混凝土橋梁裂縫的成因及預(yù)防處理措施

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和國家交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的日益擴(kuò)大，各地興建了大量的橋梁?；炷烈蚱淙〔膹V泛、價格低廉、抗壓強(qiáng)度高、可澆筑成各種形狀并且耐火性好、不易風(fēng)化、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低，成為當(dāng)今世界橋梁結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的建筑材料。但混凝土的主要缺點(diǎn)是抗拉能力差，容易開裂?；炷翗蛄旱拈_裂可以說是多發(fā)病，經(jīng)常困擾著橋梁工程技術(shù)人員。

1 混凝土橋梁裂縫的成因

造成混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫的原因比較復(fù)雜，同時受材料、施工、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)設(shè)計等一種或多種因素的影響。裂縫種類繁多，不同的裂縫對橋梁的危害各有輕重。正確地分析裂縫出現(xiàn)的原因，是克服和控制裂縫、保證橋梁正常使用的關(guān)鍵。以下根據(jù)其成因，分析混凝土橋梁裂縫的幾種主要分類。

1.1 載荷裂縫

主要分直接應(yīng)力裂縫和次應(yīng)力裂縫。直接應(yīng)力裂縫是指混凝土橋梁在外載荷引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，次應(yīng)力裂縫是指混凝土橋梁由外載荷引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。

1.1.1 直接應(yīng)力裂縫產(chǎn)生的原因

1）設(shè)計計算階段。結(jié)構(gòu)未計算或漏算；結(jié)構(gòu)計算模式和實(shí)際受力不符；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠；設(shè)計未考慮施工的可能性；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯誤；構(gòu)造設(shè)計不合理或結(jié)構(gòu)剛度不足等。

2）施工階段。隨意翻轉(zhuǎn)、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序；未對結(jié)構(gòu)做施工機(jī)具振動等條件下疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算。

3）使用階段。超過設(shè)計載荷的重型車輛通行；受車輛、接觸及撞擊；發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等災(zāi)害。

1.1.2 次應(yīng)力裂縫產(chǎn)生的原因

在設(shè)計載荷作用下，由于結(jié)構(gòu)物的設(shè)計工作狀態(tài)同常規(guī)計算有出入或未考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

1.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其他裂縫最主要因素是裂縫將隨溫度變化而擴(kuò)張或合龍。

引起溫度變化主要因素包括年溫差、日照、驟然降溫、水化，蒸氣養(yǎng)護(hù)或冬季施工措施不當(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均。試驗(yàn)研究表明高溫下的混凝土強(qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力隨之下降。其中日照和驟然降溫是導(dǎo)致混凝土橋梁溫度裂縫的最常見原因，尤其對大體積混凝土橋梁施工中的溫度監(jiān)控，是控制溫度裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵。

1.3 基礎(chǔ)變形引起的裂縫

由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂?；A(chǔ)不均勻沉降的主要原因：

1）地質(zhì)勘查精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)；

2）地基地質(zhì)差異太大；

3）結(jié)構(gòu)載荷差異太大；

4）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別太大；

5）地基凍脹；

6）橋梁基礎(chǔ)基于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時，可能造成不均勻沉降；

7）橋梁建成以后，原有地基條件變化。

1.4 收縮裂縫

在混凝土橋梁實(shí)際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。研究表明，影響混凝土收縮裂縫的主要因素有水泥品種、強(qiáng)度等級及用量；骨料品種；水灰比；外摻劑；養(yǎng)護(hù)方法；外界環(huán)境；振搗方式及時間。

具體來說，礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥強(qiáng)度越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大且發(fā)生收縮時間越長。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮大。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。養(yǎng)護(hù)時保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護(hù)時間越長，則混凝土收縮越小。蒸氣養(yǎng)護(hù)方式比自然養(yǎng)護(hù)方式的混凝土收縮要小。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風(fēng)速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。機(jī)械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。

混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細(xì)且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。

1.5 凍脹裂縫

大氣氣溫低于0℃時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強(qiáng)度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴(yán)重，成齡后混凝土強(qiáng)度損失可達(dá)30%～50%。冬季施工時對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。

1.6 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足，混凝土保護(hù)層受CO2侵蝕炭化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，混凝土中鋼筋的銹蝕主要是電化學(xué)過程。其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2～4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫。由于銹蝕，使得鋼筋有效斷面面積減小，鋼筋與混凝土握裹力削弱，結(jié)構(gòu)承載力下降并將誘發(fā)其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

1.7 施工裂縫

施工材料質(zhì)量引起的裂縫。混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

施工工藝質(zhì)量引起的裂縫。在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生縱向的、橫向等各種裂縫，特別是細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)裂縫。

裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生原因而異，比較典型且常見的如下幾種。

1）凝土振搗不密實(shí)、不均勻、出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或形成其他載荷裂縫的起源點(diǎn)；混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低在硬化前因混凝土振搗不足，硬化后沉實(shí)過大，容易在澆筑數(shù)小時后發(fā)生裂縫，即縮性收縮裂縫。

2）用泵送混凝土施工時，為保證混凝土的流動性，增加水和水泥用量或因其他原因加大了水灰比，導(dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化時收縮量增加，混凝土表面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫?；炷练謱踊蚍侄螡仓r，接頭部位處理不好，易在新、舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。

3）施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土?xí)r產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫；施工時拆模過早，混凝土強(qiáng)度不足，使得構(gòu)件在自重或施工載荷作用下產(chǎn)生裂縫；施工前對支架基礎(chǔ)壓實(shí)不足或支架剛度不夠，澆筑混凝土后支架不均勻下沉，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。

4）鋼筋混凝土保護(hù)層過厚或亂踩綁扎的上層鋼筋，使承受負(fù)彎矩的鋼筋保護(hù)層加厚，導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減少，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。

5）混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土沉實(shí)不足，硬化后沉實(shí)過大，容易在澆注數(shù)小時后發(fā)生裂縫，即塑性收縮裂縫。

6）混凝土攪拌、運(yùn)輸時間過長，使水分蒸發(fā)過多，引起混凝土坍落度過低，使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。

7）混凝土初期養(yǎng)護(hù)時急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。

8）施工時拆模過早，混凝土強(qiáng)度不足，使得構(gòu)件在自重或施工載荷作用下產(chǎn)生裂縫。

9）裝配式結(jié)構(gòu)，在構(gòu)件運(yùn)輸、堆放時，支撐墊木不在一條垂直線上，或懸臂過長，或運(yùn)輸過程中劇烈顛撞，吊裝時吊點(diǎn)位置不當(dāng)而引起結(jié)構(gòu)裂縫。安裝順序不正確，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫等。

2 混凝土橋梁裂縫的預(yù)防及處理措施

如何采用合理方法進(jìn)行預(yù)防，以控制混凝土橋梁裂縫的產(chǎn)生及提高耐久性，滿足設(shè)計和使用要求，這是混凝土橋梁工程中的關(guān)鍵性問題之一。在實(shí)際工程中，可以通過以下措施來預(yù)防和控制混凝土橋梁裂縫的產(chǎn)生。

在施工前應(yīng)加強(qiáng)原材料的檢驗(yàn)、試驗(yàn)工作，選擇合適的水泥，嚴(yán)格控制好水泥用量、骨料級配、含泥量等，選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿┖秃线m的配合比。

施工時應(yīng)控制混凝土的水灰比，加強(qiáng)振搗、抹壓、養(yǎng)護(hù)，保證混凝土的密實(shí)性，防止氧氣侵入，同時加強(qiáng)初凝前的抹壓，可以消除初期裂縫并可提高混凝土的抗拉強(qiáng)度；同時嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區(qū)或其他存在腐蝕性強(qiáng)的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重；要防止鋼筋銹蝕，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護(hù)層厚度；施工中嚴(yán)格按照方案及交底的要求指導(dǎo)施工，明確分工，責(zé)任到人，加強(qiáng)計量監(jiān)測工作，定時檢查并做好詳細(xì)記錄，認(rèn)真對待澆鑄過程中可能出現(xiàn)的冷縫，并采取措施加以杜絕，在實(shí)施的過程中，必須嚴(yán)格根據(jù)施工方案落實(shí)到位。

采取以下幾方面措施控制溫度，減輕溫度應(yīng)力的影響：

1）拌和混凝土?xí)r用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆注溫度；

2）夏天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；

3）在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水進(jìn)行內(nèi)部降溫；

4）嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度；

5）控制好拆模時間，氣溫驟降時進(jìn)行表面保溫，避免混凝土表面產(chǎn)生急劇的溫度梯度。

如果混凝土橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了裂縫，橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)滲水、鋼筋銹蝕、混凝土剝離等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性和適用性。由于橋梁直接受到車輪載荷的影響，一旦開裂容易迅速惡化。因此對混凝土橋梁出現(xiàn)的裂縫，更應(yīng)盡早發(fā)現(xiàn)，盡量提前進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)處理。主要可通過表面處理法和填充法、灌漿法、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法、錨固補(bǔ)強(qiáng)法、預(yù)應(yīng)力法等方法來解決處理。

3 結(jié)語

混凝土裂縫在實(shí)際橋梁工程中造成的影響很大，如何預(yù)防和處理混凝土橋梁裂縫一直是困擾橋梁建設(shè)者的一大問題。一座橋梁從建成到使用，涉及設(shè)計、施工、監(jiān)理、運(yùn)營管理等各方面，任一方面管理不慎都可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。由上述可知，設(shè)計疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力，均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。因此，嚴(yán)格按照國家有關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、施工和監(jiān)理，是保證結(jié)構(gòu)安全耐用的前提和基礎(chǔ)。在運(yùn)營管理過程中，進(jìn)一步加強(qiáng)巡查和管理，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，也是相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。