混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫.ppt

1、混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫分析,哈爾濱工業(yè)大學(xué) 張樹仁,混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫分折,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指結(jié)構(gòu)對氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其它破壞過程的抵抗能力。 在役橋梁結(jié)構(gòu)隨著使用時間的延續(xù)，受結(jié)構(gòu)使用條件及環(huán)境侵蝕等因素的影響，加之設(shè)計和施工的不當(dāng)，將發(fā)生材料老化與結(jié)構(gòu)損傷，這是一個不可逆的過程，這種損傷的累積將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化，承載力下降和耐久性降低。,混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫分析,外界環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)物理化學(xué)作用的結(jié)果。環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞主要有： 混凝土碳化； 氯離子侵蝕； 堿骨料反應(yīng)； 凍融循環(huán)破壞； 鋼筋腐蝕。,混凝結(jié)構(gòu)損傷與裂縫分析,

2、實踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷與破壞，一般都是首先在混凝土中出現(xiàn)裂縫，裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表。所以，對混凝土結(jié)構(gòu)損傷的診斷，首先應(yīng)從對結(jié)構(gòu)的裂縫調(diào)查、檢測與分析入手。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,1、混凝土的碳化 混凝土碳化是指混凝土中的氫氧化鈣（Ca(OH)2）與滲透進混凝土中的二氧化碳（CO2）或其他酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程?；炷撂蓟捎孟铝谢瘜W(xué)式表示： CO2+H2OH2CO3 Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O （1）,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,碳化的實質(zhì)是混凝土的中性化。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土內(nèi)部的孔隙中充滿了飽和氫氧化鈣

3、溶液，其pH值為1213。在這樣高的堿性環(huán)境中埋置的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使鋼筋表面生成一層難溶的三氧化二鐵（Fe2O3）和四氧化三鐵（Fe3O4），通常稱為鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋的腐蝕。當(dāng)有二氧化碳和水氣從表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部時，和混凝土中的堿性物質(zhì)中和，會導(dǎo)致混凝土的pH值降低。當(dāng)pH值小于9時，埋置于混凝土中的鋼筋表面的鈍化膜被逐漸破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會發(fā)生腐蝕。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,混凝土的碳化速度取決于二氧化碳氣體的擴散速度及二氧化碳與混凝土成份的反應(yīng)速度。由于空氣中二氧化碳的濃度很低（一般情況下，其體積濃度約為0.03%），因而，

4、混凝土碳化的發(fā)展是一個非常緩慢而又漫長的過程。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,混凝土碳化初期二氧化碳與水生成的碳酸氣（H2CO3）在混凝土中擴散和反應(yīng)速度很快，即碳化深度增長快，但隨著時間的延長則逐步衰減，其變化規(guī)律可用圖1所示的碳化特征曲線表示。,圖1混凝土碳化特征曲線,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,混凝土碳化特征曲線是表征混凝土碳化深度隨時間的變化規(guī)律。國內(nèi)外大量的研究資料表明，在非侵蝕性介質(zhì)的正常大氣條件下，混凝土碳化特征曲線可用冪函數(shù)方程表示。 （2） 式中：D混凝土碳化深度； t混凝土碳化齡期； 碳化速度系數(shù)。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,公式（2）中的碳化速度系數(shù)是反

5、映碳化速度的綜合參數(shù)。影響混凝土碳化速度的最主要因素是混凝土本身的密實性和堿性儲備多少，即混凝土的滲透性和氫氧化鈣Ca(OH)2堿性物質(zhì)含量的多少?；炷恋目紫堵试叫?，滲透性越差，密實性越高，氫氧化鈣Ca(OH)2含量越大，則混凝土的抗碳化性能越好；反之，則越差。影響混凝土密實性和堿性儲備的因素十分復(fù)雜，除了受周圍環(huán)境因素（包括相對濕度、溫度、壓力及二氧化碳濃度）和施工因素（混凝土攪拌、振搗和養(yǎng)護條件）的影響外，主要與混凝土的材料組成有關(guān)。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,混凝土碳化深度測量是橋梁檢測的重要工作內(nèi)容之一，通常采用在混凝土表面點滴1%的酚酞溶液的方法測試，未碳化的混凝土與酚酞液

6、反量呈粉紅色。 在實際工作中，可通過對使用若干年后結(jié)構(gòu)大量的實測碳化深度的統(tǒng)計分析，推算鋼筋的混凝土保護層完全（或部分）碳化的時間，預(yù)測鋼筋可能產(chǎn)生銹腐的時間，為結(jié)構(gòu)的耐久性評估提供必要的基礎(chǔ)資料。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,2、氯離子侵蝕 混凝土是一種耐久性較好的建筑材料，但在化學(xué)侵蝕介質(zhì)的作用下，它保持自身能力是較差的。對橋梁及港工結(jié)構(gòu)而言，最危險的化學(xué)侵蝕是氯離子的侵蝕。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,2.1氯離子存在的廣泛性 一般硅酸鹽水泥本身只含有少量的氯化物。若在混凝土拌制時加入了含氯化物的減水劑，摻入用海水淬冷的高爐礦渣或使用海水排濕的粉煤灰等，均可能會使混凝土含有相

7、當(dāng)多的氯化物。就大多數(shù)情況而言，氯化物對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕是氯離子從外界環(huán)境侵入已硬化的混凝土造成的。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,海水是氯離子的主要來源，海水中通常含有3%的鹽，其中主要是氯離子。海風(fēng)、海霧中也含有氯離子，海砂中更含有一定量的氯離子。我國的海岸線長，大規(guī)?；窘ㄔO(shè)多集中在沿海地區(qū)，尤其是海洋工程，如碼頭、護坡和防堤等由氯離子侵入引起的鋼筋腐蝕破壞是十分突出的。同時，沿海地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)河砂匱乏的情況，不經(jīng)技術(shù)處理就使用海砂的現(xiàn)象日趨嚴重。國外的工程經(jīng)驗和教訓(xùn)表明，海水、海風(fēng)和海霧中的氯離子和不合理地使用海砂是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因之一。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損

8、傷,近半個世紀以來，世界各國公路交通發(fā)展迅猛，為了保證交通暢通，冬季向道路、橋梁橋面撒鹽化雪除冰，使得氯離子滲透到混凝土之中，引起鋼筋腐蝕。我國北方地區(qū)大量使用氯化鈉、氯化鈣化雪除冰，由于氯離子除冰性能好，價格便宜，從經(jīng)濟角度考慮，短時期內(nèi)很難取消使用撒鹽除冰的方法，不少地方還將繼續(xù)使用。對此類人為造成的氯離子環(huán)境的腐蝕危害，必須采取防鹽腐蝕的技術(shù)措施。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,另外，我國有一定數(shù)量的鹽湖和大面積的鹽堿地。沿海地區(qū)的鹽堿地多以含氯離子為主；內(nèi)陸地區(qū)的鹽堿地有的以含氯離子為主，有的則以含硫酸為主，多數(shù)情況是含混合鹽。這些地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)都會受到很強的腐蝕。,2.2 氯離

9、子對混凝土結(jié)構(gòu)的危害,氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的危害是多方面的，但最終表現(xiàn)為鋼筋的腐蝕。 我國早期修建的港工和橋梁結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級低、抗?jié)B性差，由于氯化物侵蝕造成鋼筋蝕腐破壞的情況是觸目驚心的。混凝土遭受氯化物的侵蝕，形成大量可溶性鹽類，并在混凝土的孔隙和毛細孔中反復(fù)積聚，引起膨脹性反應(yīng)，使混凝土的孔隙加大，或出現(xiàn)裂縫。加大了氯化物滲入混凝土內(nèi)部的通道，導(dǎo)致鋼筋腐蝕。鋼筋腐蝕后出現(xiàn)銹脹裂縫又會進一步加大氯離子侵入混凝土內(nèi)部的通道，導(dǎo)致鋼筋腐蝕加劇，如此惡性循環(huán)，最終造成鋼筋的嚴重腐蝕破壞。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,對橋梁結(jié)構(gòu)特別是城市立交而言，來自海洋環(huán)境和除冰鹽的氯化物侵蝕而引起的鋼

10、筋腐蝕是嚴重威脅混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要和最普遍的病害，已造成了巨大的損失，應(yīng)引起設(shè)計、施工及養(yǎng)護管理部門極大的重視。,鋼筋周圍混凝土未碳化，鋼筋銹蝕是由于氯離子引起,3、混凝土的堿骨料反應(yīng),3.1 堿骨料反應(yīng)作用機理 堿骨料反應(yīng)是指混凝土中某些活性礦物骨料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生的反應(yīng)。堿骨料反應(yīng)的類型與骨料活性成份有關(guān)，最常見的是堿 硅酸反應(yīng)。 堿 硅酸反應(yīng)是二氧化硅在骨料顆粒表面溶解，逐漸形成硅酸鹽凝膠。硅酸鹽凝膠具有粘性，吸水后體積膨脹3-4倍，將引起混凝土開裂破壞。,32、堿骨料反應(yīng)影響因素,影響混凝土堿骨料反應(yīng)的主要因素是混凝土堿的含量、骨料本身有無反應(yīng)活性和孔隙中的水量。

11、混凝土的堿含量（Na2O、K2O）主要來自水泥。一般情況下，水泥含堿量小0.6%，不會發(fā)生堿骨料破壞。但是，如果水泥用量較大，混凝土中總的含堿量過大，也可能引起堿骨料破壞。一般來說，混凝土中總的含堿量達到3kg/m3時，就有可能發(fā)生堿骨料反應(yīng)。 骨料的活性及礦物成分是影響混凝土堿骨料反應(yīng)的重要因素。有害的活性骨料主要有蛋白質(zhì)燧右、玉燧質(zhì)燧石、石英質(zhì)燧石、硅質(zhì)石灰石、硅質(zhì)白云石等，其中以蛋白質(zhì)燧石的活性最強。 堿骨料反應(yīng)是在有水的條件下進行的。因此，混凝土的滲透性及所處的環(huán)境對堿骨料反有所影響。堿骨料反應(yīng)一般發(fā)生在構(gòu)件受雨水或滲水和濕度變化的部位。,3.3 堿骨料反應(yīng)的破壞特征,堿骨料反應(yīng)破壞的

12、最重要特征之一是混凝土表面開裂。堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的裂縫形態(tài)與結(jié)構(gòu)中鋼筋形成的限制和約束狀態(tài)有關(guān)。鋼筋限制約束力強的混凝土，堿骨料反應(yīng)形成的裂縫為順筋裂縫；限制約束作用弱的混凝土，堿骨料反應(yīng)形成的裂縫為網(wǎng)狀或地圖狀裂縫。另外，堿骨料反應(yīng)引起混凝土開裂的同時出現(xiàn)局部膨脹，以至使裂縫邊緣出現(xiàn)不平的錯臺狀態(tài)，這是堿骨料反應(yīng)裂縫所特有的現(xiàn)象。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,在工程病實診斷時，應(yīng)注意堿骨料反應(yīng)裂縫與混凝土收縮裂縫的區(qū)別?；炷恋氖湛s也會出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，但出現(xiàn)的時間較早；堿骨料反應(yīng)裂縫出現(xiàn)較晚，多數(shù)在施工后數(shù)年甚至十幾年后出現(xiàn)。收縮裂縫和堿骨料反應(yīng)裂縫均與環(huán)境溫度有關(guān)：環(huán)境越干燥收縮裂縫越大

13、，而堿骨料反應(yīng)裂縫則是隨著環(huán)境濕度的增大而發(fā)展。堿骨料反應(yīng)裂縫首先出現(xiàn)在同一工程相同混凝土的潮濕部位，而干燥部位卻安然無恙，這是堿骨料反應(yīng)裂縫與其他原因裂縫最明顯的外觀特征差別之一。,杭州清泰門立門橋骨料膨脹病害 杭州清泰門立交橋端橫隔板由于堿 活性骨料膨脹引起的裂縫形態(tài)。 杭州清泰門立交橋西部第七孔和第八孔實景,清泰門立交橋西部第七孔和第八孔之間伸縮縫西側(cè)第七孔端橫梁底裂縫,清泰門立交橋第七孔端橫梁裂縫形態(tài),清泰門立交橋第八孔端橫梁底裂縫形態(tài),清泰門立交橋第七孔端橫梁鑿入內(nèi)部發(fā)現(xiàn)堿骨料反映特征變質(zhì)輝綠巖外圈產(chǎn)生白色反應(yīng)環(huán),清泰門立交橋第七孔端橫梁內(nèi)部層離狀裂縫形態(tài),空心板梁梁底因骨料膨脹而產(chǎn)

14、生沖剪裂縫形態(tài)，放射形裂縫交點內(nèi)部有一膨脹源（膨脹骨料）,3.4 堿骨料反應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)的危害,堿骨料反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)展速度和破壞程度，比其他耐久性破壞更快、更嚴重?；炷涟l(fā)生堿骨料反應(yīng)時，一般不到兩年就會出現(xiàn)明顯開裂。出現(xiàn)裂縫后，空氣、二氧化碳的侵入會使混凝土碳化和鋼筋腐蝕速度加快。在寒冷地區(qū)，混凝土出現(xiàn)裂縫后，又會使凍融破壞加速，這樣就造成混凝土工程的綜合性破壞。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,另外，堿骨料反應(yīng)膨脹可使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變形、變位等現(xiàn)象，如有些橋梁支點因混凝土膨脹而錯位，有的混凝土大壩因膨脹而抬高，有些橫向構(gòu)件在兩端被約束條件下因膨脹產(chǎn)生彎曲、扭翹等現(xiàn)象。當(dāng)

15、堿骨料反應(yīng)引起超量膨脹時，會在混凝土中心形成內(nèi)部裂縫，裂縫內(nèi)充滿凝膠，混凝土表層限制了內(nèi)部混凝土的膨脹，出現(xiàn)層面拉應(yīng)力。這種反應(yīng)程度足夠大時，在合適的角度就會產(chǎn)生更大的裂縫，造成混凝土結(jié)構(gòu)的整體破壞。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,堿骨料反應(yīng)是導(dǎo)致混凝土耐久性能喪失的一項重要因素，它與其他破壞因素如凍融，干濕交替，鋼筋腐蝕等因素形成的危害往往同時發(fā)生。堿骨料反應(yīng)造成的最大危害是推波助瀾，助長其他耐久性破壞作用加速，產(chǎn)生破壞的協(xié)同效應(yīng)。堿骨料反應(yīng)一旦發(fā)生，就很難控制，還會加速其他耐久性破壞過程，所以，有時也稱堿骨料破壞是混凝土結(jié)構(gòu)的“癌癥”。,3.5 堿骨料的防止,對付堿骨料反應(yīng)重在預(yù)防，因

16、為混凝土結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生堿骨料破壞，目前還沒有什么可靠的修補措施。 防止混凝土堿骨料反應(yīng)應(yīng)采用綜合手段，從根本上加以解決； 選用含堿量低的水泥，水泥的含堿量不應(yīng)大于0.6%； 不使用堿活性大的骨料； 在混凝土中摻入適量的火山灰活性細摻料； 選用不含堿或含堿量低的化學(xué)外加劑； 通過各種措施，保證混凝土的總含堿量不大于3kg/m3； 提高混凝土密實度或采用復(fù)合纖維混凝土，增強混凝土抗?jié)B性，阻止水分的侵入。,4、混凝土的凍害,混凝土早期受凍使混凝土表面爆裂，強度損失嚴重，對結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性影響很大。處于寒冷潮濕環(huán)境的混凝土在凍融循環(huán)的反復(fù)作用下，將引起混凝土表層剝落和開裂，對結(jié)構(gòu)的耐久性危害很大。北

17、方地區(qū)公路撒鹽除冰，由于鹽類化合物與凍融循環(huán)共同作用引起的鹽凍破壞是一種最嚴重的凍融破壞，共破壞程度和速率比普通凍融破壞要大得變。,4.1 混凝土凍融破壞機理,由于混凝土凍害的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外對混凝土凍融破壞機理的認識還不夠統(tǒng)一。一般認為水泥漿體中的孔隙水結(jié)冰膨脹是引起混凝土凍害破壞的根本原因。水結(jié)冰時產(chǎn)生9%的體積膨脹，如果混凝土的孔隙中完全充滿水，這么大的膨脹足以使混凝土開裂破壞。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,混凝土受凍時，粗孔中的水先結(jié)冰，在水結(jié)冰膨脹力的推動下，孔中未結(jié)冰的水將向周圍遷移，形成靜水壓力，這是凍融破壞的動力，當(dāng)靜水壓力超過混凝土抗拉強度時，就會造成混凝土的破壞?；?/p>

18、凝土的飽水度越高，結(jié)凍速度越快，混凝土的靜水壓力和破壞力就越大。再加上凍和融的反復(fù)循環(huán)，使混凝土因承受疲勞作用而不斷加重破壞。所以，混凝土抗凍性還與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,鹽溶液與凍融的協(xié)同作用比單純的凍融嚴酷得多，一般把鹽凍破壞看作是凍融破壞的一種特殊形式，即最嚴酷的凍融破壞。鹽溶液能降低冰點，理應(yīng)減輕凍害，為什么鹽凍反而加劇凍害呢？,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,一般認為，當(dāng)混凝土浸水時，主要靠毛細管孔張力吸水；當(dāng)混凝土中含有鹽溶液時，除毛細孔張力外，還存在鹽濃度差產(chǎn)生的滲透壓，因此在毛細孔張力和滲透壓共同作用下，吸水率和吸水速率都大大增加，使混凝土內(nèi)部的

19、飽水度也明顯提高。此外，孔中鹽溶液在干濕和冷熱循環(huán)作用下，鹽會過飽和而結(jié)晶，產(chǎn)生結(jié)晶壓。鹽凍破壞是靜水壓及鹽溶液的滲透壓和結(jié)晶壓共同作用的結(jié)果，因此，鹽凍破壞要比單純的凍融破壞嚴酷得多。,4.2 混凝土凍融破壞的特征,凍融破壞的特征是混凝土剝落，在混凝土表面出現(xiàn)粒徑23mm的小片剝落，隨著使用年限的增加，剝落量及剝落粒徑增大，剝落由表及里。剝落一經(jīng)開始，發(fā)展的速度是很快的。最典型的凍融破壞實例如黑龍江省某電廠的冷卻塔，從建成到發(fā)現(xiàn)混凝土表層小顆粒剝落只有12年，從小顆粒剝落到大顆粒剝落乃至整個保護層破壞，完全喪失承載能力也只有2年左右。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,北方地區(qū)處于水位變化處

20、的混凝土橋墩，凍融破壞較為普遍，表層混凝土剝落，剝蝕破壞由表及里，發(fā)展很快，減小了截面尺寸，影響結(jié)構(gòu)安全?；炷羶鋈谄茐陌l(fā)展速度快，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)凍融剝落，必須密切注意剝蝕的發(fā)展情況，及時采取修補和補強措施。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,鹽凍破壞主要出現(xiàn)在道路和橋梁工程中，根據(jù)大量的現(xiàn)場調(diào)查和實驗室試驗結(jié)果，鹽凍破壞區(qū)別于其他破壞形式的主要特征是： 、表面分層剝落，骨料暴露，但剝落層下面的混凝土完好，傳統(tǒng)的鉆芯取樣實測強度不低； 、破壞速率快，對未采用防鹽凍措施而使用除冰鹽者，少則一冬，多則數(shù)冬，即可產(chǎn)生嚴重鹽凍破壞； 、在沒有干擾的剝蝕表面或裂縫中可見到白色鹽結(jié)晶體（以氯鹽為主）。,4.3

21、凍融破壞實例分析,圖2所示為河北省保津高速公路大清河大橋橋面鋪裝層破壞情況，具有典型的鹽凍破壞特征。,圖2：河北保津高速公路大清河大橋橋面鋪裝層破壞情況 （鋪裝層混凝土表層剝落，鋼筋外露，腐蝕嚴重）,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,該橋1998年建成通車，使用1-2年后發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝層嚴重破損，2001年將原橋面瀝青混凝土層挖除，重新鋪20mm厚的瀝青混凝土（SMA），但仍沒能徹底解決問題，使用1-2年后發(fā)現(xiàn)橋面瀝青混凝土層處出現(xiàn)“臃包”和坑槽。2005年5月河北省道橋養(yǎng)護檢測中心對該橋進行了全面檢測，發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土層結(jié)構(gòu)松散，油石分離現(xiàn)象嚴重，孔隙率大，透水嚴重，橋面鋪裝層混凝土普遍出現(xiàn)表層

22、剝落破壞，骨料外露，有些表層（約為730mm）混凝土已被壓碎，鋼筋外露，并已嚴重腐蝕。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,分析認為該橋鋪裝層混凝土表層剝落破壞是凍融循環(huán)作用所致，并表現(xiàn)為鹽凍破壞特征。 據(jù)養(yǎng)護管理部門介紹，該橋在冬季養(yǎng)護中采用了撒鹽除冰措施。我國華北地區(qū)冬季的氣候特點是晝夜溫差大，夜間溫度可達0以下，出現(xiàn)結(jié)冰。白天中午溫度高，特別是黑色路面吸熱快，路面冰雪融化，一天內(nèi)就要經(jīng)歷一個凍融循環(huán)。華北地區(qū)的冬季的最低溫度要比東北、內(nèi)蒙古等更寒冷地區(qū)高，但初冬和早春經(jīng)歷凍融循環(huán)作用的時間要比東北及內(nèi)蒙地區(qū)長得多，凍融循環(huán)破壞的影響要嚴重得多。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,另外，該橋

23、橋面采用SMA瀝青混合料，油石比偏低，礦粉含量不足，混合料孔隙率大，透水嚴重，致使大量含有鹽份的水滯留于橋面鋪裝混凝土頂面，凍融循環(huán)的反復(fù)作用造成混凝土表面剝離破壞，抗壓強度降低，在車輛荷載作用下就會出現(xiàn)混凝土表層局部壓碎破壞，含有鹽份的水進一步侵蝕就會造成鋼筋的嚴重腐蝕。,4.4 采用引氣混凝土技術(shù)是提高混凝土抗凍耐 久性的重要措施,國內(nèi)外大量的研究表明，摻入引氣劑的混凝土抗凍耐久性明顯提高，這是因為引氣劑形成的互不連通的微細氣孔在混凝土受凍初期能使毛細孔中的靜水壓力減小。在混凝土受凍結(jié)冰過程中，這些孔隙可以阻止或抑制水泥漿中微小冰體的形成。 引氣混凝土是成熟技術(shù)，國外已廣泛采用，我國水工和

24、港工結(jié)構(gòu)引氣混凝土的應(yīng)用較多。 我國在應(yīng)用引氣混凝土技術(shù)方面與國外差距較大，是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性差的主要原因之一。特別是在北方寒冷地區(qū)的道路與橋梁工程，盡快推廣使用引氣混凝土，對提高結(jié)構(gòu)的抗凍耐久性具有十分重要的意義。,6、鋼筋腐蝕,大量的工程實踐表明，鋼筋的腐蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。處于干燥環(huán)境下，混凝土碳化速度緩慢，具有良好保護層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般不會發(fā)生鋼筋腐蝕；而處于潮濕的或有侵蝕介質(zhì)（例如氯離子）的環(huán)境中，混凝土將加速碳化，鋼筋鈍化膜逐漸破壞，鋼筋將逐漸腐蝕,最終將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴重破壞。鋼筋腐蝕伴隨有體積膨脹，使混凝土表面出現(xiàn)順筋裂縫（爆裂），造成鋼筋與混凝土之間粘

25、著力的破壞，鋼筋截面面積減少，構(gòu)件承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時間的推移，腐蝕會逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。,5.1 鋼筋腐蝕的機理,5.1.1 混凝土碳化引起的鋼筋腐蝕 前已指出，混凝土碳化的實質(zhì)是混凝土的中性化，當(dāng)有二氧化碳和水氣侵入混凝土內(nèi)部，與混凝土中的堿性物質(zhì)中和，導(dǎo)致混凝土的pH值降低，造成全部或部分鋼筋表面鈍化膜的破壞。失去飩化膜保護的鋼筋在氧氣和水的作用下，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,在陽極的反應(yīng)為 （3） 在陰極的反應(yīng)為 （4） 陽極、陰極生成的鐵離子和氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化鐵： （5）,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損

26、傷,在氧氣和水的共同作用下，發(fā)生上述電化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋表面的鐵不斷失去電子而溶于水，鋼筋逐漸被腐蝕，反應(yīng)生成的氫氧化鐵（Fe(OH)3）進一步氧化形成鐵銹Fe(OH)33H2O，鐵銹體積膨脹，將引起混凝土開裂。,5.1.2 氯離子侵蝕引起的鋼筋腐蝕,氯離子是極強的去鈍化劑，氯離子進入混凝土，到達鋼筋表面，并吸附于局部鈍化膜處時，可使該處的pH值迅速降低，破壞鋼筋表面的鈍化膜，引起鋼筋腐蝕。 氯離子Cl和氫氧根離子OH爭奪腐蝕產(chǎn)生的Fe2+，形成綠銹FeCl24H2O，綠銹從鋼筋的陽極向含氧量較高的混凝土孔隙遷移，分解為Fe(OH)2（褐銹）。褐銹沉積于陽極周圍，同時放出氫離子H+和氯離子Cl，

27、它們又回到陽極區(qū)，使陽極區(qū)附近的孔隙液局部酸化，氯離子Cl再帶出更多的Fe2+。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,氯離子雖然不構(gòu)成腐蝕產(chǎn)物，在腐蝕反應(yīng)中也不消耗，但腐蝕的中間產(chǎn)物對腐蝕反應(yīng)起催化作用，反應(yīng)式為 （6） （7）,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,如果在大面積的鋼筋表面上具有高濃度的氯離子，則氯離子所引起的腐蝕可能是均勻腐蝕。但是由于混凝土局部缺陷常造成鋼筋局部表面氯離子濃度增加，引起鋼筋局部腐蝕。氯離子Cl對鋼筋表面鈍化膜的破壞發(fā)生在局部，使這些部位露出了鐵基體，與鈍化膜尚完好的區(qū)域形成電位差，大面積鈍化膜區(qū)域作為大陰極，鐵基體作為小陽極形成腐蝕電池。腐蝕電池作用的結(jié)果是在鋼筋

28、表面產(chǎn)生腐蝕坑。腐蝕坑的存在和進一步發(fā)展，加大了鋼筋電位差，使腐蝕加速。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,此外，腐蝕坑相當(dāng)于一個缺口，在鋼筋受拉時應(yīng)力分布不均勻，造成應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致鋼筋的早期斷裂，這種現(xiàn)象稱為鋼筋的應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕是化學(xué)腐蝕和應(yīng)力復(fù)合作用的結(jié)果。應(yīng)力腐蝕主要與腐蝕介質(zhì)、鋼筋的應(yīng)力水平和鋼筋的材質(zhì)情況有關(guān)。鋼筋的強度越高，其變形性能越差，越容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕；鋼筋應(yīng)力越高，應(yīng)力腐蝕的敏感性越大。因此，應(yīng)力腐蝕對高強預(yù)應(yīng)力鋼筋的危害是很大的。,52影響鋼筋腐蝕的因素,混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕受許多因素影響，其中主要包括：混凝土的液相組成（pH值及Cl含量）、混凝土密實度、保護層

29、厚度及完好性和外部環(huán)境等。 、混凝土液相pH值 鋼筋腐蝕速度與混凝土液相pH值有密切關(guān)系，當(dāng)pH值大于10時，鋼筋腐蝕速度很?。划?dāng)pH值小于4時，鋼筋腐蝕速度急劇增加。 、混凝土中氯離子Cl含量 混凝土中氯離子Cl含量對鋼筋腐蝕的影響極大。一般情況下，鋼筋混凝土中氯鹽摻量應(yīng)少于水泥重量的1%，摻氯鹽的混凝土必須振搗密實，且不宜采用蒸汽養(yǎng)護。,、混凝土的密實度和保護層厚度 混凝土對鋼筋的保護作用包括兩個方面：一是混凝土的高堿性使鋼筋表面形成鈍化膜；二是保護層對外界腐蝕介質(zhì)、氧氣和水分等滲入的阻止。后一種作用主要取決于混凝土的密實度及保護層厚度。 、混凝土保護層的完好性 混凝土保護層的完好性是指混

30、凝土是否開裂，有無蜂窩、孔洞等。混凝土裂縫對鋼筋腐蝕有明顯影響，特別是對處于潮濕環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中的混凝土影響更大。許多調(diào)查表明，在潮濕環(huán)境中使用的混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫寬度達0.2mm時，即可引起鋼筋腐蝕。,、粉煤灰等摻合料的數(shù)量 粉煤灰等礦物摻合料能降低混凝土的堿性，從這種意義上講可能會影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。但是，國內(nèi)外許多研究表明，在摻有優(yōu)質(zhì)粉煤灰等摻合料時，在降低混凝土堿性的同時，能提高混凝土的密實度，改變混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，從而能阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣和水分的滲入，這無疑對防止鋼筋腐蝕是十分有利的。近年來，我國的研究工作還表明，摻入粉煤灰可以增強混凝土抵抗雜散電流對鋼筋的腐蝕作用。因此，綜

31、合考慮上述效應(yīng)，可以認為在混凝土中摻入符合標(biāo)準的粉煤灰，不但不會影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，有時反而會提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。,、環(huán)境條件 環(huán)境條件如溫度、濕度及干濕交替作用、海水飛濺、海鹽滲透等是引起鋼筋腐蝕的外在因素，對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕有明顯影響。特別是混凝土自身保護能力不合要求或混凝土保護層有裂縫等缺陷時，外界因素的影響更為突出。許多實際調(diào)查表明，混凝土在潮濕及腐蝕介質(zhì)中的使用壽命要比干燥環(huán)境及無腐蝕介質(zhì)情況下減少23倍。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,、鋼筋應(yīng)力狀態(tài) 鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)對其腐蝕的影響很大，應(yīng)力腐蝕比一般腐蝕更危險。鋼筋的應(yīng)力腐蝕一般是先形成腐蝕坑，造成應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋

32、源，進一步發(fā)展造成裂紋尖端部位材料的脆化，引起裂紋擴展，最終導(dǎo)致鋼筋斷裂。鋼筋應(yīng)力越高，應(yīng)力腐蝕的敏感性越大。,圖28 四川路橋箱體腹板和頂板鋼筋 大面積銹蝕而崩裂混凝土保護層 圖28-a 腹板鋼筋銹蝕崩裂混凝土表面,蓋梁箍筋銹蝕,立柱銹脹裂縫,5. 3、鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)受力性能的影響,混凝土中的鋼筋腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，混凝土保護層出現(xiàn)順筋裂縫，使鋼筋與混凝土的粘結(jié)力下降，鋼筋截面面積減少，屈服強度降低，隨著時間的推移，結(jié)構(gòu)受力性能將進一步惡化，嚴重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。,（1）、腐蝕鋼筋的截面損失率,鋼筋的腐蝕狀態(tài)（即判斷是否腐蝕）一般以電測法確定?；炷林袖摻罡g是一種電化學(xué)腐蝕過程，鋼筋

33、腐蝕后必然會產(chǎn)生電流，影響鋼筋的電位值，因此，測量鋼筋的電位值的大小，就能判斷鋼筋腐蝕的狀態(tài)。我國采用的鋼筋腐蝕狀態(tài)判別標(biāo)準列于表1。,表1 鋼筋腐蝕狀態(tài)判別標(biāo)準,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,鋼筋的腐蝕程度（腐蝕率）一般以截面損失率表示。鋼筋腐蝕率的檢測方法很多，可劃分為三大類： 電測綜合分析法 電測綜合分析法是用鋼筋腐蝕電流確定鋼筋的腐蝕速度。鋼筋的腐蝕電流可根據(jù)鋼筋的自然電位、極化程度、混凝土的電阻率等參數(shù)求得。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷, 取樣檢查法 取樣檢查法是去掉混凝土保護層后，直接檢查鋼筋腐蝕情況，測量鋼筋剩余直徑，腐蝕坑的長度、深度及分布情況，根據(jù)實測資料計算腐蝕鋼

34、筋的截面損失率。這種檢測既可在原結(jié)構(gòu)的鋼筋上直接進行，也可以取鋼筋試樣在實驗室進行分析。取樣檢查法是最簡單、最可靠的檢測方法，但是由于鋼筋取樣位置和數(shù)量的限制，實測結(jié)果具有一定的局限性。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷, 裂縫觀察分析法 裂縫觀察法是根據(jù)構(gòu)件上裂縫的形狀、分布及寬度等判斷鋼筋的腐蝕情況。鋼筋腐蝕后，腐蝕物體積膨脹，混凝土保護層出現(xiàn)順筋裂縫，因此，可以通過觀察混凝土構(gòu)件上有無順筋裂縫和裂縫的開展寬度粗略判斷鋼筋的腐蝕程度。表2給出裂縫與鋼筋截面損失率的關(guān)系，可供參改。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,表2 構(gòu)件裂縫狀態(tài)與鋼筋截面損失率,（2）腐蝕鋼筋的力學(xué)性能,鋼筋腐蝕后的力

35、學(xué)性能如屈服強度、伸長率等也隨之發(fā)生變化。鋼筋腐蝕對其力學(xué)性能的影響，取決于腐蝕程度。 冶金工業(yè)部建筑研究總院和中國建筑科學(xué)研究院的試驗研究表明。 對于表面只有浮銹的鋼筋，當(dāng)其截面損失率小于1%時，鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和極限強度、屈服強度與未腐蝕者基本相同。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,、對于截面損失率小于5%，且均勻弱腐蝕的熱軋鋼筋，其應(yīng)力應(yīng)變曲線仍具有明顯的屈服點，也具有足夠的延性，鋼筋的極限強度和屈服強度也未有顯著的改變；對于截面損失率大于10%的嚴重腐蝕的鋼筋，其力學(xué)性能有明顯改變，應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服點，屈服強度與極限強度非常接近。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,、鋼筋

36、腐蝕后，伸長率明顯下降：當(dāng)截面損失率小于5%時，鋼筋的伸長率基本上能滿足規(guī)范規(guī)定的最小允許值；當(dāng)截面損失率大于10%時，鋼筋的伸長率則小于規(guī)范規(guī)定的最小允許值，它們之間的關(guān)系可以用指數(shù)曲線進行擬合。 、腐蝕鋼筋的屈服強度與相應(yīng)的截面損失率（或重量損失率）之間的關(guān)系，基本上服從線性關(guān)系。,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,牛荻濤在綜合分析試驗資料的基礎(chǔ)上，給出了腐蝕鋼筋實際屈服強度和極限強度計算表達式為： （8） （9）,一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,式中： 腐蝕鋼筋的屈服強度； 腐蝕鋼筋的極限強度； 腐蝕鋼筋的截面損失率； 未腐蝕鋼筋的屈服強度； 未腐蝕鋼筋的極限強度。,一、環(huán)境因素引起的

37、混凝土結(jié)構(gòu)損傷,并建議，當(dāng)0.15時，按公式（8）計算腐蝕鋼筋的屈服強度，當(dāng)0.15時，則按無屈服點的熱扎鋼筋處理。,(3)鋼筋腐蝕對鋼筋與混凝土粘結(jié)強度的影響,鋼筋腐蝕對粘結(jié)強度的影響與腐蝕量有關(guān)：當(dāng)鋼筋表面只有輕微的腐蝕時（腐蝕率小于1%），鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度有所提高，但隨腐蝕量的增加，粘結(jié)強度則會顯著下降。當(dāng)因鋼筋腐蝕產(chǎn)生順筋裂縫，且裂縫寬度超過1.52mm時，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力基本喪失，其平均粘結(jié)強度僅為無順筋裂縫的3.5%5.5%。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,1、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型和成因 混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴展而引起的。引起裂縫的原因很多，可

38、歸納為兩大類： 第一類：由外荷載引起的裂縫，稱為結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱為荷載裂縫），其裂縫的分布及寬度與外荷載有關(guān)。 第二類：由變形引起的裂縫，稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱非荷載裂縫），如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結(jié)構(gòu)變形受到限制時，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會產(chǎn)生自應(yīng)力，當(dāng)自應(yīng)力達到混凝土抗拉強度極限值時，就會引起混凝土裂縫。裂縫一旦出現(xiàn)，變形得到釋放，自應(yīng)力也就消失了。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,兩類裂縫有明顯的區(qū)別，危害效果也不相同。調(diào)查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫占主導(dǎo)的約占80%，以荷載引起的裂縫占主導(dǎo)的約占20%，有時兩類裂縫融在一起。對裂縫原因的分析是裂縫危害性評定、裂縫修補和加固的依據(jù)，若

39、對裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進行處理，不僅達不到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險。,1.1 結(jié)構(gòu)性裂縫（荷載裂縫）,結(jié)構(gòu)性裂縫是由于結(jié)構(gòu)受到外荷載的作用，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力達到混凝土的極限拉強度，使混凝土產(chǎn)生的裂縫。 對于橋梁工程中大量采用受彎構(gòu)件而言，結(jié)構(gòu)性裂縫主要表現(xiàn)為彎曲裂縫和剪切裂縫兩種形式。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,11.1彎曲裂縫 彎曲裂縫是指在彎短作用下，因拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的裂縫。一般出現(xiàn)在承受彎矩較大梁段的受拉區(qū)，如簡支梁跨中梁段下緣受拉區(qū)，連續(xù)梁跨中梁段下緣和支座處上緣的受拉區(qū)。對縱向受力鋼筋配置較少的個別部分，也有可能因拉應(yīng)力過大產(chǎn)生彎曲裂縫。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂

40、縫分析,對板梁橋（實心板梁，空心板梁）而言，由拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的彎曲裂縫，一般表現(xiàn)為在板的跨中梁段底面出現(xiàn)若干條大致平行分布的橫橋向裂縫。對T梁橋（或箱梁橋）而言，由拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的彎曲裂縫，一般表現(xiàn)為在梁的跨中梁段的腹板（梁肋）上出現(xiàn)若干條大致平行布置，且與底面貫通的豎直裂縫。豎直裂縫在腹板（梁肋）上的延伸長度一般不超過梁高的一半。,圖3 所示為鋼筋混凝土簡支梁的典型結(jié)構(gòu)性裂縫分布示意圖。圖中所示的跨中截面附近下緣受拉區(qū)由拉應(yīng)力引起的豎向裂縫，是最常見的結(jié)構(gòu)彎曲性裂縫。在正常設(shè)計和使用情況下，裂縫寬度不大，間距較密，分布均勻。,預(yù)加應(yīng)力不足引起裂縫 預(yù)加應(yīng)力不足，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)提前出現(xiàn)裂

41、縫，圖為上海中山西路三號橋由于對箱梁剪滯效應(yīng)估計不足，而導(dǎo)致預(yù)加應(yīng)力不足，由此產(chǎn)生正截面裂縫。 上海中山西路三號橋由于預(yù)加應(yīng)力不足 引起箱梁底板下緣裂縫,1.1.2剪切裂縫,剪切裂縫是指在剪力或剪力與彎矩共同作用下，因主拉應(yīng)力過大在腹板（梁肋）兩側(cè)產(chǎn)生的斜裂縫，一般出現(xiàn)在承受剪力較大的支點附近截面及同時承受剪力和彎矩均較大的梁段。另外，梁的抗剪配筋薄弱處也可能出現(xiàn)剪切斜裂縫。圖3中為簡支T梁橋腹板出現(xiàn)的剪切斜裂縫。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,剪切斜裂縫的特征是在腹板（梁肋）兩側(cè)基本上對稱布置，傾斜角度為30- 50，傾斜方向與主壓應(yīng)力跡線方向一致（即與斜筋布置方向相垂直）。大致在梁高一半處裂縫寬

42、度最大。靠近支點附近截面的斜裂縫向下延伸長度不大，一般不與底面貫通?？鐝絻?nèi)梁段受彎矩的影響較大，斜裂縫向下延伸長度較大，有可能與底面貫通，形成彎剪斜裂縫。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,另外，鋼筋混凝土墩柱受壓構(gòu)件由于縱向壓力過大引起的縱向裂縫，預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)由于局部應(yīng)力過大引起的劈裂裂縫等也屬于結(jié)構(gòu)性裂縫。 有些結(jié)構(gòu)性裂縫是由設(shè)計錯誤和施工方法不當(dāng)所造成的。例如：鋼筋錨固長度不足、計算圖式與實際受力不符、構(gòu)件剛度不足、次內(nèi)力考慮不全面和施工安裝構(gòu)件支承吊點錯誤等都可以使構(gòu)件產(chǎn)生裂縫。,預(yù)應(yīng)力混凝土錨下應(yīng)力集中引起裂縫 由于預(yù)應(yīng)梁在張拉時，若混凝土強度未達到一定要求，或錨下配置抗應(yīng)力集中鋼筋不足時，就

43、會出現(xiàn)距錨具一定距離產(chǎn)生順應(yīng)力鋼筋方向的縱向裂縫。 某橋預(yù)應(yīng)力橫梁端部產(chǎn)生明顯的錨下應(yīng)力集中裂縫,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,在超靜定結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)不均勻沉降，將引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。基礎(chǔ)不均勻沉降引起的上部結(jié)構(gòu)的裂縫，實質(zhì)上是屬于結(jié)構(gòu)性裂縫范疇，裂縫的分布和寬度與結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)不均勻沉降情況及大小等多種因素有關(guān)。這種裂縫對結(jié)構(gòu)安全性影響很大，應(yīng)在基礎(chǔ)不均勻沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能進行上部結(jié)構(gòu)的裂縫處理。,1.2非結(jié)構(gòu)性裂縫,混凝土的非結(jié)構(gòu)性裂縫根據(jù)其形成的時間可分為：混凝土硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完全硬化后裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生受混凝土材料組成、澆筑方法、養(yǎng)護條

44、件和使用環(huán)境等多種因素影響。,1.2.1、收縮裂縫,在混凝土凝固過程中，混凝土中多余水分蒸發(fā)，體積縮小稱為干燥收縮（干縮）。同時，水泥和水發(fā)生水化作用逐漸硬化而形成的水泥骨架不斷緊密，體積縮小，稱為塑性收縮（凝縮）。收縮中以干縮為主，占總收縮量的8090。收縮量隨時間增長而不斷加大，初期收縮較快，爾后日趨緩慢。普通混凝土在標(biāo)準狀態(tài)下的極限收縮變形約為0.0000324。,1.2.1.1 塑性收縮裂縫,塑性收塑裂縫是指混凝土澆筑后，在硬化前由于塑性收縮導(dǎo)致的裂縫。 塑性收縮裂縫產(chǎn)生的原因在于混凝土表面干燥速度遠大于內(nèi)部，面層混凝土迅速失水結(jié)硬，收縮大，變形受到內(nèi)部約束時產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致混土開裂。

45、因此，塑性收縮裂縫均在表面出現(xiàn)，裂縫形狀不規(guī)則，多為橫向，長度在50-1000mm之間，間距50-90mm,寬度在0.5-2mm左右，細而多且互不貫通。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,混凝土塑性收縮裂縫在體表比小的板式結(jié)構(gòu)中最為普遍，天氣炎熱、蒸發(fā)量大或混凝土本身水化熱高都是產(chǎn)生塑性裂縫的直接原因。實測結(jié)果表明，當(dāng)混凝土拌和物表面失水速度大于0.5kg/m3.h時，極易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。實際施工中，加強覆蓋，及時灑水養(yǎng)護，都可有效減少塑性收縮裂縫的產(chǎn)生。采取二次搓毛壓平措施，對已形成的塑性收縮裂縫有良好的愈合作用。,1.2.1.1 干燥收縮裂縫,干燥收縮裂縫是指混凝土干燥收縮變形導(dǎo)致的裂縫。 干燥收

46、縮變形是混凝土凝結(jié)硬化后由于含水孔隙失水導(dǎo)致的體積收縮，混凝土內(nèi)部和環(huán)境之間存在的濕度梯度是水分遷移的驅(qū)動力。 混凝土成形后，表面水份蒸發(fā)，這種水份蒸發(fā)總是由表及里逐步發(fā)展，截面上濕度形成梯度，內(nèi)外干縮量不一樣，當(dāng)混凝土表面收縮變形受到混凝土內(nèi)部約束或其他約束限制時，即在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達到混凝土的極限拉強度時，即出現(xiàn)干燥收縮裂縫。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,普通混凝土干燥收縮隨時間的發(fā)展存在一定規(guī)律，通常半個月可完成收縮終值的10%-25%；3個月完成50%-60%；1年完成75%-80%，因此，混凝土結(jié)構(gòu)的干燥收縮裂縫通常在1年左右開始出現(xiàn)。混凝土結(jié)構(gòu)的干燥收縮裂縫總是在拉應(yīng)力集

47、中部位或結(jié)構(gòu)最薄弱部位首先出現(xiàn)，并與拉應(yīng)力聚集的方向垂直。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,視結(jié)構(gòu)約束條件以及配筋形式的不同，干燥收縮裂縫一般有兩種形狀：一種為不規(guī)則龜紋狀或放射狀裂縫；另一種為每隔一段距離出現(xiàn)1條的裂縫，其中以后者居多，多為棗核形，最初表現(xiàn)為不貫穿的表面裂縫，隨后大部分裂縫都將逐漸演化為貫穿型裂縫。裂縫寬度通常在0.1-0.5mm，嚴重時可達0.5-1.5mm。實際工程中，這種干燥收縮裂縫多出現(xiàn)于縱向長度較大或體積表面積比較大的結(jié)構(gòu)。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,圖4：深圳泥崗立交匝道橋腹板收縮裂縫示意圖,圖4所示為深圳泥崗立交匝道橋腹板收縮裂縫示意圖。該橋為現(xiàn)場整體澆筑的鋼筋混凝土連續(xù)

48、箱梁橋，2004年發(fā)現(xiàn)箱梁腹板出現(xiàn)大量的豎向裂縫，裂縫間距為0.51.5m左右，跨中部位分布較密，支點范圍較??；裂縫在頂板根部和底板上方逐漸消失，個別裂縫寬度已超過0.2mm。從裂縫特征分析，這是典型的干燥收縮裂縫。就本例而言，發(fā)現(xiàn)如此嚴重的收縮裂縫應(yīng)從設(shè)計、施工等多方面查找原因。由箱梁頂板和底板的嵌固約束作用，腹板混凝土收縮變形將受到限制，若腹板內(nèi)設(shè)置的水平防收縮鋼筋間距過大，或拌合混凝土中水泥用量過大，初期養(yǎng)護不當(dāng)，都可能造成腹板出現(xiàn)收縮裂縫。,12.2 溫度裂縫,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫度變化將產(chǎn)生熱脹冷縮變形，這種溫度變形受到約束時，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)此拉應(yīng)力達到混凝土的抗拉強

49、度極限值時，即會引起混凝土裂縫。這種裂縫稱為溫度裂縫。按結(jié)構(gòu)的溫度場不同、溫度變形、溫度應(yīng)力不同，溫度裂縫可分為三種類型：,12.2.1 截面均勻溫差裂縫,一般橋梁結(jié)構(gòu)為桿件體系長細結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度變化時，構(gòu)件截面受到均勻溫差的作用，可忽略橫截面兩個方向的變形，只考慮沿梁長度方向的溫度變形，當(dāng)這種變形受到約束時，在混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫。例如：連續(xù)梁預(yù)留伸縮縫的伸縮量過小或有施工散落的混凝土碎塊等雜物嵌入伸縮縫或堆集于支座處的雜物沒有及時清理，使伸縮縫和支座失靈等，當(dāng)溫度急劇變化時，結(jié)構(gòu)伸長受到約束，就會出現(xiàn)這種截面均勻溫差裂縫，嚴重者還可能造成墩臺的破壞。,12.2.2 截面上、下溫

50、差裂縫,以橋梁結(jié)構(gòu)中大量采用的箱形梁為例，當(dāng)外界溫度驟然變化時，會造成箱內(nèi)外的溫度差，考慮到橋梁為長細結(jié)構(gòu)，可以認為在沿梁長方向箱內(nèi)外的溫差是一致的，沿橫向也沒有溫差。將三維熱傳問題簡化為沿梁的豎向溫度梯度來處理，一般假設(shè)梁的截面高度方向、溫差呈線性變化。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,在這種溫差作用下，梁不但有軸向變形，還伴隨產(chǎn)生彎曲變形。梁的彎曲變形在超靜定結(jié)構(gòu)中不但引起結(jié)構(gòu)的位移，而且因多余約束存在，還要產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力。當(dāng)上、下溫差變形產(chǎn)生的應(yīng)力達到混凝土抗拉強度極限值時，混凝土就要出現(xiàn)裂縫，這種裂縫稱為截面上、下溫差裂縫。,12.2.3截面內(nèi)外溫差裂縫,水泥在水化過程中產(chǎn)生一定的水化熱

51、，其大部分熱量是在水泥澆注后3天以內(nèi)放出的。大體積混凝土產(chǎn)生的大量水化熱不容易散發(fā)，內(nèi)部溫度不斷上升，而混凝土表層散熱較快，使截面內(nèi)部產(chǎn)生非線性溫度差。另外，預(yù)制構(gòu)件采用蒸氣養(yǎng)生時，由于混凝土升溫或降溫過快，致使混凝土表面劇烈升溫或降溫，也會使截面內(nèi)部產(chǎn)生非線性溫度差。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,在這種截面溫差作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生彎曲變形，且符合平截面假設(shè)，截面縱向纖維因溫差的伸長將受到約束，產(chǎn)生溫度自應(yīng)力。對超靜定結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生阻止撓曲變形的約束應(yīng)力。有時此溫度應(yīng)力是相當(dāng)大的，尤其是混凝土早期強度比較低時，很容易造成混凝土裂縫。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,混凝土溫度裂縫的分布特征： 裂縫發(fā)生在板上時

52、，多為貫穿裂縫；發(fā)生在梁上多為表面裂縫。 梁板式結(jié)構(gòu)或長度較大的結(jié)構(gòu)，裂縫多是平行于短邊。 大面積結(jié)構(gòu)（例如橋面鋪裝）裂縫多是縱橫交錯。 裂縫寬度大小不一，一般在0.5mm以下，且沿結(jié)構(gòu)全長沒有多大變化。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,預(yù)防溫度裂縫的主要措施是合理設(shè)置溫度伸縮縫，在混凝土組成材料中摻入適量的磨細粉煤灰，減少水化熱，加強混凝土養(yǎng)護，嚴格控制升溫和降溫速度。,2、裂縫對混凝土耐久性的影響,特別需要指出的是，不論何種原因產(chǎn)生的裂縫，都會對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與鋼筋的腐蝕相互作用。鋼筋腐蝕與混凝土的碳化、氯離子侵蝕以及水分、氧氣的存在條件是分不開的，而提供這種條件

53、的通道一個是毛細孔道，另一個是裂縫，其中裂縫對鋼筋腐蝕的影響更大?；炷灵_裂后，鋼筋的腐蝕速度將大大加快，鋼筋腐蝕后，生成的腐蝕物體積膨脹，產(chǎn)生順筋裂縫，由于裂縫的進一步擴展提供了使侵蝕破壞作用逐步升級、混凝土耐久性不斷下降的渠道，形成導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進一步退化的惡性循環(huán)。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,混凝土結(jié)構(gòu)的表面，即水泥基復(fù)合材料與外界環(huán)境的接觸區(qū)域，是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的第一道防線。由于裂縫的存在，混凝土表層甚至基體內(nèi)部可能藏納或通過的水分增加。裂縫越深，水分的穿透距離越長，各種侵蝕性化學(xué)成分都會借助于水的搬運作用深入到混凝土基體內(nèi)部?；炷帘韺拥奈⒓毩芽p一旦灌入水分，也會由于表面張力的

54、作用而將水分保留在其中，混凝土受凍時，水即結(jié)冰，體積膨脹，使得原有的裂縫進一步擴張，待溫度回升后，結(jié)冰融化，擴張后的裂縫可以容納更多的水。如此反復(fù)循環(huán)，將導(dǎo)致混凝土的損傷破壞，耐久性降低。,二 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析,因此，控制混凝土表面裂縫對提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是十分重要的，“唇亡齒寒”，第一道防線被突破，就有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性的最終破壞。,3、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫實例分析,混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析是非常復(fù)雜的問題。首先應(yīng)區(qū)分結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫。對結(jié)構(gòu)性裂縫的判斷，應(yīng)以結(jié)構(gòu)受力分析為基點，綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和養(yǎng)護管理情況的影響，找出產(chǎn)生裂縫的受力機理；對非結(jié)構(gòu)性裂縫的判斷，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)施工和使

55、用期間環(huán)境因素影響和材料組成分析及構(gòu)造細節(jié)處理情況。在實際工程中有些裂縫是由多種因素綜合作用產(chǎn)生的，分析時應(yīng)特別注意綜合考慮具體分析。,3.1、河北省京滬高速漳衛(wèi)新河岔河大橋好預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板裂縫分析。,漳衛(wèi)新河岔河大橋上部結(jié)構(gòu)為630m+730m+630m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁。2000年12月竣工通車。2004年7月檢測發(fā)現(xiàn)，箱梁底板出現(xiàn)大量的橫向裂縫，其中以第一聯(lián)第六跨和第三聯(lián)第一跨裂縫最為嚴重，裂縫集中分布在正彎矩較大的跨中部位，裂縫寬度一般為0.15-0.2mm，個別裂縫寬度已達1.21mm，（圖5）。,分析認為，該橋箱梁底板出現(xiàn)的橫向裂縫是由于預(yù)應(yīng)力不足所造成的結(jié)構(gòu)性受力裂縫

56、。該橋采用滿堂支架分三期施工，先澆注中間第二聯(lián)，預(yù)應(yīng)力筋采用兩端張拉方案。第一聯(lián)和第三聯(lián)施工時，由于中間緊靠已施工完第二聯(lián)梁端無法布置張拉千斤頂，只能采用從東、西兩端橋臺處一端張拉的方案。第一聯(lián)第六跨和第三聯(lián)第一跨至張拉端的距離最遠，管道摩擦引起的預(yù)應(yīng)力摩阻損失最大。加之施工時沒有實測摩阻系數(shù)，摩阻系數(shù)的微小偏差將會引起摩阻損失的明顯變化。,3、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫實例分析,預(yù)應(yīng)力損失過大是造成該橋預(yù)應(yīng)力不足、抗裂性降低并出現(xiàn)嚴重橫向裂縫的根本原因。另外，第一聯(lián)第六跨和第三聯(lián)第一跨是連續(xù)梁的邊跨，與中間跨相比處于更不利的工作狀態(tài)。計算表明，邊跨正截面抗彎承載力的安全儲備與中間跨相比相對較低，在車輛嚴

57、重超載作用下也促進了底板裂縫的發(fā)展。,3、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫實例分析,圖5 漳衛(wèi)新河岔河大橋第一聯(lián)第六跨箱梁裂縫分布情況示意圖,3.2 黑龍江綏滿公路三股線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁裂縫分析,三股線跨線橋為35m+60m+90m+60m+35m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)一連續(xù)梁混合體系。1997年7月竣工通車。2007年5月檢測發(fā)現(xiàn)該橋的主要病害是： 主跨（90m跨）跨中梁段出現(xiàn)3條橫向裂縫，裂縫間距為3m，其中位于合龍段(3m)跨中的裂縫為貫通性裂縫隙(頂面寬度為4mm，底面寬度為0.1mm)，另二條橫向裂縫位于東側(cè)懸臂澆筑段端部（注：由于受設(shè)備條件限制，西側(cè)懸臂澆筑段端部是否有對稱的橫向裂縫沒有觀測）。,箱梁腹板

58、出現(xiàn)嚴重的斜裂縫，斜裂縫集中分布在不設(shè)彎起預(yù)應(yīng)力束的梁段，與梁軸大致呈30 40，裂縫寬度為0.2-0.5mm，個別裂縫寬度達0.8mm。,3、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫實例分析,3.2.1 底板橫向裂縫分析,一般說來，跨中承受正彎矩段底板出現(xiàn)橫向裂縫，與預(yù)應(yīng)力筋配置和荷載作用情況有關(guān)。但該橋底板裂縫寬度大、數(shù)量少而間距大，這與一般由于正截面抗裂性和抗彎承載力不足而出現(xiàn)受力裂縫的特征具有明顯的不同。初步分析認為，合龍段跨中底板出現(xiàn)的貫通性橫向裂縫和懸臂澆注段末端底板出現(xiàn)的兩條橫向裂縫與合龍段施工有關(guān)。,眾所周知，合龍段施工時混凝土的重量一般是由兩側(cè)剛懸臂澆注完成的結(jié)構(gòu)承擔(dān)的，在合龍時隨著混凝土澆注，兩側(cè)結(jié)

59、構(gòu)的撓度不斷變化，加上日溫變化在兩側(cè)結(jié)構(gòu)末端引起的變位，使合龍段混凝土處于反復(fù)的撓曲和拉壓力狀態(tài)。 合龍段混凝土強度增長條件惡劣，很容易出現(xiàn)早期裂縫。澆注合龍段混凝土?xí)r，兩側(cè)結(jié)構(gòu)下?lián)?，混凝土早期強度低，加之錨固預(yù)應(yīng)力筋的齒板的受力影響，底板上也很容易出現(xiàn)橫向裂縫。從受力角度分析合龍段正處于最大正彎矩部位，在車輛荷載作用下這些先天性的早期裂縫會進一步擴大。,3、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫實例分析,3.3.1 腹板斜裂縫分析,該橋腹板出現(xiàn)的斜裂縫具有典型的剪切裂縫特征。其分布特點是斜裂縫集中分布在剪力作用相對較小，未設(shè)彎起預(yù)應(yīng)力束的中間梁段，而剪力作用相對較大，但設(shè)有彎起預(yù)應(yīng)力的近支點梁段則沒有斜裂縫，這顯然與不設(shè)彎起預(yù)應(yīng)力束的梁段的剪力鋼筋配置情況有關(guān)。在不設(shè)彎起預(yù)應(yīng)力束的梁段，斜截面抗裂性和抗剪承載力主要靠豎向預(yù)應(yīng)力筋提供，豎向預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力損失過大，永存應(yīng)力不足，導(dǎo)致主拉應(yīng)力過大，是腹板出現(xiàn)斜裂縫的重要原因之一。,該橋設(shè)計在45cm寬的腹板上設(shè)置一根32的豎向預(yù)應(yīng)力筋，縱向間距為80cm，豎向預(yù)應(yīng)力筋間距過大，可能出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力盲區(qū)。豎向預(yù)應(yīng)力筋的長度較短，對錨具變形損失反應(yīng)敏感。由于車輛荷載沖擊作用，可能引起的