混凝土橋梁裂縫的成因及預防處理措施

隨著經濟的高速發展和國家交通基礎建設規模的日益擴大，各地興建了大量的橋梁。混凝土因其取材廣泛、價格低廉、抗壓強度高、可澆筑成各種形狀并且耐火性好、不易風化、養護費用低，成為當今世界橋梁結構中使用最廣泛的建筑材料。但混凝土的主要缺點是抗拉能力差，容易開裂。混凝土橋梁的開裂可以說是多發病，經常困擾著橋梁工程技術人員。

1 混凝土橋梁裂縫的成因

造成混凝土橋梁出現裂縫的原因比較復雜，同時受材料、施工、使用環境及結構設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的原因，是克服和控制裂縫、保證橋梁正常使用的關鍵。以下根據其成因，分析混凝土橋梁裂縫的幾種主要分類。

1.1 載荷裂縫

主要分直接應力裂縫和次應力裂縫。直接應力裂縫是指混凝土橋梁在外載荷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載荷引起的次生應力產生的裂縫。

1.1.1 直接應力裂縫產生的原因

1）設計計算階段。結構未計算或漏算；結構計算模式和實際受力不符；結構安全系數不夠；設計未考慮施工的可能性；鋼筋設置偏少或布置錯誤；構造設計不合理或結構剛度不足等。

2）施工階段。隨意翻轉、起吊、運輸、安裝；不按設計圖紙施工，擅自更改結構施工順序；未對結構做施工機具振動等條件下疲勞強度驗算。

3）使用階段。超過設計載荷的重型車輛通行；受車輛、接觸及撞擊；發生大風、大雪、地震、爆炸等災害。

1.1.2 次應力裂縫產生的原因

在設計載荷作用下，由于結構物的設計工作狀態同常規計算有出入或未考慮，從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。

1.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環境或內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其他裂縫最主要因素是裂縫將隨溫度變化而擴張或合龍。

引起溫度變化主要因素包括年溫差、日照、驟然降溫、水化，蒸氣養護或冬季施工措施不當，混凝土驟冷驟熱，內外溫度不均。試驗研究表明高溫下的混凝土強度隨溫度的升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的粘結力隨之下降。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控，是控制溫度裂縫產生的關鍵。

1.3 基礎變形引起的裂縫

由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，使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。基礎不均勻沉降的主要原因：

1）地質勘查精度不夠、試驗資料不準；

2）地基地質差異太大；

3）結構載荷差異太大；

4）結構基礎類型差別太大；

5）地基凍脹；

6）橋梁基礎基于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質時，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，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、強度等級及用量；骨料品種；水灰比；外摻劑；養護方法；外界環境；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。另外水泥強度越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大且發生收縮時間越長。骨料中石英、石灰巖、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。養護時保持濕度越高、氣溫越低、養護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸氣養護方式比自然養護方式的混凝土收縮要小。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發快，混凝土收縮越快。機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冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水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，并導致裂縫出現。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

由于混凝土質量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受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其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕導致結構破壞。

1.7 施工裂縫

施工材料質量引起的裂縫。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量不合格，可能導致結構出現裂縫。

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、橫向等各種裂縫，特別是細長薄壁結構更容易出現裂縫。

裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生原因而異，比較典型且常見的如下幾種。

1）凝土振搗不密實、不均勻、出現蜂窩、麻面、空洞，導致鋼筋銹蝕或形成其他載荷裂縫的起源點；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，硬化后沉實過大，容易在澆筑數小時后發生裂縫，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，導致混凝土凝結硬化時收縮量增加，混凝土表面出現不規則裂縫。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。

3）施工時模板剛度不足，在澆筑混凝土時產生與模板變形一致的裂縫；施工時拆模過早，混凝土強度不足，使得構件在自重或施工載荷作用下產生裂縫；施工前對支架基礎壓實不足或支架剛度不夠，澆筑混凝土后支架不均勻下沉，導致混凝土出現裂縫。

4）鋼筋混凝土保護層過厚或亂踩綁扎的上層鋼筋，使承受負彎矩的鋼筋保護層加厚，導致構件的有效高度減少，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不足，硬化后沉實過大，容易在澆注數小時后發生裂縫，即塑性收縮裂縫。

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

7）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。

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

9）裝配式結構，在構件運輸、堆放時，支撐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而引起結構裂縫。安裝順序不正確，導致結構產生裂縫等。

2 混凝土橋梁裂縫的預防及處理措施

如何采用合理方法進行預防，以控制混凝土橋梁裂縫的產生及提高耐久性，滿足設計和使用要求，這是混凝土橋梁工程中的關鍵性問題之一。在實際工程中，可以通過以下措施來預防和控制混凝土橋梁裂縫的產生。

在施工前應加強原材料的檢驗、試驗工作，選擇合適的水泥，嚴格控制好水泥用量、骨料級配、含泥量等，選擇適當的外加劑和合適的配合比。

施工時應控制混凝土的水灰比，加強振搗、抹壓、養護，保證混凝土的密實性，防止氧氣侵入，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；同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區或其他存在腐蝕性強的空氣、地下水地區尤其應慎重；要防止鋼筋銹蝕，設計時應根據規范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度；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，加強計量監測工作，定時檢查并做好詳細記錄，認真對待澆鑄過程中可能出現的冷縫，并采取措施加以杜絕，在實施的過程中，必須嚴格根據施工方案落實到位。

采取以下幾方面措施控制溫度，減輕溫度應力的影響：

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）夏天澆筑混凝土時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱；

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。

如果混凝土橋梁結構已經產生了裂縫，橋梁結構會出現滲水、鋼筋銹蝕、混凝土剝離等現象，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的裂縫，更應盡早發現，盡量提前進行適當的修補處理。主要可通過表面處理法和填充法、灌漿法、結構補強法、錨固補強法、預應力法等方法來解決處理。

3 結語

混凝土裂縫在實際橋梁工程中造成的影響很大，如何預防和處理混凝土橋梁裂縫一直是困擾橋梁建設者的一大問題。一座橋梁從建成到使用，涉及設計、施工、監理、運營管理等各方面，任一方面管理不慎都可能使混凝土橋梁出現裂縫。由上述可知，設計疏漏、施工低劣、監理不力，均可能使混凝土橋梁出現裂縫。因此，嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理，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，及時發現和處理問題，也是相當重要的環節。