桥梁混凝土裂缝的成因、预防及处理方法

吴 坚，赵 艳

(中国水电工程顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072 )

1 前 言

近年来，随着我国经济的进一步发展，交通基础设施建设得到迅猛发展，各地兴建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和使用过程中，因出现裂缝而影响工程质量甚至导致桥梁垮塌的报道屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”，经常困扰着桥梁工程技术人员。其实，如果采取适当的设计和施工措施，很多裂缝是可以克服和控制的。

2 裂缝的种类和成因

混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，各因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的原因。混凝土桥梁裂缝的原因，大致可分以下7种：

2.1 荷载引起的裂缝

混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝称为荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

2.1.1 直接应力裂缝

是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。产生的原因主要有：

(1)计算设计阶段。不计算或漏算部分荷载产生的结构应力；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够。在结构设计阶段未考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。

(2)施工阶段。不适当地堆放施工机具、材料。在施工过程中有些施工单位在梁板起吊时在梁板的顶板上堆放施工用的钢筋等材料,借助梁板的顶板来运输钢筋等材料,同时在施工过程中,由于受预制场地限制,在预制好的梁板上堆放钢筋笼等;不了解预制结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序或结构受力模式；未对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

(3)使用阶段。超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。

2.1.2 次应力裂缝

是指由外荷载引起的次生应力所产生的裂缝。裂缝产生的原因有：

(1)在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥的拱脚设计时常布置“X”形钢筋、同时削减该处断面尺寸。理论计算该处不存在弯矩，但实际该铰仍需抗弯，以致出现裂缝。

(2)桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，“力流”将产生“绕射”现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头。而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。

实际工程中，次应力裂缝是荷载裂缝中最常见的一种。次应力裂缝多与张拉、劈裂、剪切有关。次应力裂缝也是由荷载引起，按常规一般不计算。但随着现代计算手段的不断完善，对次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算，但在以前却比较困难。

2.2 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质。当外部环境或结构内部温度发生变化时混凝土将发生变形。若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝的特征主要表现为表面裂缝的走向一般无规律性,深层或贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行,裂缝宽度大小不一,受温度变化的影响热窄冷宽。表面温度裂缝出现在现浇混凝土1～2d之间,深层温度裂缝与贯穿温度裂缝常出现在浇筑混凝土21d后。温度裂缝区别于其他裂缝最主要的特征是随温度变化而扩张或合拢。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。

2.3 收缩引起的裂缝

在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和失水收缩(干缩)是发生混凝土体积变形的主要原因。另外还有自生收缩和炭化收缩。

(1)塑性收缩。发生在混凝土浇筑后4～5h左右。此时水泥水化反应剧烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩；同时，骨料因自重下沉。因此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。塑性收缩量级很大，可达1%左右。骨料在下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的振捣；下料不宜太快，振捣要适当，竖向变截面处宜分层浇筑。

(2)失水收缩(干缩)。混凝土结硬以后，随着水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为干缩。因混凝土表层水分损失快、内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩。表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当拉力超过其抗拉强度时，便产生裂缝。混凝土硬化后的收缩主要就是干缩。配筋率较大的构件(超过3%)，钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹。

(3)自生收缩。自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应。这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的(即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土)，也可以是负的(即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土)。

(4)炭化收缩。系大气中的二氧化碳与水泥的水化产物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩在湿度50%左右才明显发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加快。炭化收缩一般不做计算。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有规律。

2.4 地基基础变形引起的裂缝

由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。地基变形引起的裂缝常出现在钢筋上方、结构变化处,并且常出现在混凝土浇筑10min到3h内。基础不均匀沉降的主要原因有：地质勘察精度不够、试验资料不齐；地基地质差异太大；结构荷载差异太大；结构基础类型差别大；分期建造的基础；地基冻胀；桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降；桥梁建成以后，原有地基条件变化。

2.5 钢筋锈蚀引起的裂缝

由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜破坏。钢筋中铁离子与侵入混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀使钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。

2.6 冻胀引起的裂缝

混凝土构件是非匀质密实构件,其内部存在各种空隙,当处于吸水饱和状态的混凝土温度低于0℃时,内部水分冻结,体积膨胀9%,使混凝土因膨胀而产生拉应力导致裂缝出现。冬季施工时,对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施,也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。温度低于0℃和混凝土吸水饱和,是发生冻胀破坏的必要条件。另外,当混凝土中骨料空隙多、吸水性强；骨料中含泥土等杂质过多;混凝土水灰比偏大、振捣不密实;养护不足使混凝土早期受冻等；均可能导致混凝土冻胀裂缝。

2.7 施工工艺质量引起的裂缝

在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异。

3 裂缝的预防措施

混凝土裂缝一般是由于混凝土内部应力和外部荷载以及温差、干缩等多方面因素作用下形成的。对桥梁结构,一般裂缝宽度超过0.1mm就会影响结构构件的耐久性、安全性,因而在设计和施工、用料中宜采取可行、合理的措施对裂缝进行有效控制。

3.1 设计方面

设计中应尽量避免结构断面突变带来的应力集中,如因结构构造或造型方面原因所限时,应充分考虑采用加强措施。积极采用补偿收缩混凝土技术,重视对构造钢筋的认识,特别是薄壁构件更应注意构造钢筋的直径和数量的选择等。

3.2 施工方面

混凝土浇捣:浇捣时,振捣棒要快插慢拔,根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间,避免过振或漏振,应提倡采用一次振捣、一次抹面技术,以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。

混凝土养护:在混凝土裂缝的防治工作中,对新浇混凝土的早期养护工作尤为重要,以保证混凝土在早期尽可能少产生收缩。养护期间主要是控制好构件的湿润养护,养护时间为14～28d。

3.3 材料方面

根据结构要求选择合适的混凝土强度等级及水泥品种，尽量避免采用早强高的水泥；选用级配优良的砂、石原材料,含泥量、含碱量应符合规范要求；积极采用掺合料和混凝土外加剂,掺合料和外加剂可以明显地起到降低水泥用量、降低水化热、改善混凝土的工作性能和降低混凝土成本的作用；配合比设计人员应深入施工现场,依据施工现场的浇捣工艺、操作水平、构件截面等情况,合理选择混凝土的设计坍落度,针对现场的砂、石原材料质量情况及时调整施工配合比,协助现场搞好构件的养护工作。

4 裂缝的处理措施

裂缝一经发现,就要对裂缝产生的特征、原因、大小、部位、发展形态及对结构的影响程度等方面进行分析,并及时进行处理。针对不同的裂缝,采取相应的处理措施,避免裂缝继续扩大。当裂缝对结构的承载力有大的影响时,必须进行加固、补强;当影响结构的耐久性、防水性能、观感质量时,视具体情况修补、修复。修补的方法一般有以下四种：

4.1 表面处理法

包括表面涂抹和表面贴补法。表面涂抹法适用范围是浆材难以灌入的细而浅的裂缝、深度未达到钢筋表面的发丝裂缝、不漏水的裂缝、不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝。表面贴补法(木工膜或其他防水片)适用于大面积漏水(蜂窝麻面等或不易确定具体漏水位置、变形缝)的防渗堵漏。

4.2 填充法

用修补材料直接填充裂缝,一般用来修补较宽的裂缝(0.3mm),作业简单,费用低。宽度小于0.3mm、深度较浅的裂缝，以及小规模裂缝的简易处理可采取开V形槽,然后作填充处理。

4.3 灌浆法

此法应用范围广,从细微裂缝到大裂缝均可适用,处理效果好。

4.4 结构补强法

因超荷载产生的裂缝、裂缝长时间不处理导致混凝土耐久性降低、火灾造成裂缝等影响结构强度时,可采取结构补强法、锚固补强法、预应力法等处理措施。

5 结束语

混凝土桥梁裂缝是桥梁建设中容易产生和难以防范的一个重要问题,如处理不当,将直接影响桥梁的工程质量,并有可能导致严重的后果。桥梁裂缝成因复杂、多样,必须具体问题具体分析,正确把握问题的实质,在各个环节,合理采取相应对策加以防治。桥梁从建成到使用，牵涉到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。由上述可知，设计疏漏、施工低劣、监理不力，使用不当均可能使混凝土桥梁出现裂缝。只要有针对性地采取控制裂缝的措施，就能防患于未然，收到良好的效果。因此，严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理，是保证结构安全耐用的前提和基础。在使用中加强巡查和管理，及时发现和处理问题，也是相当重要的一个环节。

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[2] 中国建筑工业出版社.现行建筑施工规范大全[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

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