預應力混凝土T 梁裂縫分析與處理

吳紀超

（中國航空技術國際工程有限公司，北京 100101）

隨著橋梁技術的發展，各種形式的預應力混凝土梁在工程建設中被越來越多地應用，其中T 型梁的應用尤為廣泛。在現實施工過程中，預應力混凝土T 梁產生裂縫的情況并不少見，尤其是在T 梁拆模后張拉前出現的裂縫更為常見。對裂縫產生的原因進行分析并采取預防和處理措施，在實際施工過程中具有普遍的指導意義。

1 工程概況

工程位于某熱帶國家南部地區，該地區屬于熱帶季風性氣候，終年如夏。年平均氣溫28℃，平均最高氣溫31.3℃，平均最低氣溫23.8℃。無四季之分，只有雨季和旱季的差別，全年降雨量為2540 ～5080mm，氣候濕潤。

該工程全長30km，其中高架橋全長10.36km，下部結構為1.8m 混凝土灌注樁，單樁獨柱墩結構，主線橋上部結構使用30m 預應力混凝土先簡支后連續T 梁。為了保證施工進度，項目在全線高架橋附近設置了多個預制梁場。大部分預制梁場位于挖方段。部分路段由于征地受限，在主線樁基礎施工完成后對軟基進行開挖換填，然后建設梁場。

首批T 梁在預制場拆模后，發現T 梁表面存在多處微裂縫。

2 T 梁裂縫概況

2.1 T 梁情況介紹

T 梁混凝土等級為C50，單幅橋橫斷方向布置為5片，T 梁梁底寬640mm，T 梁梁端2m 范圍內腹板厚640mm，漸變段2m，中間腹板厚200mm，上部頂板寬1200mm。T 梁結構尺寸如圖1、圖2 所示。

圖1 T 梁橫截面結構（單位：mm）

圖2 T 梁側視圖（單位：mm）

2.2 裂縫情況

預制首批T 梁后，發現T 梁的多個部位出現了裂縫。經過對裂縫的觀察匯總，發現裂縫呈規律性分布：多為水平方向裂縫，少量的豎向裂縫，同時伴有部分分布不規律的細微淺表裂縫。其中，裂縫主要集中在以下四個位置：（1）T 梁頂板與腹板相接位置（水平裂縫）；（2）負彎矩錨頭與T 梁頂板相接位置（水平裂縫）；（3）橫隔板與T 梁頂板相接位置（水平裂縫）；（4）橫隔板漸變段與梁體相接的部位（豎向裂縫）。

經現場測量裂縫寬度從小于0.1 到0.4mm 變化。為了確定寬度較小的裂縫是否為淺表裂縫，對于裂縫小于0.2mm 的，直接采用角磨機打磨1mm 表層混凝土，打磨后發現大部分裂縫在表面被打磨后消失。另外，對于裂縫大于0.2mm 的使用32mm 鉆頭對裂縫進行了鉆芯取樣，一共在5 處取樣，對芯樣的裂縫深度和寬度進行測量后情況匯總如表1 所示。

表1 現場鉆芯取樣情況匯總表

3 T 梁裂縫原因分析

筆者對影響T 梁裂縫產生的可能因素進行了初步匯總，主要包括預制臺座沉降、混凝土配合比、溫度應力、收縮應力、施工工藝、結構配筋。現對其進行逐一分析。

3.1 預制臺座沉降

由于最初發現T 梁裂縫的梁場正是位于進行過開挖換填的軟基處理路段，筆者最初認為是由于開挖換填不夠徹底，下臥層軟土壓縮導致臺座沉降。經過對T 梁澆筑過程中及澆筑后的臺座沉降量進行測量監測發現，臺座沉降量在1mm 以內，可以認為是觀測誤差所致。同時在挖方段，位于風化巖區域的梁場內T 梁也出現了類似的裂縫，故而可以排除預制臺座沉降導致T 梁裂縫的可能。

3.2 混凝土配合比

預制T 梁采用的混凝土強度為C50，由于該國規范要求，混凝土配合比的強度要達到目標強度的120%，實際現場混凝土強度平均為C60 以上。為達到要求強度，混凝土配合比中的水泥用量較高，因而混凝土硬化過程中產生的水化熱也較大，水化熱會加快混凝土表面水分蒸發。這會導致混凝土的干縮裂縫，但一般干縮裂縫為不規則分布，多為網狀，且為表面裂縫，這與現場的裂縫規律性分布的情況不同。

另外其他梁場由于原材料（砂、碎石、水泥）不同，混凝土配合比也不同。同時對現場的混凝土原材料進行了復檢，檢驗結果均滿足規范要求。經過檢測同條件養護試塊，確認T 梁混凝土強度也滿足要求。以上可以排除由于混凝土配合比不佳導致裂縫的情況。

3.3 溫度應力

T 梁裂縫的溫度應力主要分為兩種：一種是混凝土早期水化熱引起的溫度應力，另一種是混凝土澆筑環境的溫度變化引起的溫度應力。混凝土水化熱引起的溫度應力主要是混凝土水化反應過程中混凝土內部與表面由于散熱情況不同，溫度分布不平衡所導致的。在水化反應過程中混凝土內外的溫差對其表面產生張拉應力。混凝土澆筑環境的溫度發生變化，也會導致混凝土內外溫差產生溫度應力，進而對混凝土表面產生張拉應力。當混凝土內部與表面溫度差達到一定的數值，溫度應力產生的混凝土表面張拉應力超出混凝土的抗拉強度就會導致混凝土表面開裂。

考慮到T 梁混凝土終凝后一直在灑水養護，T 梁橫向尺寸較小，表面積與體積之比較其他結構較大，散熱條件良好，T 梁內部的水化熱會很快釋放，且裂縫存在規律性分布。因此筆者認為溫度應力不是產生T 梁裂縫的主要原因。

關于外界環境引起溫度應力，當地白天氣溫在30 ～35℃之間，混凝土入模溫度要求為32℃，混凝土澆筑時溫差不大，不足以產生溫度裂縫。但是需要注意的是，澆筑時段15∶00—17∶00 是一天之內氣溫最高的時段，此時空氣溫度約33 ～35℃，但T 梁鋼模板由于日曬溫度可達到55 ～60℃。澆筑時溫差達到30℃左右。

筆者認為T 梁表面發現的分布不規律的細微淺表裂縫產生的原因是T 梁分層澆筑時，先澆筑混凝土中的砂漿與模板接觸變干，與后澆筑的混凝土接觸后所產生。

3.4 收縮應力

混凝土硬化的過程是一個水泥水化反應，體積收縮的過程。高強度混凝土配置時使用了較高的水泥用量并摻加有磨細的礦物，以達到高強度的目的，這都會產生較大的混凝土收縮。

混凝土收縮是隨著混凝土內部水化反應的進行，混凝土內相對濕度不斷降低，造成了毛細管內水分不飽和而產生壓力差，當壓力差為負值時引起的收縮。水灰比很低的高強度混凝土能提供的供水泥水化的自由水較少，早期的強度發展會使自由水消失很快，在外界補充水分不足的情況下，水泥水化不斷消耗水分產生原始裂縫。混凝土收縮的大小與水灰比的大小、細摻料的活性、水泥細度等因素有關。

從現場裂縫情況看，水平方向的裂縫應為混凝土收縮應力引起。對于T 梁的頂板部分，該部分與外界接觸面積大，寬度為120cm，翼緣板厚度為20cm。在澆筑完成后澆水養護時該部分有外界自由水的補充，收縮變形較小，其主要收縮變形方向為水平方向。腹板部分厚度為20cm，高度為150cm，收縮變形方向為豎直方向。馬蹄部分橫向寬度較腹板大，混凝土的收縮受到了底座約束[3]，收縮變形也較小。綜上T 梁頂板與腹板相接的位置及腹板與馬蹄部分相接的位置就是收縮應力最為集中的位置。收縮變形圖如圖3 所示。

圖3 T 梁各部分收縮變形示意圖

從現場觀察及監測數據中發現，混凝土收縮應力是水平方向裂縫產生的主要原因。另外，除T 梁頂板與腹板相接處的裂縫位于圓弧處外，負彎矩錨頭與T 梁頂板相接位置裂縫及橫隔板與T 梁頂板相接位置裂縫處均位于尖角位置，這更加造成收縮應力的集中。從裂縫鉆芯取樣的結果來看，前者的裂縫寬度為0.2mm，深度僅為5mm，后者的裂縫寬度為0.4mm，深度大于30mm，在另一方面證實了筆者的推測。

3.5 施工工藝

T 梁混凝土的施工對混凝土裂縫的產生及發展起著重要做用。筆者對T 梁混凝土的澆筑情況進行了觀察，現場混凝土的澆筑順序為分層澆筑。具體澆筑順序如圖4 所示。

圖4 T 梁混凝土澆筑順序

在分層澆筑的過程中，分層澆筑從一端至另一端需要將近1h，由于澆筑時氣溫較高間隔時間較長，在一層澆筑完成再澆筑下一層時極易產生施工冷縫，這樣混凝土結合層就產生了軟弱結合面，尤其是其分層位置正是上文所述的收縮應力集中的部位，這使得混凝土更容易在該部位產生裂縫。

3.6 結構配筋

混凝土中的鋼筋在起著受力作用的同時，也起著抑制裂縫產生的作用。鋼筋形成的骨架及鋼筋與混凝土之間的握裹力對混凝土形成約束，抑制混凝土裂縫的發生和發展。在T 梁設計圖中橫隔板漸變段處配置有Φ12鋼筋，間距為200mm。本項目所使用的設計規范中建議在混凝土的周圍以不超過150mm 的間距均勻布設鋼筋，以避免混凝土的收縮裂縫或者是溫度收縮裂縫。因此筆者認為漸變段的鋼筋布置不足可能是該處裂縫產生的原因。

4 T 梁裂縫的處理及預防

4.1 裂縫的處理

（1）裂縫的分類及處理方法。現場的裂縫寬度根據統計結果大部分在0.2mm 以內，只有極少數大于0.2mm。同時根據在裂縫位置處的鉆芯取樣，裂縫寬度與裂縫深度有正相關關系，故以0.2mm 為標準將裂縫劃分為大于0.2mm 及小于0.2mm 兩種。裂縫寬度在0.2mm 的情況下，裂縫深度在5mm 左右，T 梁的鋼筋保護層厚度為40mm，由于裂縫的存在，對有效保護層有一定削弱。因此，對該部分裂縫采取了表面封閉的處理措施。對于寬度大于0.2mm 的裂縫，這部分裂縫根據前文分析可知這部分裂縫不是結構裂縫，是由于混凝土的塑性變形所產生的。這部分裂縫在寬度為0.35 ～0.4mm 時裂縫深度可達30 ～35mm，嚴重影響了結構的耐久性，對這部分裂縫的處理是裂縫處理的重點。對這種裂縫通行的做法是灌漿處理。

（2）裂縫修復材料的要求與選擇。裂縫修復材料要求有：①流動性好，黏度較低，以能夠更好地滲入縫隙；②凝固后有較高的材料強度，至少不得低于被修復的材料強度；③工作性能要好，能在干燥和潮濕狀態下與裂縫面良好地結合并凝固；④強度高而且有一定的柔性；⑤無收縮，避免修復材料與被修復材料產生分離現象。經調查，環氧樹脂材料能滿足以上材料要求，故而選擇環氧樹脂材料作為裂縫表面封閉和灌漿材料。

（3）處理方法。對于小于0.2mm 的裂縫首先使用角磨機打磨1mm，如果裂縫消失則可不做處理，如果打磨后仍存在裂縫則使用環氧樹脂漿液對其進行封閉。對于裂縫寬度大于0.2mm 的裂縫，采用注漿處理，注漿處理的步驟如下：表面清理—標記裂縫—安裝注漿桿—裂縫表面封堵—注漿—清理表面封堵料，如圖5 所示（此圖為示意圖，非現場圖）。

圖5 T 梁裂縫注漿處理

4.2 裂縫的預防

經過上述分析后，主要采取了以下措施來對裂縫進行預防。

（1）改變混凝土的澆筑時間，將混凝土的澆筑時間改為晚上，此時氣溫較低，模板溫度與混凝土溫度基本相同。

（2）將負彎矩錨頭與T 梁頂板相接位置及橫隔板與T 梁頂板相接位置處的模板尖角均改為半徑40mm 的圓弧，減少應力集中。

（3）改變混凝土的澆筑方式，將分層澆筑改變為水平分層斜向分段的方法澆筑，避免施工縫的可能，同時改變澆筑高度，避開應力集中位置，如圖6 所示。

圖6 T 梁混凝土澆筑順序改進示意圖

（4）加強T 梁養護，在腹板及馬蹄部位涂刷養護劑后仍然將T 梁頂面繼續灑水養護至7d 以上，盡量減少混凝土的干縮。

（5）在橫隔板漸變段位置將200mm 鋼筋間距改為150mm，提高配筋率以提高結構的抗裂性能。

在采取上述措施后，基本避免了T梁表面裂縫的現象。

5 結論

T 梁裂縫產生的原因是多種多樣的，需根據項目的具體實際情況將裂縫產生的可能原因逐一列出，逐一進行分析方可得出可靠的結論。

綜上所述，結合本項目T 梁裂縫的分析和處理，提出以下幾點建議：

（1）在常年氣溫變化不大的地區，混凝土自身收縮應力是T 梁裂縫產生的主要原因。

（2）在施工中要注意施工細節的處理，避免產生應力集中現象。

（3）在施工中要采取合理的施工工藝，加強混凝土養護，減少混凝土收縮。

（4）T 梁裂縫必須進行處理，以確保結構的安全性和耐久性。