混凝土橋梁結構裂縫分析、控制及修補

【摘 要】 本文從裂縫對混凝土結構耐久性的影響及裂縫產生原因等方面出發，對裂縫進行分析，提出裂縫的控制措施及修補方法，從而提高混凝土結構的耐久性，

【關鍵詞】 裂縫；耐久性；分析；控制措施；修補方法

1 概述

近年來，隨著公路交通量不斷增加，橋梁的負荷壓力日益加重，在役橋梁結構隨著使用時間的延續，不斷出現各種各樣的病害，由于維修工作的滯后，很多橋梁帶病超負荷工作，結構的損傷不斷累積導致結構性能過早劣化，承載力下降和耐久性降低。國外學者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土橋梁結構耐久性設計的重要性，由此導致的經濟損失是巨大的。因此，混凝土橋梁結構的耐久性問題也受到國內外土木工程界的高度重視。

實踐表明，混凝土結構的任何損傷和破壞，一般都是首先在混凝土結構中出現裂縫，裂縫是反映混凝土結構病害的晴雨表。不論何種原因產生的裂縫，都會對混凝土結構的耐久性造成影響。

2 混凝土橋梁裂縫分析

對混凝土橋梁結構裂縫進行分析，包括裂縫產生原因、裂縫的危害性評定，然后根據分析結果對裂縫進行修補和加固。如果對裂縫不經分析研究就盲目進行處理，不僅達不到預期的修補效果，還可能潛藏著突發性事故的危險。

2.1 裂縫產生原因

混凝土結構的裂縫是由材料內部的初始缺陷、微裂縫的擴展而引起的。除了混凝土材料自身特性和所處環境的影響外，混凝土結構的設計和施工質量、使用條件和防護措施、后期養護措施等都是直接影響因素。引起裂縫的原因和因素很多，可歸納為兩類：

（1）非結構性裂縫

非結構性裂縫是由變形引起的裂縫，比如混凝土結構變形產生的收縮裂縫和溫度裂縫。在混凝土收縮、溫度變化等因素的作用下，混凝土結構的變形收到限制時，在結構內部就會產生自應力，當自應力達到混凝土抗拉強度極限值時，就會引起混凝土裂縫。裂縫一旦出現，變形得以釋放，自應力也就消失了。

收縮裂縫：混凝土凝固時，由于水泥化產物的體積比反應前物質的總體積要小，因而產生收縮；混凝土在硬化過程忠隨著水分的逐漸蒸發，體積逐漸縮小，稱為干縮。當表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強度時，便產生收縮裂縫。

溫度裂縫：混凝土在運營過程中受陽光照射、大氣及周圍溫度等因素影響，而出現冷熱變化時，將發生收縮和膨脹，產生溫度應力，溫度應力超過混凝土強度時，即產生溫度裂縫。

鋼筋銹脹裂縫：又稱順筋裂縫。鋼筋混凝土結構的裂縫與鋼筋腐蝕是相互作用的。裂縫的存在會增加混凝土的滲透性，使鋼筋的腐蝕加重；另一方面鋼筋腐蝕后，腐蝕產物體積膨脹，使混凝土的保護層沿鋼筋方向出現裂縫，嚴重者混凝土保護層會完全脫落。

（2）結構性裂縫

結構性裂縫又稱受力裂縫，即在荷載作用下產生的裂縫，如彎曲裂縫、剪切裂縫、斷開裂縫、扭曲裂縫和局部應力引起的裂縫等，裂縫的分布和寬度與外荷載有關。這類裂縫的出現，預示結構承載力不足或存在其他嚴重問題。

彎曲裂縫：車輛荷載在混凝土梁上施加彎矩時，將產生彎曲裂縫。

剪切裂縫：剪切裂縫也稱作斜裂縫。首先發生在剪力最大的部位。對收彎構件和壓彎構件，往往發生在支座負筋，由下部開始，沿著軸線成25°～50°左右的角度裂開。剪切裂縫一旦出現，就應該加強觀察，視具體情況及時予以必要的加固處理。

斷開裂縫：鋼筋混凝土構件受拉時，進入整個截面的裂縫稱為斷開裂縫。

扭曲裂縫：鋼筋混凝土構件受扭轉與彎曲同時作用而產生的裂縫稱為扭曲裂縫。該裂縫一般呈45°傾斜方向。

局部應力引起的裂縫：局部應力引起的裂縫主要表現在墩臺或梁板支座位置受到較大局部壓力處、構件突然受到沖擊荷載直接作用處、以及位于構件受力角隅處。

這兩類裂縫有明顯的區別，危害效果也不相同。調查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫占主導的約占80%，以荷載引起的裂縫占主導的約占20%，有時兩類裂縫交融在一起。

2.2 裂縫狀態判斷

鋼筋混凝土結構在使用狀態下出現裂縫屬于正常現象。但理論和大量試驗表明結構的破壞又往往從裂縫開始，因此可以把橋上的裂縫分為“有害裂縫”和“無害裂縫”。

“有害裂縫”主要指：對橋梁結構的承載能力、變形、節點構造的牢固程度等有直接影響或嚴重影響的裂縫，如由于墩臺不均勻沉降、傾斜造成的結構裂縫；由于主筋腐蝕而膨脹所引起的順鋼筋向裂縫；承重構件受荷載作用后，展開寬度超過規范要求限值的裂縫。“有害裂縫”必須采用相應的措施進行維修，以限制其進一步發展；因結構承載力不足而產生的“有害裂縫”，還需要對結構承載力進行補強。

“無害裂縫”主要指：暫時對橋梁結構不致產生安全方面的不利影響，但也不能認為是絕對無害的裂縫，待其發展到一定程度、結合其它方面的因素，也可能對橋梁結構安全產生威脅。需要長期觀察記錄該裂縫發展情況并加以分析，以采取相應措施。

3 裂縫控制措施

由于裂縫的產生的原因是多種多樣的，并且裂縫的存在直接影響著混凝土橋梁結構的耐久性、安全性及可靠性。因此，對混凝土橋梁結構的裂縫進行分析研究，并根據導致裂縫產生的因素來控制結構的裂縫是十分必要的。

3.1 材料選用

混凝土主要由水泥、砂、骨料、水及外加劑組成。配置混凝土時選材不當或用料配合比不合理都可能導致結構產生裂縫。首先需選擇質量合格的材料，配合比設計時應盡量采用低水灰比、低水泥用量、合理級配的集料，并且投料計量應準確，攪拌時間應保證，嚴禁任意更改水泥用量。

混凝土結構中的鋼筋對混凝土的收縮有一定的約束作用，因此，鋼筋也是裂縫控制的重要因素。合理的配筋，特別是構造配筋，細一點密一點可提高混凝土的極限抗拉能力，可有效避免構造性裂縫的產生，改善混凝土結構的抗裂性能。

3.2 設計方面

（1）根據橋梁跨徑，選擇合理的橋梁結構類型及結構尺寸。合理采用預應力結構，保證結構不出現拉應力或把拉應力控制在允許范圍。

（2）根據結構所處的環境，選擇合理的保護層厚度。

（3）合理布置構造鋼筋，適當增加構造配筋可以防裂或控制裂縫寬度。

（4）由于溫度變化的溫差會引起結構的內應力或約束應力，結構計算時的溫差取值、設計應力控制也是控制結構裂縫的一個重要因素。

3.3 施工措施

（1）嚴格控制材料質量，主要是混凝土的水灰比及塌落度。

（2）合理安排施工工序，控制施工工藝，特別是混凝土的拌合、運輸及振搗控制，防止支架、模板變形過大，保證施工質量。

（3）選擇適當的拆模時間。拆模過早，混凝土未達到一定強度容易開裂；拆模過晚，錯過混凝土水化熱峰值，影響結構的養護。

（4）加強混凝土的養護工作，減小混凝土收縮變形。

4 裂縫修補方法

裂縫的出現會降低混凝土結構的耐久性，引起鋼筋的銹蝕，加速混凝土的碳化，從而影響結構的整體剛度及強度，降低結構的使用性能。因此，根據裂縫的特點，選擇適當的修補措施，及時對裂縫進行處理是非常必要的。

混凝土橋梁結構的裂縫分為結構性裂縫和非結構性裂縫，對于收縮裂縫、溫度裂縫和鋼筋銹脹裂縫等非結構裂縫，可對裂縫進行封閉處理；對于由承載力不足等原因引起的結構裂縫，除對裂縫進行封閉處理外，還應選擇適當的加固措施對結構進行補強。

4.1 封閉修補法

維修混凝土裂縫類病害，在橋梁構件承載力滿足要求的條件下，僅需要考慮增加混凝土構件耐久性的需求，即對裂縫進行封閉處理，目的在于防止水氣進入裂縫而造成鋼筋銹蝕。目前，根據裂縫寬度的不同，最常用的裂縫封閉修補方法為表面涂抹封閉法和壓力灌漿法。

4.1.1 表面涂抹封閉法

表面涂抹封閉法適用于裂縫寬度w＜0.15mm且裂縫深度較淺密集型的細小裂縫，如：上部構造梁板裂縫、蓋梁、臺帽裂縫等。除了采用裂縫修補膠進行裂縫封閉外，還推薦采用水泥基滲透結晶型防水涂料——簡稱“賽柏斯”進行涂抹。“塞柏斯”含有特殊的活性物質，是一種催化劑，能滲透到混凝土內部產生結晶后與混凝土結構結合成一個整體，滲透深度通常達到10cm以上，超過環氧類防水涂料；并和混凝土的膨脹系數一致，不易產生裂縫；如產生新裂縫，它又可自愈，結晶進一步滲透，防水作用是永久的；而且不怕砸，不怕碰，不怕植物根系滲透，抗腐蝕、耐高低溫；同時也是一種無毒、無公害環保型防水材料。另外，它的顏色和混凝土能保持一致，維修后景觀效果較好；施工方法簡便，維修成本較低。因此，對混凝土結構裂縫封閉防水效果良好。

4.1.2 壓力灌漿法

壓力灌漿法適用于裂縫寬度w≥0.15mm的裂縫，如：橋梁上部構造最大彎矩區通長裂縫、最大剪力區斜裂縫、沿受力主筋縱向裂縫；橋梁下部構造墩臺豎向裂縫、斜裂縫等。壓力灌漿法包括水泥灌漿修補和化學灌漿修補，兩者的區別是灌漿材料的不同。化學灌漿是通過專業設備向裂縫中注入高分子化學漿材，經聚合、交聯等化學反應生成高聚物，使被處理的部位膠結、增強、加固并形成整體，達到防滲、堵漏等目的。

4.2 鑿槽嵌補法

在表面涂抹封閉處理不能充分修補的情況下，可采用在混凝土表面沿裂縫鑿出“V”形或“U”形槽口，然后用環氧樹脂或環氧砂漿充填修補。填補前要用鋼絲刷清除鑿除后已浮動的混凝土碎片，對鋼筋進行除銹防銹處理，對鋼筋腐蝕程度超過10%的，加焊相同直徑的鋼筋；在槽面涂以改性環氧樹脂膠液等粘結劑，涂抹改性環氧砂漿嵌補。

4.3 表面噴漿修補法

表面噴漿修補時在經鑿毛處理的裂縫表面，噴射一層密實而且高強度的水泥砂漿保護層來封閉裂縫。根據裂縫的部位、性質和修補要求與條件，可采用無筋噴漿或掛網噴漿結合鑿槽嵌補等修補方法。

4.4 粘貼鋼板（或FRP）加固法

對于由承載力不足等原因引起的結構裂縫，應選擇適當的加固措施對結構進行補強，從而達到修補裂縫的目的。粘貼鋼板加固法是將鋼板粘貼在待修補的裂縫位置上，使其與原有的混凝土結構形成整體，從而提高結構對活載的抵抗能力，改善結構的受力性能。

5 結論

在工程實踐中，裂縫是混凝土結構中普遍存在的現象，它的出現不僅會降低橋梁結構的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響橋梁結構的承載能力。因此嚴格按規程、規范要求施工，嚴把質量關，防患于未來，盡可能的采取各種有效措施來預防或降低混凝土裂縫的出現和發展。

參考文獻

[1] 張樹仁，王宗林.橋梁病害診斷與改造加固設計[M].人民交通出版社2006

[2] 黃建文.鋼筋混凝土橋梁裂縫的類型和維修方法.中國科技信息[J].2005.16

[3] 鄭國棟.橋梁裂縫的成因和控制研究現狀及發展綜述.中國水運[J].2007.5