预应力混凝土梁板施工裂缝分析与防治

1 概述
近几年来，先张预应力空心板、预应力混凝土梁在高等级公路建设中发展很快，特别是跨径在10m～20m以内的简支梁先张预应力空心板和跨径在20m～40m的预应力混凝土梁与其他形式的结构相比，具有使用年限长、变形小、造价低、施工方便等优点，因此有着极强的竞争力，采用相当普遍。有些板梁在施工中存在不同程度的开裂，以至增加养护、维修费用，缩短桥梁使用寿命。产生裂缝的原因除了混凝土、钢筋存在质量缺陷外，还与板梁设计环节、施工质量、气候环境等外界因素有关。本文主要结合近几年的工作实践，对其裂缝成因及其防治，与同行们共同探讨。
2 预应力混凝土板梁裂缝内部成因分析
2.1 内应力
在混凝土构件中温度、收缩与徐变都会导致内应力，此为不同纤维中的约束应变所致，在超静定结构中任何这种差别将引起外约束力，由于这些约束力引起的应力超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝，桥梁上许多裂缝都受此影响产生。
2.2 普通钢筋用量不当
设计时由于普通钢筋用量或间距不足，致使裂缝宽度不能保持在允许范围之内，但也可能普通钢筋在混凝土局部用量过大或间距过密钢筋阻止混凝土正常凝固收缩而产生裂缝，这两种情况主要发生在早期开裂。
2.3 薄厚构件的连接
将一薄一厚的混凝土部件相连总是危险的，薄部件与厚部件相比易受到温度、收缩和徐变等的影响而使薄部件更易开裂。
2.4 水泥的水化热作用
混凝土在拌和、运输、振捣、凝结、硬化的过程中，水泥与水发生水化反应。水化过程中释放出大量的热能，水化反应有两次升温和两次降温过程，内部温度升高，而板面温度因外界气温有所降低。升温使混凝土内部体积膨胀，降温使混凝土表面收缩，膨胀时混凝土内部产生压应力，收缩时混凝土表面产生拉应力，当压应力和拉应力超过其抗压强度和抗拉强度时，梁板表面将发生裂缝现象。
2.5 矿物成分与水起水化反应
水泥与水接触后，其矿物成分与水起水化反应生成水化物，水化物的体积是水泥的2倍多，同时水化物的生成在混凝土中产生大量的热量，当内外差形成时，裂缝便形成。
2.6 碱骨料反应
在我们施工中，多数为硅酸盐骨料，是活性集料中含有无定型氧化硅成分，或在碱环境下石料本身会产生膨胀，当混凝土拌和后，水泥中的碱不断溶解，这时碱液与活性骨料的硅酸盐物质产生化学反应，析出胶状的碱－硅胶，胶从周围介质中吸取水分而发生的拉应力超过其抗拉强度时，将会出现裂缝。
2.7 混凝土的干缩作用
混凝土在凝结、硬化过程中，仅很少一部分水分参加水化反应，而大部分水分逐渐蒸发，使混凝土体积产生干缩变形。由于水泥浆形成水泥石，其极限干缩接近3000微应变。干缩作用使混凝土内产生不同程度的拉应力。由于混凝土硬化初期抗拉强度小，如果干缩产生的拉应力超过其抗拉强度时，将会出现裂缝现象。
3 预应力混凝土板梁裂缝外部成因分析
3.1 混凝土局部应力过大
预应力筋锚垫板下会产生很大的局部应力，周围混凝土易产生细微裂缝，此裂缝危害较小，但锚垫板下混凝土如不密实或养生不够则易产生较大裂缝，危害较大。
3.2 主要受力钢筋数量不足
设计或施工时预应力钢筋不足，钢索线形布置有误差，致使受拉区变形过大，混凝土拉应力超过其抗拉强度而产生裂缝。
3.3 混凝土配比不合理
预应力板梁混凝土设计标号较高，20m跨径以上约为50号，10m、13m和16m跨径为40号较好。在混凝土配比设计时，一般施工人员偏于保守，水泥用量超过高限，特别是在新的混凝土评定标准提高后，其水泥用量较以前增加了5%左右，由于水泥用量的增加使混凝土凝结缩量大，造成表面产生裂缝。
3.4 水灰比过大
在拌制混凝土过程中，有的拌和设备计量不准，特别是用水量控制不准，随意性较大，由于水灰比过大而自下造成离析现象，其结果粗骨料沉于下部，多余水分上升，振捣后水泥浆上浮到板顶，从而使混凝土强度不均匀，下部分强度大，顶板强度低，混凝土强度较弱区往往是裂缝容易发生的部位。底板浮浆过多发生收缩现象较为明显，在每根箍筋处顶板横向裂缝隙较为严重。
3.5 砂、石料含泥量超限
在施工过程中，有时砂、石料含泥量超限，这样它们与水泥之间的胶结力有所下降，造成混凝土的强度和抗渗性降低并且产生网状裂缝。
3.6 内模胶囊上浮
预应力空心板在混凝土浇筑过程中，混凝土对胶囊有较大的浮力，如果胶囊固定不牢，就会发生胶囊上浮现象，造成顶板厚度减小，这种情况也极易造成裂缝。
3.7 抽拔胶囊过早
空心板抽拔胶囊的时间与养护温度和混凝土的质量有关，一般控制混凝土强度达到0.6MPa～0.8MPa时为宜。抽拔过早会出现“粘皮”现象，对混凝土质量有影响，当顶板厚度减小或是顶板浮浆过厚时，裂缝容易发生，这种原因出现的裂缝多为纵横裂缝。
3.8 保护厚度不均匀
在钢筋成型时，有时尺寸控制不准确，造成空心板顶板和主梁翼缘上下部保护层过小或过大，这种情况下也常常出现裂缝。
3.9 内模变形
空心板内模胶因为制造质量或在施工中有所损坏，造成混凝土浇筑过程中漏气，气压降低；箱梁内模变形，在混凝土几乎没有强度的情况下，顶板混凝土将发生下陷，造成难以补救的事故。
3.10 侧模拆除时间过早
在混凝土抗压强度达不到2.5Mpa时，拆除侧模板，由于操作时发生震动，侧面常常出现较窄的竖向裂缝。
3.11 预埋钢筋被碰撞
当混凝土抗压强度很低时，在养生或操作中，碰撞板梁顶预埋钢筋，这时混凝土基本没有抵抗外力的能力，从而发生裂缝。
3.12 气温变化大
裂缝容易发生在温差变化大的季节，气温的急剧变化或大风造成混凝土表面急剧冷缩或干缩，从而增大了混凝土表面的拉应力，加快了混凝土早期裂缝的形成。
3.13 养生不及时
混凝土施工完毕后，没有适时很好地养护，混凝土表面水分蒸发过快，从而形成干缩裂缝。外界温度在5℃以下时，如果不及时覆盖保温材料，也容易出现裂缝。
3.14 墩台下沉和落架过早
墩台不均匀下沉或梁底支架拆除过早造成梁的挠度变形过大，在超静定结构中造成桥墩支承点处较大内应力，顶部混凝土拉应力超过抗拉应力，出现较大裂缝，对桥梁危害性较大。
4 裂缝防治及措施
4.1 设计中普通钢筋的合理配置
设计人员在结构计算之后详细检查细节设计，特别是力筋和钢筋布置必须符合合理的保护层和间距数值的要求，不要试图减薄腹板和板的厚度来节省材料。
4.2 薄厚构件的连接设计
薄厚构件连接处设计时要尽可能使两构件厚度一致，同时还要合理配置连结钢筋，施工时尽量不要采用两次浇筑。
4.3 控制梁根部变形
超静定结构墩台基础底地基易产生不均匀下沉，如地质状况不好或不易改造，则应选用其他静定结构。梁底支架不可过早拆除造成梁的挠度变形过大，多孔桥应同时对称落架。
4.4 合理进行混凝土配合比设计
在混凝土配合比设计中，不要为了提高保证率而过多地增加水泥用量，在满足混凝土坍落度要求的前提下，尽量采取可靠的减水剂，合理调整配合比，降低水泥与水的用量，以减少混凝土的凝结收缩量。
4.5 严格控制原材料
按照质量要求，严格进行选料，对不符合要求的砂、石料和水泥不许进场，对含泥量较大的骨料要用水冲洗，严禁使用过期和不同标号水泥，尽量采用发热量及收缩量较小的水泥。
4.6 选择好的天气浇筑混凝土并应连续进行
注意天气预报，尽量选择较好的天气浇筑空心板，尽量避开下雨和温差较大的天气浇筑。在夏天浇筑混凝土不宜在白天进行，在冬季宜在温度较高的时间浇筑混凝土，并要采取冬季施工措施。严禁在浇筑空心板过程中间断施工，底板混凝土振平以后，应立即放内模并浇筑第二层混凝土，尽量缩短施工缝处上下两部分混凝土的施工时间差，确保混凝土浇筑的连续性。
4.7 适时收浆二次抹平
混凝土在初凝前往往会出现裂缝，这时应及时收浆二次抹平，这样处理一是增加了混凝土表面的密度，二是使混凝土表面产生的裂缝愈合，这是消除早期裂缝最有效的措施。
4.8 严格检查胶囊漏气，防止胶囊上浮
对使用的胶囊要经常打压检查，发现漏气者应及时修补。定位下料要准确，生根要牢固，一般因定在
钢绞线上为好，防止胶囊上浮，出现顶板厚度小，最终引起早期裂缝。
4.9 加强混凝土养生
混凝土浇筑完毕，及时盖草或塑料膜，并经常洒水使之保持湿润。气温低于10℃，要加保温材料，进入冬季应采用蒸气养生。在早期养生时不要碰预留胶缝筋，更不要在上行走。
4.10 严格控制拆模时间
抽内模的时间要根据现场混凝土强度而定，最好通过试块来确定，严禁过早拆除内模、侧模，要待混凝土达到一定强度后，方可拆除。
4.11 裂缝的维修、加固措施
a)早期裂缝一般不必处理，但裂缝宽度较大和深度较深时，应做些处理，对较严重的裂缝可以凿成三角槽，用环氧树脂砂浆修补；
b)裂缝严重时可在裂缝内注入环氧树脂浆液加固；
c)用环氧树脂砂浆黏结钢板于裂缝处加固或先在裂缝内注入环氧树脂浆液再用环氧树脂黏结钢板，二者结合起来效果更好。混凝土与钢板一起共同受力，从而防止裂缝产生并增加承载力。向裂缝注入树脂，可加强防水性，防止混凝土老化，以及防止内部钢筋或预应力钢筋锈蚀而减少使用寿命；
d）出现裂缝的板梁，最好集中在一孔上安装，桥面铺装混凝土做成防水混凝土，桥面钢筋适当增加，这样会补救裂缝对板梁的影响。