混凝土橋梁裂縫的預防處理分析

閆 聰

(中鐵十八局集團有限公司華南工程公司，廣西南寧530022)

在橋梁建造和使用過程中，因出現裂縫而影響工程質量，甚至造成橋梁垮塌的報道屢見不鮮。橋梁混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響，裂縫均由其產生的一種或幾種主要原因組成。混凝土的主要缺點是抗拉能力低、容易開裂，有些裂縫不斷產生和擴展，危害結構的正常使用，必須加以控制。

1 裂縫產生的原因

1.1 荷載引起的裂縫

混凝土橋梁在靜、動荷載及次生應力的作用下產生的裂縫稱為荷載裂縫，主要包含直接應力裂縫和次生應力裂縫兩種。

直接應力裂縫是指在外部荷載直接應力下產生的裂縫。其產生的主要原因為:設計時受力計算不準確，結構設計不合理，設計斷面不足等;施工時不按設計圖紙進行施工，隨意調整施工工序，吊裝過程不規范，隨意翻轉等;超荷載使用，受到船舶、車輛撞擊，自然災害等。

次生應力裂縫是指由外部荷載引起的次生應力變化產生的裂縫。一般在施工過程中產生，例如張拉過程操作不規范，結構突變位置受力不均衡等。

1.2 溫度變化引起的裂縫

溫度裂縫多發生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區的混凝土結構中。混凝土澆筑后，在硬化過程中，水泥水化產生大量的水化熱(當水泥用量在350～550 kg/m3，每1 m3混凝土將釋放出17 500～27 500 kJ的熱量，從而使混凝土內部溫度升達70℃左右甚至更高)。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內部而不易散發，導致內部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成內外較大溫差，較大的溫差造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的拉應力(實踐證明當混凝土本身溫差達到25℃ ～26℃時，混凝土內便會產生大致在10 MPa左右的拉應力)。當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面就會產生裂縫，這種裂縫多發生在混凝土施工中后期。是由于溫差變化較大而產生收縮，表面收縮的混凝土受內部混凝土的約束，將產生很大的拉應力而產生裂縫，這種裂縫通常只在混凝土表面較淺的范圍內產生。溫度裂縫的走向通常無一定規律，大面積結構裂縫常縱橫交錯;深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行，裂縫沿著長邊分段出現，中間較密。此種裂縫的出現會引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗滲能力等。

1.3 收縮引起的裂縫

在實際工程中，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)是發生混凝土體積變形的主要原因。

(1)塑性收縮。發生在施工過程中、混凝土澆筑后4～5 h期間，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現泌水和水分急劇蒸發，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，因此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大，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、箱梁腹板與頂底板交接處，因硬化前沉實不均勻將發生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮，施工時應控制水灰比，避免過長時間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實，豎向變截面處宜分層澆筑。

(2)縮水收縮(干縮)。混凝土結硬以后，隨著表層水分逐步蒸發，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮(干縮)。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。

1.4 施工材料引起的裂縫

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量不合格，可能導致結構出現裂縫。

1.4.1 水泥

水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結后仍然繼續起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝土抗拉強度下降。

當水泥含堿量較高(例如超過0.6%)，同時又使用含有堿活性的骨料，可能導致堿骨料反應。

1.4.2 砂、石骨料

砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導致水泥和拌和水用量加大，影響混凝土的強度，使混凝土收縮加大，如果使用超出規定的特細砂，后果更嚴重。砂石中云母的含量較高，將削弱水泥與骨料的粘結力，降低混凝土強度。砂石中含泥量高，不僅將造成水泥和拌和水用量加大，而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗滲性。砂石中有機質和輕物質過多，將延緩水泥的硬化過程，降低混凝土強度，特別是早期強度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發生化學反應，體積膨脹2.5倍。

1.4.3 堿骨料反應

堿骨料反應有三種類型:

(1)堿硅酸反應。參與這種反應的骨料有流紋巖、安山巖、凝灰巖、蛋白石、黑硅石、燧石、鱗石英、玻璃質火山巖、玉髓及微晶或變質石英等。反應發生于堿與微晶氧化硅之間，其生成物硅膠體遇水膨脹，在混凝土中產生很大的內應力，可導致混凝土突然爆裂。這類反應是堿骨料反應的主要形式。

(2)堿硅酸鹽反應。參與這種反應的骨料有粘土質巖石、千枚巖、硬砂巖、粉砂巖等。此類反應的特點是膨脹速度非常緩慢，混凝土從膨脹到開裂，能滲出的凝膠很少。

(3)堿碳酸鹽反應。多數碳酸鹽巖石沒有堿活性，只有特定結構的泥質細粒白云質灰巖和泥質細粒灰質白云巖才具有與堿反應的堿活性，且還須高堿度、一定濕度環境下才能反應膨脹。

1.4.4 拌和水及外加劑

拌和水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，可能對堿骨料反應有影響。

1.5 施工工藝、質量引起的裂縫

在混凝土結構澆筑、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，容易產生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、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。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異，比較典型常見的有:

(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，出現蜂窩、麻面、空洞，導致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點。

(3)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不足，硬化后沉實過大，容易在澆筑數小時后發生裂縫，即塑性收縮裂縫。

(4)混凝土攪拌、運輸時間過長，使水分蒸發過多，引起混凝土塌落度過低，使得在混凝土體積上出現不規則的收縮裂縫。

(5)混凝土初期養護時急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸的表面上出現不規則的收縮裂縫。

(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不規則裂縫。

(7)混凝土分層或分段澆筑時，接頭部位處理不好，易在新舊混凝土和施工縫之間出現裂縫。如混凝土分層澆筑時，后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑，引起層面之間的水平裂縫;采用分段現澆時，先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好，新舊混凝土之間粘結力小，或后澆混凝土養護不到位，導致混凝土收縮而引起裂縫。

當地形相關函數f(x)在區間[-b,b]內具有偶對稱性質時,古特曼(1976)已給出上述方程組解析解的一般表達式,我們將在第2節給出兩個具體的例子。考慮到真實的地形是復雜多樣的,將其結果推廣到更一般的情況。

(8)混凝土早期受凍，使構件表面出現裂紋或局部剝落，或脫模后出現空鼓現象。

(9)施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土時，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。

由于混凝土澆筑、振搗不良或者是鋼筋保護層較薄，有害物質進入混凝土使鋼筋產生銹蝕，銹蝕的鋼筋體積膨脹，導致混凝土脹裂，此種類型的裂縫多為縱向裂縫，沿鋼筋的位置出現。通常的預防措施有:一是保證鋼筋保護層的厚度;二是混凝土級配要良好;三是混凝土澆筑要振搗密實;四是鋼筋表層涂刷防腐涂料。

2 防治及處理

構筑物裂縫的出現不但會影響結構的整體性和剛度，還會引起鋼筋的銹蝕、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲勞、抗滲能力。因此根據裂縫的性質和具體情況我們要區別對待、及時處理，以保證建筑物的安全使用。

混凝土裂縫的修補措施主要有以下一些方法:表面修補法，灌漿、嵌縫封堵法，結構加固法，混凝土置換法，電化學防護法以及仿生自愈合法。

2.1 表面修補法

表面修補法是一種簡單、常見的修補方法，它主要適用于穩定和對結構承載能力沒有影響的表面裂縫以及深進裂縫的處理。通常的處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥漿、環氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料，在防護的同時為了防止混凝土受各種作用的影響繼續開裂，通常可以采用在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布等措施。

2.2 灌漿、嵌縫封堵法

灌漿法主要適用于對結構整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補，它是利用壓力設備將膠結材料壓入混凝土的裂縫中，膠結材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而起到封堵加固的目的。常用的膠結材料有水泥漿、環氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學材料。

2.3 結構加固法

當裂縫影響到混凝土結構的性能時，就要考慮采取加固法對混凝土結構進行處理。結構加固中常用的主要有以下幾種方法:加大混凝土結構的截面面積，在構件的角部外包型鋼，采用預應力法加固、粘貼鋼板加固、增設支點加固以及噴射混凝土補強加固。

2.4 混凝土置換法

混凝土置換法是處理嚴重損壞混凝土的一種有效方法，此方法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有:普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。

3 結束語

裂縫是混凝土結構中普遍存在的一種現象，它的出現不僅會降低建筑物的抗滲能力，影響建筑物的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力，因此要對混凝土裂縫進行認真研究、區別對待，采用合理的方法進行處理，并在施工中采取各種有效的預防措施來預防裂縫的出現和發展，保證建筑物和構件安全、穩定地工作。

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