浅析预应力桥梁砼裂缝产生原因及防治

陈安

摘 要：本文对预应力桥梁砼裂缝产生的原因进行了深入分析，探讨砼裂缝预防措施，以期作为预应力桥梁砼裂缝防治工作的参考。

关键词：预应力桥梁；裂缝；产生原因；防治措施

预应力桥梁承重结构主要为钢筋混凝土砼结构，裂缝的产生会导致其结构强度降低，会对桥梁使用寿命产生不良影响，甚至会影响桥梁安全性。预应力桥梁砼结构裂缝常见于底板、腹板及顶板等部位，不同部位的裂缝，所形成的形状、产生原因也会有所差异，部分裂缝有方向性，绝大多数裂缝无方向性。导致预应力桥梁砼裂缝的原因较多，大致可以分为内因和外因两种类型，也有可能是内外因共同作用的结果。砼裂缝类型可分为施工质量裂缝、钢筋腐蚀裂缝、地基形变裂缝、收缩裂缝、温度裂缝及荷载裂缝等。本文围绕预应力桥梁砼裂缝产生的原因进行探讨，分析其防治措施。

1 预应力桥梁砼裂缝主要类型

1.1 桥梁预应力裂缝

预应力桥梁砼裂缝可分为几种类型，常见的包括预应力裂缝、温度裂缝及收缩裂缝等。预应力裂缝可表现为纵向裂缝，主要产生于桥梁底部朝纵向预应力筋表面，在端块锚下应力区也可产生裂缝。导致预应力裂缝产生的原因主要为以下两种：（1）环状拉应力导致开裂：砼在张拉过程中，没有达到要求的强度，导致泊松效应作用于锚中局部，从而产生一种横向的环状拉应力，最终致使裂缝产生。（2）泊松效应导致纵向开裂：当泊松效应作用于底板中部时，产生纵向预应力，或在进行桥梁施工时，由于预应力影响，管道附近的砼收缩不够完全，增加了底板横桥向拉应力，致使纵向裂缝产生。

1.2 桥梁温度裂缝

连续箱梁施工的限制性较大，在施工过程中，容易受到各方面的约束，有内部约束，也有外部约束，包括箱梁内部底板、腹板及顶板等截面薄厚约束、钢筋约束、预应力约束及混凝土固结支座约束等。箱梁在受到约束时，砼热胀系数为约束度×砼热胀系数×温差×砼的有效弹模。导致砼温度裂缝的前提为：砼热胀系数大于或等于砼抗拉强度，为了防止砼温度裂缝，应尽量降低砼热胀系数，使其小于抗拉强度，从而降低温差，避免因温度过高引起砼裂缝。砼浇筑后3～5天为温升期，砼在温升期内，可由塑性转变为弹性，砼的有效弹模较小，不会产生温度裂缝现象。但过了温升期，砼的有效弹模会不断增加，到了浇筑后7～20天，应温度影响，会导致裂缝产生。另外，在浇筑连续梁时，悬臂分块中已出现硬化现象的老砼块体，一旦与新浇筑的块体接触，会对其温度变形产生约束，导致新块体出现裂缝。新老砼接触时由于温差影响，导致温度裂缝产生，发生机制简单明了，可通过减小砼浇筑时所产生的温差，来控制温度裂缝，防止温度裂缝现象。

1.3 桥梁收缩裂缝

当混凝土或水泥石中的水分含量逐渐蒸发，会转化成蒸汽消耗掉，这个过程其实就是混凝土和水泥石的干燥过程。水泥石中的水分在蒸发前，可以蒸发水的形式存在于凝胶孔、毛细孔及大孔洞中。砼毛细水及凝胶水蒸发可使砼发生收缩反应，砼收缩时，桥梁体表层局部会因抗拉强度较低，出现裂缝现象。砼凝胶水大幅度较低，是导致沉陷裂缝的主要原因，而毛细水蒸发过度，会导致水分蒸发过多，造成干缩裂缝。

1.3.1 沉陷裂缝产生的原因：梁体水分会随着外界湿度降低而蒸发，湿度越低，蒸发速度越快，当水分蒸发到一定程度时，可导致凝胶失水。胶粒在没有水膜保护的状态下，受到水分引力影响后，胶粒间距会越来越小，从而导致收缩现象发生，最终引起沉陷裂缝。沉陷裂缝通常发生在浇筑后几小时内，因此，在砼浇筑完成后，应做好其养护工作，尤其是梁体顶板的养护工作，防止沉陷裂缝产生。

1.3.2 干缩裂缝产生的原因：砼内会含有一定的毛细水分，当毛细水分含量降低时，毛细管内的压力也会随之增大，并作用于管壁上，当砼内温度降低时，管壁压力也会越来越大，导致砼体积“干缩”现象产生。在正常情况下，箱梁外表与内部的温度会存在一定差异，外表干缩速度与内部干缩速度也会随之改变，与内部干缩速度相比，表面干缩速度较快，因此，当拉应力作用于箱梁外表时，便会产生干缩裂缝。

新砼体干缩速度快于老砼体干缩速度，两者接缝时，老砼体会对新砼体产生约束影响，致使新砼体表面发生新的变化，从而导致接缝干缩裂缝现象，这就是常说的施工缝。施工单位用水量、水泥用量与水泥品种等因素决定了砼体的干缩速度，施工时所采用的水量越大、水泥量越多、水泥颗粒越细，水泥标号越高，砼的收缩越明显，收缩力越大。当砂石以骨架的形式存在砼体中时，会对砼收缩产生抑制作用，砂石捣鼓的密实程度和纯净度会对砼收缩量产生一定影响，密实程度和纯度越高，收缩量越小。

2 预应力桥梁砼裂缝控制措施

2.1 材料选择

想要预防砼裂缝，避免桥梁裂缝产生，应做好砼施工过程中的质量控制，从预应力和箱梁施工方面，全面控制施工质量，做好裂缝防治工作，避免同裂缝产生。

2.1.1 骨料：水泥浆与砂石混合时，不会发生化学反应，采用这两种材料作为砼体骨架材料，可有效减少水化热，避免因水泥浆硬化导致砼体收缩，从而防止裂缝出现。骨架材料是砼体重要组成部分，因此，应采用颗粒级配良好的骨料进行砼施工，避免空隙产生，确保砂石纯净，使其完全与水泥浆融合，尽量减低砂石杂质含量，确保砼体稳定性和耐久性。采用的砂石粒径越大，水泥用水量与水泥使用量越少，砼水化热越低，干缩程度越小。如果砂石的粒径过大，又会增加砼搅拌难度，使砼施工工序变得更加复杂，更加困难，甚至有可能导致离析现象发生。根据这一施工特点，可选择两种级配的骨料，选择粒径为10～25mm的砂石，或选择碎石施工，但应确保其粒径为5～16mm。如采用的砂石太粗，在搅拌过程中，容易出现泌水现象，增加砼搅拌难度；如采用的砂石太细，又会增加砼粘聚性，虽然容易振捣，且利于水分保持，但由于干缩速度较快，其表面会出现干缩裂缝。根据以往的施工经验，在砼施工时，应采用细度模数为2.6～2.9的粗砂作为骨料。

2.1.2 水泥材料：水泥是砼施工的主要材料之一，其品质优劣会对水泥凝胶的使用数量、结构及组分产生影响，同时影响水泥凝胶孔与毛细孔的数量、尺寸及形状等，致使砼体干缩性发生改变。

2.1.3 配合比：砼的配合比指的是在保证经济性的前提下，确保砼的耐久性、强度及其和易性等满足施工要求，合理运用石子、砂子、水、水泥及外加剂等材料，使其比例适宜，以满足砼施工条件。应以砼振捣密实、浇筑均匀作为砼施工前提，尽量减少水量，降低水灰比，用配级良好的骨料，减小拌和温度和坍落度，从而抑制砼干缩反应，避免干缩裂缝出现。

2.1.4 外加剂：箱梁表面会有一定数量的波缝管，且钢筋较为密集，对于砼的和易性和流动性要求较高，必须采用密实剂和减水剂作为外加剂。采用密实剂进行砼搅拌，可以充分连接各层砼，防止施工裂缝现象。减水剂可降低砼搅拌时的水量，提高砼和易性，降低水化热速度，减少水化热量，从而提高砼温度应力，避免砼开裂情况发生。

2.2 提高混凝土抗拉能力

当温度应力大于或等于砼抗拉强度时，可导致砼温度裂缝产生，由此可见，砼抗拉能力越高，其裂缝发生率越小，可通过控制砼抗拉伸变能力，防止砼裂缝。目前，国内对于砼裂缝与砼抗拉性能的研究较少，不够充分，仍有待进一步研究。图1为混凝土受拉应力变化线形图。

从图1可以看出，当混凝土拉应力高于A点时，砼内部会出现微裂缝，且数量逐渐增多，裂缝面积逐渐扩大，当发生塑性变形后，拉应力会逐渐提高，并提高至极限B点（ft），此时，混凝土并不会立即发生裂缝反应，直至拉应力降低至C点，才会出现断裂现象。相关研究指出，决定混凝土最高拉伸度的因素为混凝土强度，除此之外，粗骨料的粒径大小也会影响其极限拉伸度。如果混凝土主料为碎石，那抗拉伸性相对卵石混凝土来说，更强、更好。研究表明，混凝土抗拉性能可随着其骨料粒径的增加而降低。

图1 混凝土受拉应力变化线形图

2.3 控制预应力施工质量

在预应力桥梁建造过程中，预应力施工环节十分关键，其施工质量可对整个桥梁质量产生影响，是决定箱梁承载力的重要工序。施加预应力时，应确保其精度与施工要求相符，在施工过程中，应尽量避免受到不良影响，如施工人员专业水平、张拉机具、弹簧筋、锚下钢筋及锚头砼质量等影响。在预应力施工中，应采取质量控制措施：对油表及千斤顶进行标定处理，确保其工作状态良好；检查钢绞线与锚具的质量，避免因质量问题影响正常施工；严格控制砼张拉时所产生的弹性模量及强度，使其强度大于49.5Mpa；尽量贴近锚垫板与工作锚之间的距离，夹片需拧紧，安装均匀；在卸载或加载过程中，需保持缓慢、平稳的加卸载速度，避免因速度过快导致冲击力过大；根据施工设计顺序进行张拉施工。

2.4 做好箱梁施工质量控制

砼完成浇筑后，必须立即对其进行养生，充分发挥砼的硬化作用，避免出现干缩裂缝。可用水直接淋在砼表面，确保砼体水分充足，保持足够的湿润度，预防砼发生干裂现象，从而出现顶板裂缝。浇筑箱梁时，应保证连续浇筑，先浇筑底板下料，然后再依次浇筑腹板和顶板，按照浇筑顺序进行浇筑，并根据浇筑情况，控制其坍落度。顶板和底板的坍落度需控制在14～16cm范围内，腹板为16～18cm。砼振捣应采用附着式的振捣方式，并同时使用振动棒，设置好振捣动器，附着式振动器两边必须同时振动，在振动过程中，严格控制时间。顶板和底板应选择插入式的振动棒逐步进行捣固，确保布点均匀，注意控制新混凝土与老混凝土接缝处于锚头的振捣力度，避免出现漏振或振捣过度的情况，控制砼施工质量，防止裂缝出现。浇筑梁体顶板部位后，需进行二次收浆，做好抹面拉毛工作，防止开裂、沉陷现象。

3 结语

综上所述，砼裂缝发生机制较为复杂，关系到混凝土施工环境、构性及材性等问题，影响因素较多。在砼施工过程中，不管是温度变形还是干缩变形，两种情况都是相伴发生的，而内部约束出现的同时，外部约束也会以另一种形式存。可见，裂缝的出现是各种因素共同作用的结果。想要防止砼裂缝产生，应控制砼变形的约束条件、抗拉性能及收缩变形大小，通过各种预防措施，避免混凝土出现裂缝。

参考文献

[1] 马金虎.预应力桥梁砼裂缝原因分析与防治措施[J].科技风，2010， 08（10）.

[2] 颜春水.混凝土桥面铺装裂缝成因及防治措施[J].公路交通科技（应用技术版），2010，04（12）.

[3] 毕纯利.混凝土桥梁预应力施工中应重视的问题[J].现代装饰（理论），2011，12（02）.

[4] 林海燕.基于断裂力学的大体积混凝土施工阶段裂缝研究[J].黑龙江交通科技，2014，10（01）.

[5] 常惠宗.公路桥梁施工中混凝土裂缝的原因及对策分析[J].黑龙江交通科技，2014，16（01）.

[6] 刘一强.市政桥梁工程中后张法预应力施工技术探讨[J].广东科技，2014，14（02）.

[7] 王守立.桥梁工程混凝土质量通病防治措施[J].科技风，2010，06（02）.