橋梁混凝土裂縫的成因、預(yù)防及處理方法

吳 堅(jiān)，趙 艷

(中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072 )

1 前 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到迅猛發(fā)展，各地興建了大量的混凝土橋梁。在橋梁建造和使用過(guò)程中，因出現(xiàn)裂縫而影響工程質(zhì)量甚至導(dǎo)致橋梁垮塌的報(bào)道屢見(jiàn)不鮮?；炷灵_(kāi)裂可以說(shuō)是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”，經(jīng)常困擾著橋梁工程技術(shù)人員。其實(shí)，如果采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和施工措施，很多裂縫是可以克服和控制的。

2 裂縫的種類和成因

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，各因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的原因?；炷翗蛄毫芽p的原因，大致可分以下7種：

2.1 荷載引起的裂縫

混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫稱為荷載裂縫，歸納起來(lái)主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。

2.1.1 直接應(yīng)力裂縫

是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生的原因主要有：

(1)計(jì)算設(shè)計(jì)階段。不計(jì)算或漏算部分荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；計(jì)算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符；內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段未考慮施工的可能性；設(shè)計(jì)斷面不足；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤；結(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)造處理不當(dāng)；設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。

(2)施工階段。不適當(dāng)?shù)囟逊攀┕C(jī)具、材料。在施工過(guò)程中有些施工單位在梁板起吊時(shí)在梁板的頂板上堆放施工用的鋼筋等材料,借助梁板的頂板來(lái)運(yùn)輸鋼筋等材料,同時(shí)在施工過(guò)程中,由于受預(yù)制場(chǎng)地限制,在預(yù)制好的梁板上堆放鋼筋籠等;不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝；不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序或結(jié)構(gòu)受力模式；未對(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。

(3)使用階段。超出設(shè)計(jì)載荷的重型車(chē)輛過(guò)橋；受車(chē)輛、船舶的撞擊；發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。

2.1.2 次應(yīng)力裂縫

是指由外荷載引起的次生應(yīng)力所產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：

(1)在設(shè)計(jì)外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算不考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。例如兩鉸拱橋的拱腳設(shè)計(jì)時(shí)常布置“X”形鋼筋、同時(shí)削減該處斷面尺寸。理論計(jì)算該處不存在彎矩，但實(shí)際該鉸仍需抗彎，以致出現(xiàn)裂縫。

(2)橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開(kāi)洞、設(shè)置牛腿等，在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，“力流”將產(chǎn)生“繞射”現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在長(zhǎng)跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中，經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截?cái)噤撌O(shè)置錨頭。而在錨固斷面附近經(jīng)?？梢钥吹搅芽p。因此，若處理不當(dāng)，在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或構(gòu)件形狀突變處、受力鋼筋截?cái)嗵幦菀壮霈F(xiàn)裂縫。

實(shí)際工程中，次應(yīng)力裂縫是荷載裂縫中最常見(jiàn)的一種。次應(yīng)力裂縫多與張拉、劈裂、剪切有關(guān)。次應(yīng)力裂縫也是由荷載引起，按常規(guī)一般不計(jì)算。但隨著現(xiàn)代計(jì)算手段的不斷完善，對(duì)次應(yīng)力裂縫也是可以做到合理驗(yàn)算的。例如現(xiàn)在對(duì)預(yù)應(yīng)力、徐變等產(chǎn)生的二次應(yīng)力，不少平面桿系有限元程序均可正確計(jì)算，但在以前卻比較困難。

2.2 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)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí)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(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫的特征主要表現(xiàn)為表面裂縫的走向一般無(wú)規(guī)律性,深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行,裂縫寬度大小不一,受溫度變化的影響熱窄冷寬。表面溫度裂縫出現(xiàn)在現(xiàn)澆混凝土1～2d之間,深層溫度裂縫與貫穿溫度裂縫常出現(xiàn)在澆筑混凝土21d后。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(kuò)張或合攏。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。

2.3 收縮引起的裂縫

在實(shí)際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見(jiàn)的。在混凝土收縮種類中，塑性收縮和失水收縮(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。

(1)塑性收縮。發(fā)生在混凝土澆筑后4～5h左右。此時(shí)水泥水化反應(yīng)劇烈，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(shí)，骨料因自重下沉。因此時(shí)混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮量級(jí)很大，可達(dá)1%左右。骨料在下沉過(guò)程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構(gòu)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?shí)不均勻?qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮，施工時(shí)應(yīng)控制水灰比，避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的振搗；下料不宜太快，振搗要適當(dāng)，豎向變截面處宜分層澆筑。

(2)失水收縮(干縮)?；炷两Y(jié)硬以后，隨著水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為干縮。因混凝土表層水分損失快、內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮。表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)拉力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生裂縫?；炷劣不蟮氖湛s主要就是干縮。配筋率較大的構(gòu)件(超過(guò)3%)，鋼筋對(duì)混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。

(3)自生收縮。自生收縮是混凝土在硬化過(guò)程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)。這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān)，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(fù)的(即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。

(4)炭化收縮。系大氣中的二氧化碳與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。炭化收縮在濕度50%左右才明顯發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計(jì)算?；炷潦湛s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(cuò)，成龜裂狀，形狀沒(méi)有規(guī)律。

2.4 地基基礎(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)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(kāi)裂。地基變形引起的裂縫常出現(xiàn)在鋼筋上方、結(jié)構(gòu)變化處,并且常出現(xiàn)在混凝土澆筑10min到3h內(nèi)?；A(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不齊；地基地質(zhì)差異太大；結(jié)構(gòu)荷載差異太大；結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大；分期建造的基礎(chǔ)；地基凍脹；橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動(dòng)斷層等不良地質(zhì)時(shí)，可能造成不均勻沉降；橋梁建成以后，原有地基條件變化。

2.5 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)層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面，使鋼筋周?chē)炷翂A度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周?chē)入x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混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來(lái)增長(zhǎng)2～4倍，從而對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開(kāi)裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕使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)其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

2.6 凍脹引起的裂縫

混凝土構(gòu)件是非勻質(zhì)密實(shí)構(gòu)件,其內(nèi)部存在各種空隙,當(dāng)處于吸水飽和狀態(tài)的混凝土溫度低于0℃時(shí),內(nèi)部水分凍結(jié),體積膨脹9%,使混凝土因膨脹而產(chǎn)生拉應(yīng)力導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。冬季施工時(shí),對(duì)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。溫度低于0℃和混凝土吸水飽和,是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。另外,當(dāng)混凝土中骨料空隙多、吸水性強(qiáng)；骨料中含泥土等雜質(zhì)過(guò)多;混凝土水灰比偏大、振搗不密實(shí);養(yǎng)護(hù)不足使混凝土早期受凍等；均可能導(dǎo)致混凝土凍脹裂縫。

2.7 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(guò)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、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進(jìn)的和貫穿的各種裂縫，特別是細(xì)長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異。

3 裂縫的預(yù)防措施

混凝土裂縫一般是由于混凝土內(nèi)部應(yīng)力和外部荷載以及溫差、干縮等多方面因素作用下形成的。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu),一般裂縫寬度超過(guò)0.1mm就會(huì)影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性、安全性,因而在設(shè)計(jì)和施工、用料中宜采取可行、合理的措施對(duì)裂縫進(jìn)行有效控制。

3.1 設(shè)計(jì)方面

設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)斷面突變帶來(lái)的應(yīng)力集中,如因結(jié)構(gòu)構(gòu)造或造型方面原因所限時(shí),應(yīng)充分考慮采用加強(qiáng)措施。積極采用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù),重視對(duì)構(gòu)造鋼筋的認(rèn)識(shí),特別是薄壁構(gòu)件更應(yīng)注意構(gòu)造鋼筋的直徑和數(shù)量的選擇等。

3.2 施工方面

混凝土澆搗:澆搗時(shí),振搗棒要快插慢拔,根據(jù)不同的混凝土坍落度正確掌握振搗時(shí)間,避免過(guò)振或漏振,應(yīng)提倡采用一次振搗、一次抹面技術(shù),以排除泌水、混凝土內(nèi)部的水分和氣泡。

混凝土養(yǎng)護(hù):在混凝土裂縫的防治工作中,對(duì)新澆混凝土的早期養(yǎng)護(hù)工作尤為重要,以保證混凝土在早期盡可能少產(chǎn)生收縮。養(yǎng)護(hù)期間主要是控制好構(gòu)件的濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14～28d。

3.3 材料方面

根據(jù)結(jié)構(gòu)要求選擇合適的混凝土強(qiáng)度等級(jí)及水泥品種，盡量避免采用早強(qiáng)高的水泥；選用級(jí)配優(yōu)良的砂、石原材料,含泥量、含堿量應(yīng)符合規(guī)范要求；積極采用摻合料和混凝土外加劑,摻合料和外加劑可以明顯地起到降低水泥用量、降低水化熱、改善混凝土的工作性能和降低混凝土成本的作用；配合比設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入施工現(xiàn)場(chǎng),依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的澆搗工藝、操作水平、構(gòu)件截面等情況,合理選擇混凝土的設(shè)計(jì)坍落度,針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的砂、石原材料質(zhì)量情況及時(shí)調(diào)整施工配合比,協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)搞好構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)工作。

4 裂縫的處理措施

裂縫一經(jīng)發(fā)現(xiàn),就要對(duì)裂縫產(chǎn)生的特征、原因、大小、部位、發(fā)展形態(tài)及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度等方面進(jìn)行分析,并及時(shí)進(jìn)行處理。針對(duì)不同的裂縫,采取相應(yīng)的處理措施,避免裂縫繼續(xù)擴(kuò)大。當(dāng)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力有大的影響時(shí),必須進(jìn)行加固、補(bǔ)強(qiáng);當(dāng)影響結(jié)構(gòu)的耐久性、防水性能、觀感質(zhì)量時(shí),視具體情況修補(bǔ)、修復(fù)。修補(bǔ)的方法一般有以下四種：

4.1 表面處理法

包括表面涂抹和表面貼補(bǔ)法。表面涂抹法適用范圍是漿材難以灌入的細(xì)而淺的裂縫、深度未達(dá)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(dòng)的裂縫。表面貼補(bǔ)法(木工膜或其他防水片)適用于大面積漏水(蜂窩麻面等或不易確定具體漏水位置、變形縫)的防滲堵漏。

4.2 填充法

用修補(bǔ)材料直接填充裂縫,一般用來(lái)修補(bǔ)較寬的裂縫(0.3mm),作業(yè)簡(jiǎn)單,費(fèi)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(jiǎn)易處理可采取開(kāi)V形槽,然后作填充處理。

4.3 灌漿法

此法應(yīng)用范圍廣,從細(xì)微裂縫到大裂縫均可適用,處理效果好。

4.4 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法

因超荷載產(chǎn)生的裂縫、裂縫長(zhǎng)時(shí)間不處理導(dǎo)致混凝土耐久性降低、火災(zāi)造成裂縫等影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí),可采取結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法、錨固補(bǔ)強(qiáng)法、預(yù)應(yīng)力法等處理措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

混凝土橋梁裂縫是橋梁建設(shè)中容易產(chǎn)生和難以防范的一個(gè)重要問(wèn)題,如處理不當(dāng),將直接影響橋梁的工程質(zhì)量,并有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。橋梁裂縫成因復(fù)雜、多樣,必須具體問(wèn)題具體分析,正確把握問(wèn)題的實(shí)質(zhì),在各個(gè)環(huán)節(jié),合理采取相應(yīng)對(duì)策加以防治。橋梁從建成到使用，牽涉到設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、運(yùn)營(yíng)管理等各個(gè)方面。由上述可知，設(shè)計(jì)疏漏、施工低劣、監(jiān)理不力，使用不當(dāng)均可能使混凝土橋梁出現(xiàn)裂縫。只要有針對(duì)性地采取控制裂縫的措施，就能防患于未然，收到良好的效果。因此，嚴(yán)格按照國(guó)家有關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)理，是保證結(jié)構(gòu)安全耐用的前提和基礎(chǔ)。在使用中加強(qiáng)巡查和管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理問(wèn)題，也是相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

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