淺談混凝土橋梁裂縫
2010-09-02
混凝土因其取材廣泛、價格低廉、抗壓強度高、可澆注成各種形狀，并且耐火性好、不易風化、養(yǎng)護費用低，成為當今世界橋梁結構中使用最廣泛的建筑材料。近年來，我國交通基礎建設得到迅猛發(fā)展，各地興建了大量的混凝土橋梁。但混凝土橋梁的開裂可以說是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”，經常困擾著橋梁工程技術人員。其實，如果在設計和施工中采取一定的措施，很多裂縫是可以克服和控制的。為了加強對混凝土橋梁裂縫的認識，盡量避免工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫，本文淺談了混凝土橋梁裂縫的種類、產生原因及預防處理措施。
1、混凝土橋梁裂縫的分類及產生原因
工程實踐和理論分析表明，幾乎所有的混凝土橋梁均是帶縫工作的，只是有些裂縫很細，甚至肉眼看不見(<0．05mm)，一般對混凝土橋梁的危害很小，可以不處理；有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下不斷產生和擴展，引起混凝土碳化、保護層剝落、鋼筋腐蝕，使混凝土的強度和剛度受到削弱，耐久性降低，嚴重時甚至發(fā)生混凝土橋梁坍塌事故，危害混凝土橋梁的正常使用，必須嚴格控制此類裂縫的產生和擴展。
造成混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫的原因比較復雜，主要受材料、施工、使用環(huán)境及結構設計等因素的影響。裂縫種類繁多，不同的裂縫對橋梁的危害各有輕重?；炷翗蛄毫芽p的分類，按時間分早期裂縫和后期裂縫；按成因分收縮裂縫、溫差裂縫及安定性裂縫；按空間尺度分表面裂縫和深層裂縫；按危害分表面裂縫和貫穿裂縫；按產生原因分物理類裂縫和化學類裂縫，而物理類裂縫是最常見而且最難預防和控制的。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鍵。
1．1 物理類裂縫
物理類裂縫是因為溫度梯度、收縮、變形、約束等各種因素，導致混凝土內部或表面產生應力和應力變化，同時與混凝土增長中的強度之間不相適應而產生和發(fā)育的。
1．1．1荷載裂縫
荷載裂縫是混凝土橋梁在靜、動荷載及次應力作用下產生的裂縫，主要分直接應力裂縫和次應力裂縫。直接應力裂縫是指混凝土橋梁在外荷載引起的直接應力產生的裂縫；次應力裂縫是指混凝土橋梁由外荷載引起的次生應力產生的裂縫。在工程實踐中，由荷載引起的裂縫占總混凝土橋梁裂縫的20％左右。荷載裂縫產生的原因主要有：在設計計算階段，計算模型不合理；設計斷面不足；結構計算時部分荷載漏算；構造處理不當，鋼筋設置偏少或布置錯誤；設計圖紙交代不清等。在施工階段，不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預制結構結構受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序，改變結構受力模式；不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。在橋梁使用階段，超出設計載荷的重型車輛頻繁過橋；受船舶撞擊等。
次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質，僅是按常規(guī)一般不計算，但目前次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。在設計上，應注意避免結構突變(或斷面突變)，當不能回避時，應做局部處理，如轉角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時加強構造配筋，轉角處增配斜向鋼筋，對于較大孑L洞有條件時可在周邊設置護邊角鋼。
混凝土橋梁的荷載裂縫特征依荷載不同而呈現(xiàn)不同特點，其分布規(guī)律是沿主拉應力方向開展，其走向與主拉應力方向垂直。荷載裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動嚴重部位。如受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，即表明混凝土橋梁達到承載力極限，其原因多是截面尺寸偏小。根據(jù)混凝土橋梁結構的不同受力方式，產生的裂縫特征主要有中心受拉、中心受壓、受彎、大偏心受壓、小偏心受壓、受剪、受扭、受沖切和局部受壓。
1．1．2 溫度裂縫
混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環(huán)境或內部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結構內產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨徑混凝土橋梁中，溫度應力可以達到甚至超出荷載應力。溫度裂縫區(qū)別于其他裂縫最主要的特征是隨溫度變化而擴張或合攏。因此研究引起混凝土橋梁溫度變化的因素，對減少溫度裂縫至關重要。引起混凝土橋梁溫度變化的主要因素有：年溫差、日照、驟然降溫、水化熱、蒸汽養(yǎng)護或冬季施工措施不當?shù)?。其中日照和驟然降溫是導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，是控制溫度裂縫產生的關鍵。
1．1．3 收縮裂縫
在混凝土橋梁工程中，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?；炷潦湛s裂縫的特點是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。
塑性收縮發(fā)生在施工過程中、混凝土澆注后4～ 5h左右，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，此時混凝土尚未硬化。塑性收縮所產生量級可達1％左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹?，因硬化前沉實不均勻將發(fā)生表面的順腹板方向裂縫?？s水收縮?；炷两Y硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮。因混凝土表層水分損失快，內部損失慢，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產生收縮裂縫?；炷劣不笫湛s主要是縮水收縮。自生收縮。自生收縮是混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反應，這種收縮與外界濕度無關，且可以是正的(即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土)，也可以是負的(即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。炭化收縮。大氣中的CO 與水泥的水化物發(fā)生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50％ 左右才能發(fā)生，且隨C0 濃度的增加而加快。
研究表明，影響混凝土橋梁收縮裂縫的主要因素有：
(1)水泥品種、標號及用量。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。另外水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時間越長。
(2)骨料品種。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。
(3)水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。
(4)外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。
(5)養(yǎng)護方法。良好的養(yǎng)護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土強度。養(yǎng)護時保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸汽養(yǎng)護方式比自然養(yǎng)護方式的混凝土收縮要小。
(6)外界環(huán)境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。
(7)振搗方式及時間。機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。
1．1．4 地基變形裂縫
由于地基不均勻沉降或水平方向位移，使混凝土橋梁結構中產生附加應力，超出混凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂。地基不均勻沉降的主要原因有：
(1)地質勘察精度不夠、試驗資料不準。
(2)地基地質差異太大。
(3)結構荷載差異太大。
(4)結構基礎類型差別大。
(5)分期建造的基礎。
(6)地基凍脹。
(7)橋梁基礎置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質。
(8)橋梁建成以后，原有地基條件變化。對于拱橋等產生水平推力的結構物，對地質情況掌握不夠、設計不合理和施工時破壞了原有地質條件是產生水平位移裂縫的主要原因。
1．1．5 鋼筋銹蝕裂縫
由于混凝土質量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受cO：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，混凝土中鋼筋的銹蝕主要是電化學過程。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生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產生裂縫。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，結構承載力下降，并將誘發(fā)其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導致結構破壞。
1．1．6 凍脹裂縫
大氣氣溫低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水因結冰使其體積增大9％ ，使混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水(結冰溫度≤ 一78cc)在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，導致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重，成齡后混凝土強度損失可達30％ ～50％ 。冬季施工時對預應力孔道灌漿后若不采取保溫措施，也可能發(fā)生混凝土沿管道方向的凍脹裂縫。
1．1．7 施工裂縫
在混凝土橋梁結構澆注、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產生表面的、深進的和貫穿的各種裂縫，特別是細長薄壁結構更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異，比較典型的有：
(1)混凝土保護層過厚，或亂踩已綁扎的上層鋼筋，使承受負彎矩的受力筋保護層加厚，導致構件的有效高度減小，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。
(2)混凝土振搗不密實、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞，導致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫。
(3)混凝土澆注過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土沉實不足，硬化后沉實過大，容易在澆注數(shù)小時后發(fā)生裂縫，即塑性收縮裂縫。
(4)混凝土攪拌、運輸時間過長，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。
(5)混凝土初期養(yǎng)護時急劇干燥，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。
(6)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，或因其它原因加大了水灰比，導致混凝土凝結硬化時收縮量增加，使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。
(7)混凝土分層或分段澆注時，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。
(8)混凝土早期受凍，使構件表面出現(xiàn)裂紋，或局部剝落，或脫模后出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。
(9)施工時模板剛度不足，在澆注混凝土時，由于側向壓力的作用使得模板變形，產生與模板變形一致的裂縫。
(10)施工時拆模過早，混凝土強度不足，使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。
(1 1)施工前對支架壓實不足或支架剛度不足，澆注混凝土后支架不均勻下沉，導致混凝土出現(xiàn)裂縫。
(12)裝配式結構，在構件運輸、堆放時，支承墊木不在一條垂直線上，或懸臂過長，或運輸過程中劇烈顛撞；吊裝時吊點位置不當，T梁等側向剛度較小的構件，側向無可靠的加固措施等，均可能產生裂縫。
(13)安裝順序不正確，對產生的后果認識不足，導致產生裂縫。
1．2 化學類裂縫
化學類裂縫主要包括因水泥安定性及堿骨料等化學反應產生，這類裂縫比較容易預防。配制混凝土采用質量合格的水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑等施工材料。在工程實踐中必須對骨料進行堿活性檢驗，采用對工程無害的材料，同時使用含堿量合格的水泥品種。
2 混凝土橋梁裂縫的預防措施
綜上所述，混凝土橋梁產生裂縫的主要原因是溫度、收縮及抗拉，在施工過程中可以通過以下措施控制混凝土橋梁裂縫的產生。
2．1 混凝土施工的質量保證措施
(1)選擇合適的水泥和嚴格控制好水泥用量優(yōu)先采用525R、425R普通水泥等高標號水泥，減少水泥用量；選用低熱水泥，減少水化熱，并盡量選用后期強度大的水泥。在滿足設計和混凝土可泵性的前提下，將425R水泥用量控制在45Okg／m’，525R水泥用量控制在36Okg／m 以內，降低混凝土自身產生的拉應力。
(2)嚴格控制骨料級配和含泥量
選用1O～40mm的連續(xù)級配碎石(其中l(wèi)0—3Omm的級配含量控制在65％ 左右)，細度模數(shù)為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％以內，不得混合有機質等雜物，杜絕使用海砂。
(3)選擇適當?shù)耐饧觿┖秃线m的配合比
為保證混凝土工程質量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，可以根據(jù)設計要求，在混凝土中摻加一定用量的外加劑，如防水劑、膨脹劑、減水劑、緩凝劑等。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們在工程實踐中應多進行試驗對比和研究，選擇好合適的外加劑比單純依靠改善外部條件，可能會更加簡捷、經濟。
(4)改進施工技術，加強技術管理施工時加強振搗、抹壓、養(yǎng)護，同時加強初凝前的抹壓，可以消除初期裂縫，并可提高混凝土的抗拉強度；在施工前應加強原材料的檢驗、試驗工作，施工中嚴格按照方案及交底的要求指導施工，明確分工，責任到人，加強計量監(jiān)測工作，定時檢查并做好詳細記錄，認真對待澆注過程中可能出現(xiàn)的冷縫，并采取措施加以杜絕，在實施的過程中，必須嚴格根據(jù)施工方案落實到位。
2．2 混凝土施工的溫度控制措施
為了防止裂縫，減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手?？刂茰囟葢Φ拇胧┯幸韵聨追N：
(1)拌和混凝土時用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆注溫度；
(2)夏天澆注混凝土時減少澆注厚度，利用澆注層面散熱；
(3)在混凝土中埋設水管，通入冷水進行內部降溫；
(4)嚴格控制混凝土的入模溫度；
(5)控制好拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫，避免混凝土表面產生急劇的溫度梯度。
2．3 加強混凝土的早期養(yǎng)護
混凝土的早期養(yǎng)護，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達到兩個方面的效果，一方面使混凝土免受不利溫度、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮，另一方面使水泥水化作用順利進行，以期達到設計的強度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關聯(lián)的，混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。從理論上分析，新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求并且有余，但由于蒸發(fā)等原因常常會引起水分損失，從而推遲或妨礙水泥的水化，其中表面混凝土是最容易而且最直接的遭受到這種不利影響，因此混凝土澆注后的最初幾天是養(yǎng)護的關鍵時期，對于混凝土的早期養(yǎng)護在施工中應切實引起重視。
3 混凝土橋梁裂縫的修補措施
如果混凝土橋梁結構已經產生了裂縫，橋梁結構會出現(xiàn)滲水、鋼筋銹蝕、混凝土剝離等現(xiàn)象，嚴重影響混凝土的耐久性和適用性。由于橋梁直接受到車輪荷載的影響，一旦開裂容易迅速惡化。因此對混凝土橋梁出現(xiàn)的裂縫，更應盡早發(fā)現(xiàn)，盡量提前進行適當?shù)男扪a處理。
3．1 表面處理法
表面處理法包括表面涂抹、表面貼補法和表面鑿槽嵌補法。
(1)表面涂抹即是在混凝土橋梁裂縫的附近混凝土表面涂抹水泥砂漿或者環(huán)氧膠泥。它適用范圍是漿材難以灌入的細而淺的裂縫、深度未達到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫、不漏水的裂縫、不伸縮的裂縫以及不再活動的裂縫。
(2)表面貼補(土工膜、玻璃布或其它防水片)法適用于混凝土橋梁裂縫的大面積漏水(蜂窩麻面等或不易確定具體漏水位置、變形縫)的防滲堵漏。
(3)表面鑿槽嵌補法是沿混凝土橋梁裂縫鑿一條深槽，槽內嵌水泥砂漿或環(huán)氧膠泥、聚氯乙烯膠泥、瀝青油膏等，表面作砂漿保護層。槽內混凝土面應修理平整并清洗干凈，不平處用水泥砂漿填補，施工時要保持槽內干燥。
3．2 填充法
填充法是用修補材料直接填充裂縫，一般用來修補較寬的裂縫(0．3mm)，作業(yè)簡單，費用低。寬度小于0．3mm、深度較淺的裂縫以及小規(guī)模裂縫的簡易處理可采用開V型槽，然后作填充處理。
3．3 灌漿法
灌漿法應用范圍廣，從細微裂縫到大裂縫均可適用，處理效果好。灌漿法有水泥灌漿和化學灌漿。適用于各種情況下的裂縫修補及堵漏、防滲處理。灌漿材料應根據(jù)裂縫性質、裂縫寬度和干燥情況選用。
3．4 結構補強法
因超荷載產生的裂縫、裂縫長時間不處理導致的混凝土耐久性降低、火災造成裂縫等影響結構強度可采取結構補強法、錨固補強法、預應力法等。
3．5 混凝土裂縫處理效果的檢查
混凝土裂縫處理效果的檢查包括修補材料試驗；鉆芯取樣試驗；壓水試驗；壓氣試驗等。
總之，混凝土裂縫是混凝土構件中普遍存在的現(xiàn)象，由于裂縫產生的原因不同，裂縫的大小及裂縫所處的位置不同，裂縫對構件產生的危害大小也不一樣，在具體的工程實踐中要采取相應的修補處理措施，使混凝土橋梁工程做到既經濟又實用。
4 結語
造成混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫的原因是多種多樣、非常復雜的，當橋梁發(fā)生開裂現(xiàn)象后，應從設計、施工及其使用狀況等各方面進行細致地調查測試及詳盡地分析，找出開裂的主要原因，分析裂縫的性質及其對結構的危害性，判斷其需要修補或加固的緊迫性，最后采取合理、有效、經濟的修補加固措施，使混凝土橋梁損傷尚在輕微時期就能得到修補，保證其正常地使用。因此，嚴格按照國家有關規(guī)范、技術標準進行設計、施工和監(jiān)理，是保證結構安全耐用的前提和基礎。在運營管理過程中，進一步加強巡查和管理，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，也是相當重要的一個環(huán)節(jié)。
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