要对西北地区混凝土工程开裂原因进行调查分析。只有对混凝土结构裂缝的分布和状态进行认真研究和分类，才能有针对性的进行分析和提出防治裂缝的措施。

1西北地区混凝土桥梁墩台裂缝现状的调查分析

1.1 裂缝数量统计分析本研究共调查了西北地区2002年、2003年施工的29座桥梁的混凝土桥墩和桥台的裂缝情况，主要内容为裂缝的形状、方向、宽度、数量、长度及形成原因等。裂缝数量见表1。总的来看，0.1mm以下的裂缝占整个裂缝数量的60%，在桥台、桥墩处大范围内出现此种裂缝；0.1～0.2mm的裂缝占整个裂缝数量的30%，在一定部位上出现，如靠近模板接缝处；0.2～0.5mm的裂缝占整个裂缝数量的10%，大多分布在个别部位，如桥台侧面比较常见；0.5mm以上未发现。

1.2 裂缝特征分析裂缝形貌见图1、图2。调查的裂缝按形状特征主要分成如下几类：①表面龟裂：此类裂缝一般宽度小于0.1mm，长度10cm左右，从机理上看，多为塑性收缩裂缝，少量干缩裂缝及碳化收缩裂缝。从调查的桥墩及桥台看，大多数均出现了表面龟裂，尤以迎风面，日照面较多，大多与未能及时有效覆盖有关，一般来说，桥台裂缝多于桥墩，也因桥台较难包裹引起，属于塑性收缩裂缝及干缩裂缝。另外，部分用火炉加热的桥梁龟裂严重，可能因碳化收缩引起。②表面微裂缝：此类裂缝宽约0.1～0.2mm左右，长约10～50cm左右，从机理上看，多为干燥收缩裂缝，一般因混凝土在干燥环境下，保湿养护的时间不够，收缩过大造成，如调查的桥梁及墩台中，2002年施工的工程，保湿养护的时间一般为14天，出现此类裂缝的较多，2003年施工的工程，保湿养护的时间一般为两个月以上，出现此类裂缝的较少，同时间施工的，地处干燥多风环境中的工程，出现此类裂缝的几率较大。③表面裂缝：此类裂缝宽0.2～0.5mm，长50cm以上，从机理上看，大多为温度裂缝，也有一些干燥收缩裂缝。从调查的结果看，冬季施工的桥梁，此类裂缝较普遍，而夏季施工的，此类裂缝较少。④表面大裂缝：此类裂缝宽度在0.5mm，长度大小不等，从机理上看，大多为施工裂缝，少量为沉降裂缝，与混凝土配合比、施工操作有关。

2西北地区混凝土开裂的特点

相比较我国其他普通地区，西北地区由于干燥寒冷的气候环境，导致混凝土结构开裂原因有以下特点：

2.1 温度变化影响剧烈①在结构成型期，不同的养护期混凝土温度与环境温度温差大，蒸养时混凝土处于较高的温度和湿度中，而蒸养结束后，温度降低迅速，混凝土由表及里产生收缩变形。之后，每日较大的日温差变化将会导致处于成型期混凝土的热胀冷缩变形。②在使用阶段，白天温度由外向内逐渐升高，混凝土产生膨胀变形，外部产生的变形比内部大；晚上温度由外向内逐渐降低，混凝土产生由内向外的收缩变形，这种反复变形日积月累逐渐增加，受到各种约束时产生的叠加应力会导致裂缝的引发和扩展。③在调查的墩台中，西南方向的墩台面开裂较多，主要原因是西南方向的墩台面在白天受阳光直射，表面温度更高，导致日夜温差更大，温度变化产生裂缝的可能性增加。

2.2 干湿变化作用明显西北地区年平均温度低，冬季长，日温差大，风沙多，干燥，存在干湿变化频繁的问题，这些因素会使混凝土产生不可恢复的一些变形，当变形受到限制时，会导致混凝土产生裂缝。①混凝土在湿热蒸气养护时相对湿度大于90%，养护结束后处于环境中，相对湿度50%左右，混凝土由表及里干燥过程中产生产生不可恢复的干燥收缩。②在使用阶段，随着白天的温度升高以及阳光紫外线照射，水不断蒸发，相对湿度减小，表层混凝土产生干缩，由表及里干缩逐渐减小；晚上随着温度的降低，水蒸气冷凝，混凝土表面湿度增加，首先是表层混凝土吸水，一部分收缩可以恢复，但大多数因凝胶体失水引起的收缩难以恢复。③较大风速也将增加水的蒸发速度导致干缩增大，从而造成迎风面混凝土表面的开裂较多。

2.3 自干燥收缩较大混凝土蒸养完后水化仍在继续进行，由于高强高性能混凝土较致密，混凝土内部从外部吸收水分较为困难，同时混凝土内部的水分也会因水化的消耗而减少，其内部相对湿度随水泥水化的进展而降低。这种自干燥将引起收缩，根据有关资料对于水灰比0.3左右的高性能混凝土，这种自干燥收缩占到干缩的一半。

2.4 易受氯盐腐蚀西北地区基本都属于冬季下雪的地域。采用除冰盐除冰化雪的方法导致人为制造了氯盐环境。除冰盐的使用使得混凝土表面粉化掉皮，氯离子沿混凝土裂缝渗透到内部而使得钢筋锈蚀，最终导致混凝土顺筋开裂。

2.5 冻融及盐渍土腐蚀易导致混凝土结构开裂西北地区盐渍土分布广泛，在这样的环境中，混凝土主要受到冻融破坏和盐渍土破坏。混凝土一方面在冬季施工过程中混凝土中水分受冻结冰时体积膨胀会造成开裂；另一方面冻融循环会造成混凝土的破坏；加之盐渍土无疑是严酷的腐蚀环境。在反复作用下，混凝土发生开裂、剥落破坏。

2.6 水泥用量偏大由于西北地区考虑耐久性技术条件要求，水泥用量都比较大，这样水泥水化热较高，水泥的水化热引起的内外温差是使混凝土产生龟裂缝的主要原因。另外水泥的异常膨胀，也可以使混凝土在凝结硬化阶段产生小裂缝。

3西北地区混凝土开裂预防措施

3.1 严格控制原材料的质量

3.1.1 考虑到混凝土温差主要是由水化热产生的，所以尽量采用早期水化热低的水泥，尽量避免使用早强水泥。

3.1.2 改善粗骨料级配，使其空隙率减至最少；适当减少粗骨料最大粒径，降低粗细骨料的粒径梯度[5]。

3.1.3 采用级配良好且含泥量少、细颗粒少的中砂和中粗砂，因其孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥的用量就可以减少，水化热降低，裂缝减少。

3.2 科学设计混凝土的配合比若要降低混凝土的开裂，必须从优化混凝土配合比及外加剂的复配等方面入手。

3.2.1 尽量降低水泥用量、用水量、坍落度、砂率。混凝土坍落度越大，意味着水泥浆越多，对控制温度裂缝、干缩裂缝均不利。采用“三掺”技术，最好对粉煤灰、矿渣粉、硅灰、化学外加剂进行复配，通过试验确定化学外加剂和矿物掺合料的品种及掺量。

3.2.2 在混凝土重点关键部位可掺加纤维材料，如聚合物纤维、钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等，纤维在混凝土中起到“拉结”作用，不同程度的抑制裂缝的发展。此法大面积使用成本高。

3.3 加强施工质量控制及管理

3.3.1 如有条件，可以对影响混凝土开裂的主要因素（如：水泥用量、用水量、砂率、坍落度、环境温度、湿度、混凝土内外温度、振捣时间、拆模时间、养护时间等）建立裂缝质量控制图，以便系统的总结在西北地区特殊气候及环境条件下如何更好的控制混凝土质量。

3.3.2 在施工各环节中，对混凝土裂缝影响较大的是浇注振捣的质量及养护的条件，要避免过度振捣。否则，由于分层离析，表层水泥浆过大，易产生裂缝。尽早开始养护，拆模前要做好保湿、保温措施。

3.3.3 混凝土内外温差控制在25℃之内。环境温度太低时，用火炉加热要注意适当通风，避免发生碳化收缩裂缝。当环境温度不低于外加剂规定使用温度时，就不必采用蒸汽、火炉等加热措施，用适当方法包裹避免过大温差即可。

3.3.4 寒流来临时，要注意防冻，避免冻胀裂缝。拆模时间根据强度发展时间确定，不宜过早。拆模时避免震动，减少开裂。养护中断时要防止迅速干燥或过度干燥，防止风吹及太阳直射。低温环境下拆模时应防止混凝土表面温度迅速降低产生温差裂缝。

3.3.5 加强施工管理，减少人为失误，提高技术队伍的素质，施工过程中严格进行质量控制，从原材料质量、外加剂选用、配合比设计和各施工环节等进行严格控制和管理。

3.4 合理的结构设计在设计上，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。在结构允许的情况下，可考虑适当预留伸缩缝或施工缝。

4结语

西北地区由于干燥寒冷的气候环境，致混凝土结构面临干湿循环、冻融循环、盐碱腐蚀、风蚀等多种自然因素的作用，对混凝土结构耐久性带来了非常不利的影响，特别是巨大的温湿变化导致混凝土结构开裂很多，造成影响西北地区混凝土开裂的因素有别于其他普通地区。因此，必须有针对性的从对外加剂复配来优化配合比设计、加强施工质量控制和管理、严格控制原材料质量等方面入手做好预防开裂措施。

参考文献：

[1]王沧州.大体积混凝土裂缝分析及应对措施[J].铁道工程学报，2010，142（7）:73-76.

[2]黄蓓，吴淼，钱春香.混凝土裂缝的表面处理方法对防水性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2010（4）：58-61.

[3]杨龙，黎迪辉，刘卢.大体积混凝土裂缝产生的原因与预防措施[J].施工技术，2010，39（6）:502-504.

[4]朱耀台，詹树林.混凝土裂缝成因与防治措施研究[J].材料科学与工程学报，2003，21（5）:727-730.

[5]田慧生.高寒地区混凝土构筑物裂缝成因及预防[J].混凝土，2005，192（10）:66-69.

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