现浇梁裂缝成因分析及预防应对措施研究

徐 镭

（中铁二十一局集团第一工程有限公司 新疆乌鲁木齐 830011）

1 引言

随着国家交通事业的发展，桥梁在交通工程的比例逐渐增大。现浇梁结构由于受力明确、设计简单、施工容易、工期较短，因此在桥梁结构中得到了广泛应用。但是，现浇梁成形后由于混凝土原材料性质、配比，施工方式、养护条件、循环荷载、收缩徐变等因素，常常导致梁出现裂缝。混凝土桥梁结构的开裂问题，一直是工程界最关心的课题之一，因为裂缝的出现涉及到结构外观的破损、钢筋的腐蚀及结构功能的丧失。其中，混凝土水化凝固过程中由于内外温差而形成的温度荷载和外界环境对混凝土桥梁结构的影响而形成的温度荷载，是混凝土桥梁结构开裂的主要原因之一。早在20世纪50年代，王铁梦、朱伯芳等［1］学者研究了大量的温度应力和裂缝控制的实验研究；王铁梦［2］通过对大量的工程实例统计与总结，针对由于变形而引起的裂缝作了详细的理论实验阐述；清华大学陈肇元教授等［3］在1998年以广州地铁为背景，进行了地下钢筋混凝土结构的抗裂研究，全面分析了施工阶段各种裂缝的成因机理以及控制措施，并研究了设计方面考虑的混凝土裂缝控制方法；寇永大［4］认为底板钢筋缺失、浇筑混凝土不均匀、保护层厚度不足、张拉预应力钢筋时混凝土强度不足是导致底板裂缝的主要原因；新加坡的H.R.Lu［5］认为混凝土抗拉强度取决于许多因素，如配合比、养护条件等，而研究表明拉应变能力是一个相对的常数，不受配合比、养护龄期和抗压强度的影响；瑞典的Mats Emborg［6］认为混凝土结构早期的温度分布、相连结构的温度、早期混凝土瞬时的力学性质和约束条件都是影响混凝土开裂的重要参数。

对于现浇裂缝的处理，许多专家学者进行了相关研究，提出了适用于现场实际的解决办法。为了保证工程质量，必须对现浇梁裂缝引起高度重视，采取必要措施防止裂缝出现，对已出现裂缝的梁要按照科学的方法进行处理［7-8］。

2 现浇梁裂缝的构造特征、类型及发生的原因

2．1 现浇梁裂缝构造特征

在现浇梁施工完成后裂缝出现的构造特征各式各样，主要构造特征包括：（1）沿梁横断面环形或沿纵断面纵向连续的裂缝、斜向（约45°）裂缝、垂直于相交面的短直裂缝（梗肋处），主要由荷载作用、温差作用、钢筋锈蚀作用等引起；（2）锚下混凝土面沿半径方向裂缝或侧腹板纵向裂缝、沿纵向钢筋或沿纵向波纹管走向的裂缝、沿预埋件或预留孔周边的裂缝、纵横相互交错将混凝土切割成块状的裂缝，主要由应力集中、钢筋锈蚀作用、外界环境腐蚀等引起。

2．2 现浇梁裂缝类型

按照裂缝成因，裂缝类型主要有：（1）温度裂缝；（2）收缩裂缝；（3）碱—骨料反应引起的裂缝；（4）施工工艺质量引起的裂缝、施工材料不达标引起的裂缝、周围环境对混凝土侵蚀而引起的裂缝等多种因素组合叠加造成的裂缝。

按照裂缝发生的时间可分为：（1）施工期间出现的裂缝，包括拆模前裂缝、拆模后裂缝、张拉后裂缝、落架后裂缝；（2）使用期间出现的裂缝，包括使用荷载作用、外界环境侵蚀作用出现裂缝。根据裂缝深度有表层、浅埋、深埋、贯穿裂缝。在实际工作中按照处理方法不同还可分为0.05 mm以下裂缝、0.05～0.15 mm的裂缝、0.15～2 mm及2 mm以上裂缝。

2．3 现浇梁裂缝产生的原因分析

2．3．1 温度裂缝分析

温度裂缝可归结为两大方面。一是混凝土水化反应放热造成的裂缝；二是阳光照射引起温度梯度造成的裂缝。此种裂缝大多表现为贯穿性，且较深，影响结构的整体刚度，一般在施工结束几个月后出现。

（1）混凝土水化反应放热造成的裂缝

水泥主要是由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等少量氧化物按比例混合而成的细磨材料。这些材料在和水混合时发生水化反应生成新的化合物，主要有水化硅酸钙、水化铁酸钙胶凝质、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体胶质物，并逐渐凝结、凝固。在水化反应过程中有大量的热量放出，根据文献和实际测量一般都在200～300 J／g范围。热量的产生使混凝土的温度急剧上升，通过实际测量有些可达60～70℃。混凝土拌合物温度按如下公式计算：

其一，混凝土拌和出料温度［9］（T0）

式中，Mw、Mce、Msa、Mg分别为每立方混凝土水、水泥、砂子、石子用量（kg）；Tw、Tce、Tsa、Tg分别为水、水泥、砂子、石子温度（℃）；Wsa、Wg分别砂子、石子含水率（%）；C1为水比热容（kJ／kg·k）；C2为冰的溶解热（kJ／kg·k）。

其二，混凝土绝热温升值［10］（Tx）

式中，Qx为水泥水化热，kJ／kg；W为水泥用量，kg；K为折减系数；F为混合材料用量，kg；C为混凝土比热kJ／kg·k，取值为 0.97；ς为不同的浇筑厚度降温系数，取0.5～0.7；ρ为混凝土密度，2 400～2 500 kg／m3。

混凝土内外产生温度差，形成了内高外低的温度梯度。该温度梯度使混凝土内部产生压应力，而表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。

该裂缝是一种发散不连续的短、曲缝，深度一般较浅，宽度一般在0.1 mm以内。如个别现浇箱梁顶板底面因受到腹板约束，温度裂缝可能表现为连续性线段。温度裂缝通常发生在两个时间段，一是出现在拆模前，即混凝土升温期；二是出现在拆模时或之后，即混凝土降温期。

（2）阳光照射造成的裂缝

当桥梁混凝土现浇—覆盖—养护完成后，便裸露在外。在阳光的照射下，因梁左、右入射角不同，不同高度大气透明度不同，因而混凝土梁在不同空间位置得到不同的光照强度和吸收不相同的光能。吸收光能多的温度较高，使混凝土产生了压应变；吸收光能少的温度较低，使混凝土产生了拉应变。当混凝土拉应变超过极限拉应变时就生成裂缝。另外阳光照射裂缝发生还受到桥梁地址所处地理纬度和桥梁走向两个方面的影响。在我国地域范围内由于这种温差值较小，实际及文献中纯粹阳光照射裂缝极其少见。桥梁规范总结了我国阳光照射温度梯度在最不利情况下最大温差为20℃，该温差造成的拉应变远小于混凝土容许拉应变。虽然阳光照射造成的裂缝出现的几率很小，但在和其它裂缝同时发生时将会促使裂缝加速发展，在实际设计和施工中应予以考虑。

2．3．2 混凝土收缩裂缝分析

混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象。一般分为塑性收缩（又称沉缩）、化学收缩（又称自身收缩）、干燥收缩及碳化收缩。混凝土收缩是化学和物理变化相结合并不断变化的一种自然现象。但裂缝的大小与混凝土本身材料、配比、结构形式、外界条件等因素有关，主要有两种表现形式。

（1）化学收缩、沉缩产生的裂缝。收缩、沉缩裂缝多数发生在混凝土拆模前，缝宽在0.05～0.2 mm之间，为不连续曲线形态。产生的原因为水泥浆体收缩时，粗骨料、构件中预埋件及钢筋限制了水泥收缩，从而出现了裂缝。该裂缝严重时会出现全截面贯通现象。

（2）干燥收缩、碳化收缩裂缝。这两种收缩产生的裂缝基本为同时进行和显现的。缝宽一般为0.2 mm左右，混凝土内外均产生，表现为多条不连续的短曲线。但当收缩受到外界某种因素限制时，如模板摩擦力、箱梁腹板对顶板横向限制、两次浇筑混凝土收缩差等，则可能出现短曲线相互连接形成较长的裂缝。该裂缝在拆模后较长一段时间内都有可能出现，产生原因为混凝土中的张力水（附着水）、毛细管水、碳化生成水在外界气候条件影响下发生蒸发形成空管，从而混凝土内出现负压产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，裂缝显露。另外，当多个空管出现联通则可能发生较为严重的裂缝。

2．3．3 碱骨料反应裂缝分析

碱骨料反应裂缝形成是混凝土中的水泥在水化过程中释放出碱性氧化物，与含有活性二氧化硅的骨料如蛋白石、燧石等进行化学反应，生成硅酸盐，这种物质吸水后体积发生膨胀，从而造成混凝土开裂。发生碱骨料反应或MgO的水化反应，生成膨胀性的凝胶，造成混凝土膨胀开裂，形成多为网状或不规则裂缝。此类裂缝往往在结构竣工几年后才出现，因为上述化学反应极为缓慢。

碱骨料反应引起的开裂存在于混凝土内外，并形成网状结构，宽度较大，一般在混凝土浇筑完成一个月后显现，显现后发展较快，造成后果严重，一旦发生很难控制，常被称为混凝土结构“癌症”。为了防止碱骨料反应产生裂缝，可选择粉煤灰替代水泥，使水泥用量减少，同时减少了水化反应的抗裂性，有利于降低混凝土自收缩。碱骨料反应发生应具备三个条件，其一，骨料中具有碱活性物质；其二，混凝土中具有足够的碱物质；其三，工程处在一定湿度条件下。

2．3．4 其它原因产生混凝土裂缝分析

混凝土现浇梁施工中除上述原因可能造成裂缝外，还有可能因混凝土振捣过程出现过振、预应力施工不规范及模板强度刚度不足、连接不牢固或支架变形和基础沉降等原因造成裂缝。

（1）混凝土振捣过程过振造成的裂缝。混凝土入模后捣固目的：其一，是为了充分排出拌合料中的气体及部分水分，使水泥浆及水泥砂浆饱满填充粗、细料空隙；其二，克服模板与拌合料之间及骨料相互之间的摩擦力，使混凝土拌合料能够顺利下沉、密实。操作不规范和过分振捣会使砂浆液化、离析，粗、细骨料下沉，水泥浆上浮，造成上层混凝土骨料含量降低，水泥浆增多，使混凝土空隙率、收缩率增大，从而导致混凝土出现裂缝。该裂缝常出现在混凝土顶层，形成不连续的半月牙状，宽度在0.05～0.2 mm之间。

（2）预应力施工不规范造成的裂缝。在预应力施工中由于波纹管道、锚下垫板预埋不规范，张拉力控制不准确或混凝土强度未达到设计要求，在该情况下施加拉力往往导致混凝土产生裂缝。该裂缝通常出现在锚下垫板周围，是一条沿半径方向走向发散的连续裂缝，裂缝根据实际情况不同有大有小，严重时可造成混凝土局部粉碎、锚下垫板破裂、锚具回缩。

（3）模板强度、刚度不足或连接不牢固造成的裂缝。现浇混凝土梁模板保证了混凝土硬化成形后能够满足构件设计形状的要求，但由于模板强度、刚度不足或连接不牢固，施工中受到混凝土侧压力、捣固力等其它外力作用，模板发生胀模变形，从而造成舱内容积增大，混凝土扩张甚至溢出。该种情况常出现在混凝土浇筑过程中。

（4）支架变形、基础沉降等原因造成裂缝。在桥梁现浇施工中，由于混凝土自重及支架本身重量的作用，支架产生挠度，支墩产生下沉，在支架上正在浇筑的混凝土梁也必然跟随下沉、变形，使梁在竖直面产生弯曲。弯曲造成了梁顶面产生压应力，底部产生拉应力。此时混凝土还处在初凝和终凝阶段，无任何承力强度，在拉力作用下梁底板及部分腹板易出现裂缝，即支架变形、基础沉降裂缝。该裂缝常出现在梁跨中部一段长度内，形成“U”形状态，缝宽在0.2 mm以上。为了克服该种现象，现浇梁支架操作规程以及桥梁设计规范规定挠曲变形不超过4%，基础沉降不超过2 cm。

3 现浇梁裂缝预防及处理方法

3．1 预防混凝土裂缝措施

（1）温度裂缝预防。宜采用粉煤灰水泥或C3A和C3S含量低的低热水泥，尽量减少水泥用量，可掺加高效缓凝减水剂；大体积混凝土可适当掺入块石；夏季在拌和水中掺冰屑并对骨料进行喷水冷却；加强混凝土养护，做好表面保温措施。

（2）收缩裂缝预防。掺加高效减水剂、泵送剂以尽量降低用水量；施工时，下料不宜过快，并振捣密实；尽量使用C3A含量低的水泥。

（3）施工、腐蚀等其他裂缝预防。施工时严格按照施工规范进行，消除或降低混凝土中MgO等物质的含量。

3．2 混凝土裂缝处理措施

混凝土裂缝处理，是指采用科学的方法对混凝土裂缝进行修复技术。裂缝处理前需用科学的手段进行检测。检测内容：一是裂缝位置、形态、宽度、深度，判断其性质及危害性；二是对构件强度进行检测判断是否满足要求；三是对混凝土内钢筋确定位置、根数和锈蚀程度；四是检测碳化程度及深度［11-12］。根据检测结果评判结构安全及耐久性，提出科学的处理方法。

（1）动力渗透法。将树脂涂刷到混凝土表面，沿裂缝形成围堤，使树脂渗入裂缝内，起到粘合和封堵作用，适用0.1 mm以下裂缝。

（2）真空渗入法。将裂缝表面密封，抽去空气，再在大气压力下将封堵粘结料灌入裂缝孔隙中，适用于0.2～0.5 mm裂缝。

（3）灌浆法。利用压力设备或弹性补缝器将封堵粘合料压入混凝土裂缝孔隙中，适用裂缝范围较广。

（4）填充法。该法首先是沿裂缝开凿出“V”字形槽口，然后用修补砂浆或其他粘合材料填充。适应于0.1～0.3 mm宽并且深度较浅裂缝。

4 总结

裂缝是混凝土施工中出现较为普遍的一种工程缺陷，至今为止仍然是工程界的尖端课题。裂缝产生的原因很多，产生裂缝后不要盲目处理，应分析产生裂缝的根本原因，具体问题需具体对待，找到原因后对症下药才能标本兼治。本文所提出的裂缝处理方法简单可靠，对现浇混凝土梁裂缝的预防和控制都取得明显效果，同时为其他工程实践中现浇混凝土构件裂缝的预防和控制提供一定的借鉴和参考。