混凝土桥梁裂缝问题分析及预防措施

2011-12-31孙东风

中国新技术新产品 2011年18期

孙东风

（青藏铁路公司建管所，青海西宁810006）

1 引言

混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天，混凝土裂缝较为普遍，在桥梁工程中裂缝几乎无所不在，.尽管我们在施工中采取各种措施，，小心谨慎，但裂缝仍然时有出现。究其原因，是我们对混凝土裂缝产生的机理认识不够，没有做到合理的预防和裂缝修补的方法，通过多年的现场观察，查阅有关混凝土内部应力方面的专著，本文详细分析了混凝土桥梁裂缝产生的机理并给出了具体的防治措施。

2 混凝土桥梁产生裂缝的机理分析

混凝土桥梁结构裂缝的成因复杂而繁多，且相互影响，如温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱集料反应），模板变形，基础不均匀沉降等，但每一条裂缝均有其产生的主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类，大致可划分以下几种。

2.1 温度和湿度变化引起的裂缝

混凝土硬化期间水泥放出大量的水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1／10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有(0.6～1.0)×10-4.长期加荷时的极限位伸变形也只有(1.2～2.0)×10-4由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其他外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重萼.

2.2 荷载引起的裂缝

混凝土桥粱在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称为荷载裂缝，分为直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝-如桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，这难以用准确的图式进行计算，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。实际工程中，次应力是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角（倒角），同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。

2.3 收缩引起的裂缝

在实际工程中，混凝土因收缩引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩(于缩)是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和碳化收缩。

2.3.1 塑性收缩

混凝土浇筑后4～5h，水泥永化反应激烈，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，同时集料因自重下沉，因此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。在集料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、箱粱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。

2.3.2 缩水收缩(干缩)

混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩(于缩)。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，致使表面混凝土承受拉力，产生收缩裂缝。

2.3.3 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)。

2.3.4 碳化收缩

大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形后，温度明显高于其他部位，温度梯度呈非线性分布。由于受到新建桥梁时，如分期修建的高速公路左右半幅桥梁，新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结，均可能对原有桥梁基础造成较大沉降。

2.4 施工工艺引起的裂缝

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、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不同而不同，比较典型常见的有：

(1)混凝土保护层过厚或钢筋变形，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

(2)混凝土振捣不密实，不均匀，出现蜂窝，麻面，空洞，是导致钢筋锈蚀或其他荷载裂缝的起源点。

(3)混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇注数小时后发生裂缝。

(4)混凝土搅拌，运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土坍落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。

(5)混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则地收缩裂缝。

(6)混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。

3 预防混凝土桥梁裂缝的措施

通过分析混凝土桥梁裂缝产生的机理，我们可以找到预防混凝土桥梁产生裂缝的相关措施，并能够对已经产生裂缝的混凝土桥梁进行有效的补救，主要的预防和补救措施如下：

(1)要做好模板，支架及各支撑处基础和地基处理。确保其不发生沉降，移位。

(2)U型桥台要控制其填料的抗压强度，并作好台背的防水排水设施，防止填土过湿或排水不良，由于压实不足或冻胀产生裂缝。

(3)在尽可能的情况下，桥梁墩台（尤其高墩）混凝土应一气浇灌，不设施工缝。对墩身不可避免的施工缝要按技术规范要求，凿毛该混凝土表面，用水冲洗，在混凝土浇筑前，对水平缝铺一层2-3cm的1:2水泥砂浆，然后再继续浇筑混凝土。

(4)在混凝土初凝前，进行二次振捣。可有效消除因塑性沉降引起的内分层，改善集料的界面结构，提高混凝土强度。

(5)使用外加剂对减少混凝土开裂的作用为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的耐久性，正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。

(6)混凝土的早期养护对减少混凝土表面裂缝的作用。实践证明，混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是混凝土内部各部分有温度梯度造成的温度应力在混凝土表面形成的裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。

(7)桥墩身的竖向裂缝预防，可从控制温度，改进设计和施工操作工艺，改善混凝土性能等方面入手，可减少水泥用量降低混凝土的入模温度，如避开高温时段施工，对原材料降温处理；降低水泥水化热的温升，如选用低水化热的水泥减少水泥用量等，掺入优质粉煤灰；加快浇筑混凝土的散热，如使用钢模，分层浇筑混凝土，每层不大于30cm，并使温度分布均匀，在大体积混凝土中甚至还可预埋或利用一些管孔道通过冷水或冷风来降温。

(8)加强浇筑混凝土的表面保护。如表面应及时用草席，草袋覆盖，并洒水或蓄水养护。夏天延长养护时间，寒冷季节争取保温措施，保护混凝土表面，特别是薄壁结构延长拆模时间，可延缓降温，使混凝土中心与表面温度差减小，以防急剧降温。