公路橋梁設計與施工中的裂縫成因及預防策略

王臣

（江蘇省科佳工程設計有限公司，江蘇無錫 214000）

1 混凝土裂縫的類型及危害

1.1 混凝土裂縫的類型

混凝土裂縫的類型主要可分為表面裂縫、內部裂縫、深層裂縫與貫穿裂縫。

1）表面裂縫主要是混合料構造物在外界水化作用下或受到熱度、溫度變化影響，導致構造物內、外部溫度不均勻，內部溫度明顯變高，產生溫度應力，當溫度應力達到構造物的臨界點時，會造成混凝土成品構件表面出現裂縫。混凝土的體積越大，裂縫對構造物的影響越小，雖然表面裂縫的危害程度較輕，不會向深度滲透，但會嚴重影響橋梁的美觀度以及使用壽命。

2）內部裂縫是指發生在結構或構件內部，但在其外部表面不可見的裂縫。當表面出現裂縫后，對構件進行二次連續澆筑可能會封閉表面裂縫，使其不再可見，但這并不意味著內部裂縫已被完全修復或消除。

3）深層裂縫主要是表面裂縫在某些特殊作用力的影響下滲透發展引發的，與表面裂縫相比，深層裂縫可能會對構件的內部結構應力造成影響，危害性相對較大。

4）貫穿裂縫。指一種從混凝土構件的一個表面延伸至另一個表面的裂縫。當混凝土構件的體積和內部結構尺寸較大時，由于水化熱的影響，構件內部會產生復雜的溫度場。如果構件的導熱性能和散熱性能不足，熱量可能無法順利排出，導致中心區域與表面之間的溫差逐漸增大。這種溫差會產生溫度應力，當這些應力超過混凝土的抗拉強度時，就可能引發貫穿裂縫的形成[1]。

1.2 混凝土裂縫的危害

混凝土一旦出現開裂或縫隙，會對公路橋梁的內部結構造成嚴重的影響，使其內部結構的荷載力出現變化，影響公路橋梁的使用壽命與穩定性。混凝土出現裂縫后受到滲透水壓的影響，裂縫進一步加劇，從而引發路面不平甚至是橋梁塌陷[2]。此外，混凝土出現裂縫后，空氣中的水分、氧氣、二氧化碳都會逐漸滲透到公路橋梁的內部，形成碳化反應，不僅會降低混凝土的強度，還可能導致工程內部的鋼筋被氧化，導致鋼筋韌性下降、橋梁結構穩定性受到影響。

2 公路橋梁混凝土裂縫成因分析

2.1 荷載因素

公路橋梁在施工與運營過程中可能受到多種荷載力的影響，導致出現混凝土裂縫，這種情況多出現于公路橋梁受到的壓力較大或振動頻繁的區域，與溫度引發的混凝土裂縫相比，因荷載導致的裂縫具備一定的規律性，主要有5 種類型，分別是剪切裂縫、彎曲裂縫、斷開裂縫、局部應力裂縫與扭曲裂縫。剪切裂縫主要出現在公路橋梁施工過程中剪應力最大的區域，裂縫的表現形式為從裂縫源向受壓區域逐漸延伸、發展、擴大；彎曲裂縫主要是公路橋梁上混凝土彎矩增加導致的，隨著荷載力的增加，混凝土的寬度會逐漸加大，向橋梁兩側延伸；斷開裂縫主要是構件拉力造成的，混凝土開裂具有一定的規律性，主要表現為正截面開裂，當混凝土的內力處于較大狀態時，就會導致裂縫；局部應力裂縫主要出現在墩臺支柱、構件角隅以及局部壓力、荷載沖擊較大的區域；扭曲裂縫主要是構件扭曲、彎曲等因素造成的，裂縫以45°角的形式進行延伸，數目較多，可能導致混凝土表層脫落等一系列后果，對公路橋梁的損傷較為嚴重。

2.2 溫度因素

隨著因素的變化，溫度裂縫會表現為不同的形式，例如，擴張、合龍等，可能引發溫度變化的因素主要有4 方面：（1）水化熱。水化熱主要產生于施工過程中，在使用大體積混凝土時，其內部溫度較高，內外溫差大，有可能導致橋梁結構的表面出現裂縫。（2）氣溫過低的環境下施工或施工不當可能導致混凝土冷熱不均，引發不均勻裂縫。（3）日照因素。日照是導致混凝土裂縫的主要因素之一，由于主梁、橋面板、橋墩側面長時間受到太陽暴曬，與其他部位相比溫度明顯較高，可能因熱量不均導致裂縫。（4）安裝預制梁或板。若在焊接過程中出現不規范的焊接行為，就可能導致構件周圍的混凝土出現燒傷、開裂等情況，可能達到或超出荷載應力范圍時，引發裂縫，這也是橋梁設計與施工中應當重點關注的內容之一。

2.3 材料因素

混凝土中的原材料包括水泥、骨料、砂、外加劑、拌和水等，若混凝土的配制材料質量較差，則會進一步加劇裂縫的形成，例如，水泥中的氧化鈣超標、氧化鈣凝結時出現較慢的水滑現象、混凝土凝結后仍出現水化反應、已固定的混凝土受到破壞等。當水泥中的含堿量較高時，與堿活性骨料混合后，可能引發堿硅反應。施工過程中，若使用的是較小、級配不好且空隙率較大的砂石，會導致水泥、拌和水的用量增加，而水分過多會導致混凝土的強度下降，甚至威脅個混凝土結構的質量。若拌和水和外加劑中含有較高的氯化雜質，可能會引發鋼筋銹蝕等情況，這也是混凝土裂縫出現的重要因素之一。

2.4 鋼筋銹蝕

鋼筋一旦鋼筋出現銹蝕問題，就會對公路橋梁的梁箱結構造成嚴重的影響。例如，鋼筋材料受到氣候因素的影響，極易與空氣中的水分形成反應，導致鋼筋表面銹蝕，甚至可能對鋼筋的性能造成損傷，導致后期鋼筋梁箱在銹蝕作用下與周邊混凝土出現脹化，從而形成鋼筋裂縫。此外，在鋼筋混凝土的結構中，小裂縫可能導致氯化物滲透，進一步加劇鋼筋的銹蝕，導致鋼筋鋼韌性下降，對橋梁的承載穩定性產生嚴重威脅。

2.5 施工工藝

公路橋梁施工建設中不同施工工藝的應用，也可能引發施工裂縫等質量問題，例如，在混凝土攪拌振搗施工中，因工藝選擇不合理，振搗不均勻而導致混凝土硬化后出現蜂窩、空洞問題；在混凝土澆筑過程中，因環境、施工人員等因素帶來的澆筑空缺，待硬化后出現不同程度的裂縫問題；在澆筑過程中，未能充分攪動，澆筑速度過快，引發混凝土結構密實度降低，也可能出現塑性收縮裂縫；在后期路橋混凝土澆筑養護中，未做好溫度、濕度管養保護，特別是季節差異下溫度變化，從而導致收縮裂縫。

3 公路橋梁混凝土裂縫預防策略

3.1 設計預防策略

為了預防混凝土裂縫的出現，設計人員在對公路橋梁進行設計時，應注重以下3 個方面：（1）重視對公路橋梁耐久性的設計。應對施工現場環境進行分析，了解施工地區的環境與氣候變化情況以及公路橋梁的需求、功能性要求等，收集數據后分析可能影響后期施工的相關因素，并采取針對性的干預措施，盡量避免影響因素的出現。（2）重視設計質量控制。公路橋梁前期的設計質量與后期的施工、運營、使用有著密切聯系，因此，必須重視前期設計的質量控制與措施落實。應對各個系列的設計參數進行驗證與校準。靈活運用創新理念與思維，在對設計論證的過程中通過先進的設備繪制出精確的設計圖紙，評估圖紙的可行性，為后續的工序奠定基礎。（3）合理選擇設計方案。在對公路橋梁進行設計時，要從不同的角度設計多種方案，并在選擇方案的過程中進行二次優化。

3.2 施工預防策略

3.2.1 施工人員管理

施工人員是公路橋梁施工的基礎載體，因此，對施工人員進行有效管理是保證公路橋梁施工質量的關鍵。施工單位應根據施工現場的人員分配情況建立專門的人才儲備庫，并對人才的類型進行分類，例如，施工技術庫、機械設備庫、財務庫等，并根據每個庫內人員的情況制定針對性的崗位培訓與考核制度，保證施工隊伍人員的綜合素質與專業技能達到工程需求，從而縮短施工時間，提高工程質量。

3.2.2 施工溫度管理

溫度會對混凝土內外部造成嚴重影響，是導致混凝土裂縫的主要因素之一，因此，施工現場應重視對施工溫度差的控制。應在攪拌時控制混凝土的溫度變化，若混凝土內部溫度較高，應當及時采取針對性的降溫措施，盡量選擇在秋季進行施工，從而避免氣溫過高或過低對混凝土造成的影響。如果必須要在低溫環境下進行施工，可以用清水冷卻碎石的溫度，從而降低混凝土澆筑溫度，避免混凝土出現凍脹現象。在溫度較高的夏季進行施工時，可以適當縮小混凝土澆筑的厚度，或在公路橋梁主體中設置管道，通過冷水循環流動的方式對混凝土主體進行散熱，從而降低混凝土內部的溫度，避免混凝土在高溫下出現膨脹現象，維持混凝土結構的穩定性，避免出現裂縫。此外，在施工中，還應當合理規劃混凝土澆筑的厚度，控制拆模時間，進一步降低溫度對混凝土施工質量造成的負面影響。

3.2.3 施工工藝管理

1）模板施工時，應以鋼制模板為主，這種材料的模板不僅成本低，且接頭部位采用裝配件進行組裝并連接，穩定性較強。模板頂面應與混凝土構件上頂面保持一致，當出現參差不齊的情況時，可通過水泥漿進行填補調整。

2）在對混凝土進行澆筑前，應先對模板的相關參數進行檢查，包括間隔縫隙、高度、潤滑度、支撐穩定性、基層平整性、潤濕情況等。采用混合料進行混凝土澆筑時，應先通過振搗棒操作20 s 左右，移動間隔應控制在作業范圍內的1.5 倍，并保證與模板、鋼筋處于有效范圍，避免機械振搗不當可能引發的干擾性碰撞。混凝土混合料經振搗作業后應觀察其平整度，若發現有不平整的部位應及時進行修補，修補時以混合料原漿為主。進行人工找平時，要保證構造物表面有5～6 mm 的砂漿膜層，若人工找平后發現構造物與模板之間仍存在較大的高度差，應適當填補原構件混合料，進行二次找平作業，直至高度差達到工程設計標準。表面整修也是施工工藝管理中的重要環節之一，在對構件表面找平時，每次要與同平面接茬部位采用搭茬處理方式。粗抹是整修的首要步驟，應采用正規的儀器進行檢測，獲得參數后，遵循“高處抹平、低處填補”的原則進行施工，施工后再通過儀器進行核實，觀察平整度是否符合工程的規范要求。此外，混凝土的養護和拆模與混凝土裂縫的發生也密切相關，對混凝土構件進行養護時應以濕法養護為主，選擇符合規范的水源進行作業。若施工現場存在強風、高溫等異常天氣時，施工現場應對已覆蓋的構件物進行二次加固，保證覆蓋率符合工程的相關規范。當養護作業檢查符合規范后，后續拆模時應遵循“先上后下、先整體后局部”的原則，對已拆除的模板應及時進行打磨、防銹等處理，避免模板磕碰受到損傷，影響后續施工的使用。

3.2.4 施工分配管理

施工企業應選擇企業內部優秀的管理人才與施工技術人員共同建立施工團隊，并重視隊伍中協同理念的培養，不斷優化施工流程。在各個施工流程中，通過對隊伍的組織建設合理控制工期，重視對人員的管理，保證工程的施工質量。施工企業要根據工程的特點對設備、物資、資金進行合理分配，重視機械廠區內的保養、維修等服務，避免設備因維護不當引發的一系列問題，保證施工的正常進行。施工現場所用的物資、設備應按批次逐步入場，委派專人進行管理與監督，尤其是資金的調配力度，保證重點施工環節與工序正常進行，從而進一步提高施工的質量，避免混凝土裂縫的出現[3]。

4 結語

公路橋梁工程對推動地區經濟發展發揮著重要作用，特別是交通運輸量的不斷增加，對公路橋梁工程質量提出了更高的要求。混凝土裂縫是目前公路橋梁設計與施工中的重點問題之一，針對公路橋梁裂縫問題，應全面分析公路橋梁工程設計與施工過程中的影響因素，深入探究裂縫原因，采取裂縫防治措施，提高公路橋梁工程的安全性和穩定性，消除公路橋梁裂縫隱患，推動我國公路橋梁工程快速發展。