浅谈混凝土桥梁裂缝
2010-09-02
混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇注成各种形状，并且耐火性好、不易风化、养护费用低，成为当今世界桥梁结构中使用最广泛的建筑材料。近年来，我国交通基础建设得到迅猛发展，各地兴建了大量的混凝土桥梁。但混凝土桥梁的开裂可以说是“常发病”和“多发病”，经常困扰着桥梁工程技术人员。其实，如果在设计和施工中采取一定的措施，很多裂缝是可以克服和控制的。为了加强对混凝土桥梁裂缝的认识，尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本文浅谈了混凝土桥梁裂缝的种类、产生原因及预防处理措施。
1、混凝土桥梁裂缝的分类及产生原因
工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土桥梁均是带缝工作的，只是有些裂缝很细，甚至肉眼看不见(<0．05mm)，一般对混凝土桥梁的危害很小，可以不处理；有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下不断产生和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生混凝土桥梁坍塌事故，危害混凝土桥梁的正常使用，必须严格控制此类裂缝的产生和扩展。
造成混凝土桥梁出现裂缝的原因比较复杂，主要受材料、施工、使用环境及结构设计等因素的影响。裂缝种类繁多，不同的裂缝对桥梁的危害各有轻重。混凝土桥梁裂缝的分类，按时间分早期裂缝和后期裂缝；按成因分收缩裂缝、温差裂缝及安定性裂缝；按空间尺度分表面裂缝和深层裂缝；按危害分表面裂缝和贯穿裂缝；按产生原因分物理类裂缝和化学类裂缝，而物理类裂缝是最常见而且最难预防和控制的。正确地分析裂缝出现的原因，是克服和控制裂缝、保证桥梁正常使用的关键。
1．1 物理类裂缝
物理类裂缝是因为温度梯度、收缩、变形、约束等各种因素，导致混凝土内部或表面产生应力和应力变化，同时与混凝土增长中的强度之间不相适应而产生和发育的。
1．1．1荷载裂缝
荷载裂缝是混凝土桥梁在静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝，主要分直接应力裂缝和次应力裂缝。直接应力裂缝是指混凝土桥梁在外荷载引起的直接应力产生的裂缝；次应力裂缝是指混凝土桥梁由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。在工程实践中，由荷载引起的裂缝占总混凝土桥梁裂缝的20％左右。荷载裂缝产生的原因主要有：在设计计算阶段，计算模型不合理；设计断面不足；结构计算时部分荷载漏算；构造处理不当，钢筋设置偏少或布置错误；设计图纸交代不清等。在施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，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。在桥梁使用阶段，超出设计载荷的重型车辆频繁过桥；受船舶撞击等。
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，仅是按常规一般不计算，但目前次应力裂缝也是可以做到合理验算的。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，对于较大孑L洞有条件时可在周边设置护边角钢。
混凝土桥梁的荷载裂缝特征依荷载不同而呈现不同特点，其分布规律是沿主拉应力方向开展，其走向与主拉应力方向垂直。荷载裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。如受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，即表明混凝土桥梁达到承载力极限，其原因多是截面尺寸偏小。根据混凝土桥梁结构的不同受力方式，产生的裂缝特征主要有中心受拉、中心受压、受弯、大偏心受压、小偏心受压、受剪、受扭、受冲切和局部受压。
1．1．2 温度裂缝
混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或内部温度发生变化，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。在某些大跨径混凝土桥梁中，温度应力可以达到甚至超出荷载应力。温度裂缝区别于其他裂缝最主要的特征是随温度变化而扩张或合拢。因此研究引起混凝土桥梁温度变化的因素，对减少温度裂缝至关重要。引起混凝土桥梁温度变化的主要因素有：年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等。其中日照和骤然降温是导致混凝土桥梁温度裂缝的最常见原因。尤其对大体积混凝土桥梁施工中的温度监控，是控制温度裂缝产生的关键。
1．1．3 收缩裂缝
在混凝土桥梁工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。
塑性收缩发生在施工过程中、混凝土浇注后4～ 5h左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，此时混凝土尚未硬化。塑性收缩所产生量级可达1％左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。缩水收缩。混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要是缩水收缩。自生收缩。自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的(即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土)，也可以是负的(即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土)。炭化收缩。大气中的CO 与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度50％ 左右才能发生，且随C0 浓度的增加而加快。
研究表明，影响混凝土桥梁收缩裂缝的主要因素有：
(1)水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高，普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大，且发生收缩时间越长。
(2)骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小，含水量大收缩大。
(3)水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。
(4)外掺剂。外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。
(5)养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长，则混凝土收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式的混凝土收缩要小。
(6)外界环境。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝土收缩越快。
(7)振捣方式及时间。机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。
1．1．4 地基变形裂缝
由于地基不均匀沉降或水平方向位移，使混凝土桥梁结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。地基不均匀沉降的主要原因有：
(1)地质勘察精度不够、试验资料不准。
(2)地基地质差异太大。
(3)结构荷载差异太大。
(4)结构基础类型差别大。
(5)分期建造的基础。
(6)地基冻胀。
(7)桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质。
(8)桥梁建成以后，原有地基条件变化。对于拱桥等产生水平推力的结构物，对地质情况掌握不够、设计不合理和施工时破坏了原有地质条件是产生水平位移裂缝的主要原因。
1．1．5 钢筋锈蚀裂缝
由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受cO：侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，混凝土中钢筋的锈蚀主要是电化学过程。其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2—4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。
1．1．6 冻胀裂缝
大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水因结冰使其体积增大9％ ，使混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度≤ 一78cc)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失可达30％ ～50％ 。冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施，也可能发生混凝土沿管道方向的冻胀裂缝。
1．1．7 施工裂缝
在混凝土桥梁结构浇注、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型的有：
(1)混凝土保护层过厚，或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。
(2)混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝。
(3)混凝土浇注过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇注数小时后发生裂缝，即塑性收缩裂缝。
(4)混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土坍落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。
(5)混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。
(6)用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。
(7)混凝土分层或分段浇注时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。
(8)混凝土早期受冻，使构件表面出现裂纹，或局部剥落，或脱模后出现空鼓现象。
(9)施工时模板刚度不足，在浇注混凝土时，由于侧向压力的作用使得模板变形，产生与模板变形一致的裂缝。
(10)施工时拆模过早，混凝土强度不足，使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。
(1 1)施工前对支架压实不足或支架刚度不足，浇注混凝土后支架不均匀下沉，导致混凝土出现裂缝。
(12)装配式结构，在构件运输、堆放时，支承垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠撞；吊装时吊点位置不当，T梁等侧向刚度较小的构件，侧向无可靠的加固措施等，均可能产生裂缝。
(13)安装顺序不正确，对产生的后果认识不足，导致产生裂缝。
1．2 化学类裂缝
化学类裂缝主要包括因水泥安定性及碱骨料等化学反应产生，这类裂缝比较容易预防。配制混凝土采用质量合格的水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂等施工材料。在工程实践中必须对骨料进行碱活性检验，采用对工程无害的材料，同时使用含碱量合格的水泥品种。
2 混凝土桥梁裂缝的预防措施
综上所述，混凝土桥梁产生裂缝的主要原因是温度、收缩及抗拉，在施工过程中可以通过以下措施控制混凝土桥梁裂缝的产生。
2．1 混凝土施工的质量保证措施
(1)选择合适的水泥和严格控制好水泥用量优先采用525R、425R普通水泥等高标号水泥，减少水泥用量；选用低热水泥，减少水化热，并尽量选用后期强度大的水泥。在满足设计和混凝土可泵性的前提下，将425R水泥用量控制在45Okg／m’，525R水泥用量控制在36Okg／m 以内，降低混凝土自身产生的拉应力。
(2)严格控制骨料级配和含泥量
选用1O～40mm的连续级配碎石(其中l0—3Omm的级配含量控制在65％ 左右)，细度模数为2．8O一3．o0的中砂，砂率控制在40％ ～45％，砂、石的含泥量控制在1％以内，不得混合有机质等杂物，杜绝使用海砂。
(3)选择适当的外加剂和合适的配合比
为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的耐久性，可以根据设计要求，在混凝土中掺加一定用量的外加剂，如防水剂、膨胀剂、减水剂、缓凝剂等。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能，我们在工程实践中应多进行试验对比和研究，选择好合适的外加剂比单纯依靠改善外部条件，可能会更加简捷、经济。
(4)改进施工技术，加强技术管理施工时加强振捣、抹压、养护，同时加强初凝前的抹压，可以消除初期裂缝，并可提高混凝土的抗拉强度；在施工前应加强原材料的检验、试验工作，施工中严格按照方案及交底的要求指导施工，明确分工，责任到人，加强计量监测工作，定时检查并做好详细记录，认真对待浇注过程中可能出现的冷缝，并采取措施加以杜绝，在实施的过程中，必须严格根据施工方案落实到位。
2．2 混凝土施工的温度控制措施
为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度应力的措施有以下几种：
(1)拌和混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇注温度；
(2)夏天浇注混凝土时减少浇注厚度，利用浇注层面散热；
(3)在混凝土中埋设水管，通入冷水进行内部降温；
(4)严格控制混凝土的入模温度；
(5)控制好拆模时间，气温骤降时进行表面保温，避免混凝土表面产生急剧的温度梯度。
2．3 加强混凝土的早期养护
混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使混凝土免受不利温度、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩，另一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿度条件是相互关联的，混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。从理论上分析，新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求并且有余，但由于蒸发等原因常常会引起水分损失，从而推迟或妨碍水泥的水化，其中表面混凝土是最容易而且最直接的遭受到这种不利影响，因此混凝土浇注后的最初几天是养护的关键时期，对于混凝土的早期养护在施工中应切实引起重视。
3 混凝土桥梁裂缝的修补措施
如果混凝土桥梁结构已经产生了裂缝，桥梁结构会出现渗水、钢筋锈蚀、混凝土剥离等现象，严重影响混凝土的耐久性和适用性。由于桥梁直接受到车轮荷载的影响，一旦开裂容易迅速恶化。因此对混凝土桥梁出现的裂缝，更应尽早发现，尽量提前进行适当的修补处理。
3．1 表面处理法
表面处理法包括表面涂抹、表面贴补法和表面凿槽嵌补法。
(1)表面涂抹即是在混凝土桥梁裂缝的附近混凝土表面涂抹水泥砂浆或者环氧胶泥。它适用范围是浆材难以灌入的细而浅的裂缝、深度未达到钢筋表面的发丝裂缝、不漏水的裂缝、不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝。
(2)表面贴补(土工膜、玻璃布或其它防水片)法适用于混凝土桥梁裂缝的大面积漏水(蜂窝麻面等或不易确定具体漏水位置、变形缝)的防渗堵漏。
(3)表面凿槽嵌补法是沿混凝土桥梁裂缝凿一条深槽，槽内嵌水泥砂浆或环氧胶泥、聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等，表面作砂浆保护层。槽内混凝土面应修理平整并清洗干净，不平处用水泥砂浆填补，施工时要保持槽内干燥。
3．2 填充法
填充法是用修补材料直接填充裂缝，一般用来修补较宽的裂缝(0．3mm)，作业简单，费用低。宽度小于0．3mm、深度较浅的裂缝以及小规模裂缝的简易处理可采用开V型槽，然后作填充处理。
3．3 灌浆法
灌浆法应用范围广，从细微裂缝到大裂缝均可适用，处理效果好。灌浆法有水泥灌浆和化学灌浆。适用于各种情况下的裂缝修补及堵漏、防渗处理。灌浆材料应根据裂缝性质、裂缝宽度和干燥情况选用。
3．4 结构补强法
因超荷载产生的裂缝、裂缝长时间不处理导致的混凝土耐久性降低、火灾造成裂缝等影响结构强度可采取结构补强法、锚固补强法、预应力法等。
3．5 混凝土裂缝处理效果的检查
混凝土裂缝处理效果的检查包括修补材料试验；钻芯取样试验；压水试验；压气试验等。
总之，混凝土裂缝是混凝土构件中普遍存在的现象，由于裂缝产生的原因不同，裂缝的大小及裂缝所处的位置不同，裂缝对构件产生的危害大小也不一样，在具体的工程实践中要采取相应的修补处理措施，使混凝土桥梁工程做到既经济又实用。
4 结语
造成混凝土桥梁出现裂缝的原因是多种多样、非常复杂的，当桥梁发生开裂现象后，应从设计、施工及其使用状况等各方面进行细致地调查测试及详尽地分析，找出开裂的主要原因，分析裂缝的性质及其对结构的危害性，判断其需要修补或加固的紧迫性，最后采取合理、有效、经济的修补加固措施，使混凝土桥梁损伤尚在轻微时期就能得到修补，保证其正常地使用。因此，严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理，是保证结构安全耐用的前提和基础。在运营管理过程中，进一步加强巡查和管理，及时发现和处理问题，也是相当重要的一个环节。
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