混凝土桥梁裂缝的成因及预防处理措施

随着经济的高速发展和国家交通基础建设规模的日益扩大，各地兴建了大量的桥梁。混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状并且耐火性好、不易风化、养护费用低，成为当今世界桥梁结构中使用最广泛的建筑材料。但混凝土的主要缺点是抗拉能力差，容易开裂。混凝土桥梁的开裂可以说是多发病，经常困扰着桥梁工程技术人员。

1 混凝土桥梁裂缝的成因

造成混凝土桥梁出现裂缝的原因比较复杂，同时受材料、施工、使用环境及结构设计等一种或多种因素的影响。裂缝种类繁多，不同的裂缝对桥梁的危害各有轻重。正确地分析裂缝出现的原因，是克服和控制裂缝、保证桥梁正常使用的关键。以下根据其成因，分析混凝土桥梁裂缝的几种主要分类。

1.1 载荷裂缝

主要分直接应力裂缝和次应力裂缝。直接应力裂缝是指混凝土桥梁在外载荷引起的直接应力产生的裂缝，次应力裂缝是指混凝土桥梁由外载荷引起的次生应力产生的裂缝。

1.1.1 直接应力裂缝产生的原因

1）设计计算阶段。结构未计算或漏算；结构计算模式和实际受力不符；结构安全系数不够；设计未考虑施工的可能性；钢筋设置偏少或布置错误；构造设计不合理或结构刚度不足等。

2）施工阶段。随意翻转、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序；未对结构做施工机具振动等条件下疲劳强度验算。

3）使用阶段。超过设计载荷的重型车辆通行；受车辆、接触及撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等灾害。

1.1.2 次应力裂缝产生的原因

在设计载荷作用下，由于结构物的设计工作状态同常规计算有出入或未考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

1.2 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或内部温度发生变化，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。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。温度裂缝区别其他裂缝最主要因素是裂缝将随温度变化而扩张或合龙。

引起温度变化主要因素包括年温差、日照、骤然降温、水化，蒸气养护或冬季施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均。试验研究表明高温下的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降。其中日照和骤然降温是导致混凝土桥梁温度裂缝的最常见原因，尤其对大体积混凝土桥梁施工中的温度监控，是控制温度裂缝产生的关键。

1.3 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，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因：

1）地质勘查精度不够、试验资料不准；

2）地基地质差异太大；

3）结构载荷差异太大；

4）结构基础类型差别太大；

5）地基冻胀；

6）桥梁基础基于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降；

7）桥梁建成以后，原有地基条件变化。

1.4 收缩裂缝

在混凝土桥梁实际工程中，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，塑性收缩和缩水收缩（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。研究表明，影响混凝土收缩裂缝的主要因素有水泥品种、强度等级及用量；骨料品种；水灰比；外掺剂；养护方法；外界环境；振捣方式及时间。

具体来说，矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高，普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥强度越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大且发生收缩时间越长。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小，含水量大收缩大。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长，则混凝土收缩越小。蒸气养护方式比自然养护方式的混凝土收缩要小。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝土收缩越快。机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。

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，形状没有任何规律。

1.5 冻胀裂缝

大气气温低于0℃时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失可达30%～50%。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。

1.6 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CO2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到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，混凝土中钢筋的锈蚀主要是电化学过程。其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约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。由于锈蚀，使得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他形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀导致结构破坏。

1.7 施工裂缝

施工材料质量引起的裂缝。混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。

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、横向等各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现裂缝。

裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生原因而异，比较典型且常见的如下几种。

1）凝土振捣不密实、不均匀、出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或形成其他载荷裂缝的起源点；混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低在硬化前因混凝土振捣不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，即缩性收缩裂缝。

2）用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量或因其他原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，混凝土表面出现不规则裂缝。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）施工时模板刚度不足，在浇筑混凝土时产生与模板变形一致的裂缝；施工时拆模过早，混凝土强度不足，使得构件在自重或施工载荷作用下产生裂缝；施工前对支架基础压实不足或支架刚度不够，浇筑混凝土后支架不均匀下沉，导致混凝土出现裂缝。

4）钢筋混凝土保护层过厚或乱踩绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的钢筋保护层加厚，导致构件的有效高度减少，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

5）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，即塑性收缩裂缝。

6）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。

7）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的收缩裂缝。

8）施工时拆模过早，混凝土强度不足，使得构件在自重或施工载荷作用下产生裂缝。

9）装配式结构，在构件运输、堆放时，支撑垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠撞，吊装时吊点位置不当而引起结构裂缝。安装顺序不正确，导致结构产生裂缝等。

2 混凝土桥梁裂缝的预防及处理措施

如何采用合理方法进行预防，以控制混凝土桥梁裂缝的产生及提高耐久性，满足设计和使用要求，这是混凝土桥梁工程中的关键性问题之一。在实际工程中，可以通过以下措施来预防和控制混凝土桥梁裂缝的产生。

在施工前应加强原材料的检验、试验工作，选择合适的水泥，严格控制好水泥用量、骨料级配、含泥量等，选择适当的外加剂和合适的配合比。

施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣、抹压、养护，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时加强初凝前的抹压，可以消除初期裂缝并可提高混凝土的抗拉强度；同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其他存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重；要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度；施工中严格按照方案及交底的要求指导施工，明确分工，责任到人，加强计量监测工作，定时检查并做好详细记录，认真对待浇铸过程中可能出现的冷缝，并采取措施加以杜绝，在实施的过程中，必须严格根据施工方案落实到位。

采取以下几方面措施控制温度，减轻温度应力的影响：

1）拌和混凝土时用水将碎石冷却以降低混凝土的浇注温度；

2）夏天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；

3）在混凝土中埋设水管，通入冷水进行内部降温；

4）严格控制混凝土的入模温度；

5）控制好拆模时间，气温骤降时进行表面保温，避免混凝土表面产生急剧的温度梯度。

如果混凝土桥梁结构已经产生了裂缝，桥梁结构会出现渗水、钢筋锈蚀、混凝土剥离等现象，严重影响混凝土的耐久性和适用性。由于桥梁直接受到车轮载荷的影响，一旦开裂容易迅速恶化。因此对混凝土桥梁出现的裂缝，更应尽早发现，尽量提前进行适当的修补处理。主要可通过表面处理法和填充法、灌浆法、结构补强法、锚固补强法、预应力法等方法来解决处理。

3 结语

混凝土裂缝在实际桥梁工程中造成的影响很大，如何预防和处理混凝土桥梁裂缝一直是困扰桥梁建设者的一大问题。一座桥梁从建成到使用，涉及设计、施工、监理、运营管理等各方面，任一方面管理不慎都可能使混凝土桥梁出现裂缝。由上述可知，设计疏漏、施工低劣、监理不力，均可能使混凝土桥梁出现裂缝。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。在运营管理过程中，进一步加强巡查和管理，及时发现和处理问题，也是相当重要的环节。