预制桥梁T梁开裂分析、处理及预防研究

宋显义

（中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都610000）

0 引言

T 梁指的是横截面为“T”型的桥梁，这也是我国桥梁建设中应用最广泛的一种桥梁横截面结构，通常有20m 与30m 两种类型。T 梁是桥梁工程的重要构件，也是最复杂的一道施工工序，涉及场地的选择、混凝土的采购、钢筋模板的搭建与安装等环节，任何环节出现问题，都可能影响T 梁的施工质量，并为裂缝病害埋下隐患。裂缝集中分布在铰缝周围，具有一定的规律性。主流观点认为，裂缝的出现和铰缝的抗剪能力差密切相关。因此，常通过翻新桥面的方式维修和加固，但经过翻新施工后，T 梁还可能再次开裂。所以，需要详细分析T 梁裂缝形成的原因，并根据不同的成因采取有针对性的处理措施。

1 桥梁T 梁裂缝病害类型

1.1 受力裂缝

T 梁受到荷载与恒载影响所形成的裂缝叫做受力裂缝。通常情况下，荷载越大，裂缝越严重，甚至还会给T 梁的结构造成破坏。

首先，T 梁跨周边的梁底受拉区域出现横向裂缝，继而扩张至两侧腹板，形成竖向裂缝。

其次，T 梁腹板出现斜裂缝，裂缝主要在支点周围到1/4 跨之间的范围内，斜裂缝也是因为车辆荷载的影响而形成的，靠近支点的位置剪力大且弯矩小，由于混凝土的抗拉强度无法承受主拉应力，导致腹板部位形成弯剪裂缝[1]。

1.2 锈蚀裂缝

如果混凝土质量未达到施工要求，或者保护层过薄，那么在二氧化碳的侵蚀下，混凝土就会出现碳化，并一直达到钢筋表面，从而降低钢筋混凝土的碱度，破坏钢筋表面的氧化膜。钢筋中的铁离子与混凝土中的水、氧发生反应后，会产生氢氧化铁，即锈蚀物，其体积甚至达到了原本的2～4 倍，最终导致混凝土产生膨胀应力，使保护层出现裂缝。因锈蚀而形成的裂缝，主要集中在主筋周围，并沿着主筋向水平纵向的方向延伸，严重危害钢筋混凝土梁，降低钢筋和混凝土的黏结度，导致钢筋应力突然增加，最终使钢筋遭到破坏。

1.3 温度裂缝

当混凝土内部温度与外部温度相差较大时，混凝土便会因为温差而出现变形，并形成内部应力。在混凝土的抗拉强度无法承受内部应力时，温度裂缝由此形成。日照、蒸汽养护、骤然降温、冬季施工不当等因素，都是导致混凝土出现温度裂缝的主要原因。

1.4 施工不当引起的裂缝

1.4.1 混凝土保护层太厚或钢筋变形，增加了承受负弯矩受力筋保护层的厚度，降低了混凝土构件的有效高度，在与受力钢筋相互垂直的位置，就可能形成裂缝。

1.4.2 混凝土的振捣不充分、不均匀，会出现空洞、蜂窝面、麻面等现象，引起钢筋锈蚀或荷载裂缝。

1.4.3 养护混凝土的早期阶段，环境湿度不足，混凝土与空气接触后，就会形成不规则的裂缝。

1.4.4 过早的拆除施工模板，导致混凝土强度不满足施工要求，在自重者施工荷载的影响下，混凝土构件出现裂缝。

1.5 收缩裂缝

在混凝土凝固、收缩的情况下，梁体上会形成裂缝。T 梁的收缩裂缝通常是因为干缩、自动缩、碳化收缩等多种因素的共同作用而产生的。常见的收缩裂缝有两种，一种是T 梁的腹板半高处出现的枣核裂缝；另一种是T 梁腹板表面出现的无规律网状裂缝。

2 桥梁T 梁裂缝的形成原因

混凝土之所以会出现裂缝，最主要的原因有二：一是荷载作用；二是间接作用。施工过程中出现的裂缝，通常是间接作用造成的，即混凝土内部形成宏观拉应力，并和混凝土的抗拉强度相互作用，最终导致裂缝的出现。施工方式产生的活荷载与以下因素有关：温度或湿度变化、混凝土的水化和养护、张拉台座对T 梁的约束作用等。

首先，分析混凝土结构。用低水灰比浇筑而成的高强混凝土初凝后，由于水泥的水化而持续消耗混凝土内部的游离水，使得混凝土结构越发干燥并自发收缩，在环境湿度小于混凝土内部湿度的情况下，混凝土内孔的水分便会转移到外部环境中，最终因内部水分不足而形成裂缝。这种情况下，混凝土的收缩一方面来自早期收缩，另一方面来自干燥收缩，二者的收缩程度和混凝土初期的孔结构有关。

其次，分析混凝土浇筑后的情况。水泥水化过程中产生的大量热量，会让混凝土内部在温差的影响下出现热收缩。因为混凝土被约束，温差变化会引起混凝土冷热收缩，只有在开裂后，才会以应变的方式表现出来。开裂前，只是在混凝土的内部产生拉应力，且这种拉应力会受混凝土弹性模量的影响。作为一种弹塑性体，混凝土具有徐变性特征，持续的应力作用会让混凝土逐渐松弛，使其内部因收缩而形成裂缝，且裂缝会逐渐向外扩散。随着龄期的延长，混凝土的弹性模量与收缩程度越来越大，混凝土内部出现的拉应力也会增加，由此加速了混凝土裂缝的形成速度。不过，随着龄期的延长，混凝土的应力松弛能力与抗拉强度也会随之增加，可以在一定程度上抑制裂缝。

以上便是T 梁开裂的基本原理。根据T 梁的设计方案、施工材料、施工技术，并结合混凝土与裂缝的检测结果，不难发现，如果施工材料符合品质要求，裂缝也就不存在无规则的网状特点。所以，可以将水泥安定或碱骨料反应而引起的裂缝排除在外。张拉台座地基采用C25 钢筋混凝土，经过反复压实后，在场地排水通畅的情况下，也可以将台座不均匀沉淀引起的裂缝排除在外。施工过程中也不会产生导致开裂的活荷载。基于以上情况分析可知，T 梁裂缝就是混凝土的收缩裂缝，干燥与温度是引起收缩裂缝的主要原因[2]。

2.1 边界约束

混凝土只有在受到约束的状态下，才会产生拉伸应力。当拉伸应力大于混凝土的抗拉强度时，便会出现干燥收缩与温度裂缝。受到混凝土收缩应力、温度应力的共同影响，T 梁混凝土会出现变形。因T 梁混凝土和底模混凝土的摩擦系数μ≥0.4，在摩擦力的作用下，梁体结构无法自由变形，梁体中间是固定的，只有两侧可以被拉伸。因此，梁跨中最薄弱部位的混凝土便会产生有规则的裂缝。

2.2 温度收缩

浇筑混凝土后，水泥因持续的水化而产生大量热量，导致混凝土内部结构温度提高，在和外部进行热交换后，混凝土内部温度会逐渐下降，并和周围温度维持相对的平衡。在此过程中，热量会导致混凝土出现收缩变形，在混凝土结构受约束的情况下还会形成拉应力，如果拉应力超出了混凝土的抗拉强度，则会出现温度裂缝。混凝土结构构件在施工现场会受到温度变化、水泥水化热的双重影响。随着混凝土的变化，其热工特性参数也会改变，即使是在同样的环境下，温度发展情况也会不同。混凝土内部大量的水热化无法散发，表面的温度变化速度与内部不一致，继而产生表面裂缝或贯穿裂缝。水泥用量越多、水化热越大；混凝土比热和密度越低，混凝土的水化热绝热温升越高。

此外，水泥细度、类型、介质温度也会影响水泥的放热量和放热速率。混凝土内部温度除了受到水化热的影响之外，还与环境的温度或湿度、材料温度、散热条件等因素密切相关。材料与环境温度越高，散热条件越差，混凝土中心温度就越高；环境温、湿度变化越显著，混凝土内部与外部的温差就越大。大体积混凝土的内部与外部温差通常需控制在25oC 以内，降温速度控制在1.5oC/d 以内。否则，如果降温、保温措施不当，混凝土极易形成温度裂缝。

在充分分析T 梁水泥细度、用量、环境温度或湿度变化、散热条件后可知：其一，水泥用量超过464kg/m3、水泥细度1.1%；其二，施工温度＞30oC；其三，温差在10oC 左右。这三个因素会增加混凝土内部与外部之间的温差，由于T 梁表面和体积的比值较大，在风力较大的情况下，混凝土的温度会迅速下降，从而促进了混凝土的收缩变形，最终形成裂缝。

2.3 干燥收缩

混凝土的抗压试验结果显示，1#～7#T 梁使用的混凝土强度较高，施工过程中测出混凝土坍落度较大。所以，应按照高性能混凝土标准处理。另有研究显示，在收缩性上，高性能混凝土与普通混凝土有相似之处，但二者的早期塑性收缩、干燥收缩、自干燥收缩存在差异。高强混凝土的微观结构特点为大孔少、细孔多、致密性强、孔隙率小。因此，高强混凝土比普通混凝土的早期总收缩率更大、弹性模量更高、徐变变形能力更小，相应的，应力松弛能力也会降低，尽管抗拉强度有一定程度的增加，但增加幅度明显小于抗压强度。因此，在混凝土综合性能的共同作用下，T梁裂缝由此形成。

3 桥梁T 梁裂缝的预防和处理措施

3.1 预防措施

根据上文分析的混凝土材料及其配合比、施工工艺、养护措施等T 梁裂缝的形成原因，对T 梁开裂的预防，可以从以下几个方面着手：

第一，混凝土原材料中，粉煤灰的含量保持在20%左右，推荐使用缓凝型高效混凝土减水剂，维持水胶比在0.33～0.35、取砂率在28%～34%、水泥量在400kg/m3左右、用水量不超过165kg/m3。在试验中确定拌和物的强度与易性，最终确定混凝土材料的配合比。

第二，根据施工条件、环境温度或湿度安排施工时间，最好在温度较低的时间段施工，可避免混凝土温度过高。分层浇筑，每层的浇筑厚度约30～40cm。以排除混凝土孔隙中的气泡，提高振捣的密实度，但也要注意因过度振捣而导致混凝土离析。终凝后，将麻袋覆盖在混凝土表面，并洒水维持湿润度。拆模后，继续用麻袋包裹，并洒水养护，持续14d。

第三，降低T 梁收缩时产生的摩擦力，将3～5mm厚的钢板铺设在混凝土底模，保证混凝土强度满足施工要求，通过对梁体施加预应力，促使混凝土压缩变形，预防开裂。

3.2 处理措施

3.2.1 裂缝修补

（1）开槽法。修补材料的配比如下：环氧树脂∶聚硫橡胶∶水泥∶砂=10∶3∶12.5∶28。修补宽度＞0.5mm的裂缝时可采用该方法。

（2）低压注浆法。通常用于宽度0.2～0.3mm 的裂缝修补。先将裂缝内的杂物清理干净，然后按照试漏—配置注浆液—注浆—再次注浆的顺序修补裂缝，修补完毕后清理表面。

（3）表面覆盖法。在裂缝表面覆盖一层涂膜，修补宽度＜0.2mm 的细小裂缝。

3.2.2 工艺流程

（1）检查并标注裂缝：宽度＜0.2mm 的裂缝，可在表面涂抹聚合物水泥，用以封闭裂缝。聚合物水泥由改性环氧浆液配制而成，然后再加入50g 的525#的水泥搅拌均匀。封闭裂缝后要抹平，以实现表面的平整与美观；宽度≥0.2mm 的裂缝，可在缝隙内灌注胶液，把胶液压入混凝土结构内部的裂缝中，增强混凝土结构的耐久性、抗渗性与强度，让开裂的混凝土构件恢复完整。

（2）钻孔：在裂缝处采取骑缝钻孔的方式，形成沿着裂缝走向的灌浆导向孔。孔径8mm、孔深5cm、孔距35cm。在所有裂缝的交叉部位钻孔，钻孔时应注意不要破坏波纹管。

（3）清孔：使用高压空气将钻孔吹吸干净，保证孔内无灰渣，沿着裂缝按照从上到下的顺序清理周围的灰尘和浮浆，可用的清理工具有手铲、毛刷、小锤、砂纸、钢刷等。整平表面后，再用丙酮擦洗，将裂缝附近的油污清理干净，清孔过程中应注意不要堵塞裂缝。

（4）粘贴灌浆嘴：清理干净灌浆嘴底盘的铁锈，然后使用丙酮擦拭，在底盘附近均匀涂抹一层1～2mm厚的胶泥，对准孔眼，粘贴在裂缝上。结合裂缝的长度与宽度确定灌浆嘴的间距，通常在3.5～4.0cm，宽缝间距宜稀，窄缝间距宜密。每道裂缝至少要有≥1 个进浆孔的排气孔，灌浆孔的孔眼保持对中和导流通畅，灌浆嘴应粘贴牢固，四周抹成鱼脊状，保证完全密封。

（5）封闭裂缝：浆液应该充满混凝土的缝隙，而且又不会大量外渗。为了达到这一目的，裂缝处理完后，还需要使用聚合物水泥砂浆浆液涂刷裂缝表面，涂刷方向为从上到下，涂刷宽度为6～8cm。涂刷两遍后，在裂缝表面贴上宽5～7cm 的玻璃丝布，以封闭裂缝。

（6）压气试验：当封闭带硬化后，再通过压气试验的方式检测封闭带的密封度。将压缩气体的气压维持在0.2～0.4MPa。将肥皂水涂抹在封闭带与灌浆嘴的周围，如果通气后封闭带仍有泡沫，则提示此部位存在漏气，需要再次封闭。如果是竖向裂缝，可按照从下到上的顺序试气；如果是横向裂缝，则更适合从低处向高处试气。

4 结语

综上所述，随着混凝土桥梁工程规模的不断扩大，形成了相对成熟的混凝土的耐久性与安全性理论体系。T 梁裂缝是影响桥梁施工质量、缩短桥梁使用寿命的重要因素。除了严格按照技术标准设计施工方案、选择施工工艺、做好施工管理外，还应全面分析和了解T 梁开裂的具体原因，根据裂缝的宽度和特点合理选择处理措施，及时修补裂缝，消除交通安全隐患，提高T 梁结构的耐久性与稳定性。