桥梁混凝土结构典型病害及其成因分析

张翼飞，耿 栋

（1.安徽省公路工程检测中心，合肥 230051；2.桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，合肥 230051）

随着我国经济飞速发展和人们物质生活水平的大幅提升，社会对交通出行的需求日益增长，而且要求愈来愈高。桥梁作为国家道路中的关键性衔接工程，有效促进了地区间的经济交流与合作，加速了区域城市化、国际化进程，促进了人力资源流动和区域产业升级，在地方区域社会与经济发展中具有举足轻重的作用。近年来，我国的桥梁建设数量与日俱增，全国公路桥梁已达90 余万座。目前，我国的桥梁建设在规模、数量及技术难度上，都处于世界领先地位。

随着桥梁存量的不断增加、持续老化及车流量的急剧增长，特别是装运重物车辆的不断增多，危桥数量仍呈现边治边增的趋势，桥梁服役安全状态形势不容乐观。如果不能及时对具有安全隐患的桥梁进行有效排查和维修，这些桥梁就有可能在运营过程中发生坍塌和破损，后果不堪设想，会出现经济损失、行业形象受损、人员伤亡、政府公信力受到质疑和社会反响强烈等。近几十年来国内外桥梁坍塌事故多有发生，如2012 年8 月江西广昌河东大桥垮塌，2012 年5 月湖南平江大桥垮塌等等。国外的桥梁坍塌事故也多有发生，位于美国明尼阿波利斯市，35 号洲际公路，密西西比河大桥，一座建成多年的大桥在2007 年8 月突然发生倒塌。深刻的教训使人们认识到，防止桥梁坍塌事故的发生，需采取积极的手段对桥梁安全实施有效管理。为了保障桥梁的安全服役，采用科学的评估手段、维护对策来保障结构的安全显得格外重要。病害是结构内外部损伤的直接反映，全面了解、掌握病害是对桥梁进行技术状况评定及安全评估的前提。本文对桥梁混凝土结构病害进行统计分析，总结常见典型病害，分析了病害产生的原因及对桥梁结构产生的影响。

1 桥梁混凝土结构典型病害及成因

1.1 收缩裂缝

收缩带来的裂缝是混凝土结构中最常见的裂缝。收缩裂缝往往是纵横交错，呈龟裂状态，多数是表面裂缝，缝宽较小，没有明显规律的形状，如图1 所示。混凝土收缩裂缝形成原因有缩水收缩、塑性收缩、自生收缩和碳化收缩等，其中前2 种容易导致混凝土体积发生变形。塑性收缩是在混凝土浇筑后，水泥水化反应强烈，在混凝土尚未硬化情况下，出现水分急剧蒸发和泌水，造成混凝土失水收缩，称为塑性收缩。塑性收缩所产生量级较大，较常见的有混凝土发生沉降产生沿钢筋方向的裂缝、表面不规则的裂缝及平行于模板移动方向的裂缝。缩水收缩（干缩）是在混凝土结硬以后，随着表层水分蒸发及湿度降低，混凝土内部与表层水分损失速度不均，产生内部、表面不均匀收缩，内部混凝土约束了混凝土表面的变形收缩，当混凝土抗拉强度难以抵抗表面混凝土承受拉力时，便产生收缩裂缝，因此可看出主要影响因素有养护方法、水泥品种、水灰比、骨料品种、外掺剂和外界环境等，尤其是后期养护。自生收缩是水泥与水在混凝土硬化过程中形成的水化反应导致的，其收缩主要与水泥品种有关。碳化收缩是水泥的水化物与环境中的二氧化碳发生反应引起的收缩变形。

图1 混凝土干缩裂缝

1.2 温度裂缝

热胀冷缩是材料具有的一般属性，混凝土也不例外，当结构内部或环境温度发生变化时，如日照、年温差和骤然降温等；另外当混凝土不同部位产生温差，如箱梁内外等，混凝土或多或少将产生变形受到某种约束而形成的应力。当混凝土抗拉、抗压强度不能抵抗这种效应时将产生裂缝。温度裂缝最主要特征是随环境温度变化而发生变化，裂缝可能扩张或闭合，如图2 所示。

图2 温度变化引起的挤压裂缝

1.3 施工材料质量引起的裂缝

水泥、骨料、砂、水及外加剂等组成了混凝土。拌合混凝土采用未检验或不满足规范要求的材料，同样可形成裂缝，如水泥安定性较差等，此类裂缝容易被忽略、混淆，主要特点是在混凝土构件表面具有普遍性。

1.4 蜂窝麻面、露骨、离析、漏浆

毋庸置疑此类病害是混凝土结构常见病害，如图3所示。究其原因主要是由施工工艺水平引起的，有混凝土结构浇筑、构件制作和起模等工序施工控制不严；涉及水泥品种、混凝土配合比控制、振捣、养护不当、模板质量差、运输时混凝土产生离析、模板反复使用未及时清理、分层灌注时违反操作规程及起模时间过早等。当然设计方面构件配筋太密也容易造成混凝土此类型病害。

图3 混凝土蜂窝麻面

1.5 混凝土破损

混凝土破损形成的主要原因与后期施工、运营相关，如吊装或施工机械碰撞、施加预应力梁端受挤压、不同构件接触部位受环境及荷载等影响相互触碰造成，如图4 所示。

图4 施加预应力梁端受挤压破损

1.6 冻胀引起的裂缝

冻胀引起的病害实际上与冻融引起的病害是有较大区别的，俗称混凝土“冻害”。当大气气温低于0 ℃时，混凝土中游离的水转变成冰，出现冰冻体积膨胀，混凝土因膨胀产生应力，导致裂缝出现。如果混凝土初凝时受冻严重，那么成龄后混凝土强度将会损失很大。

1.7 钢筋外露锈蚀、混凝土剥落

钢筋外露是一种常见且明显的混凝土病害，第一种是混凝土质量先天不足，施工质量尤其是保护层厚度施工控制不严，造成混凝土中钢筋外露、锈蚀，一般混凝土脱模后即可发现病害；第二种是顺钢筋方向有纵向裂缝并有锈迹渗出，钢筋锈蚀和混凝土剥落严重，未脱落部分沿裂缝用锤轻击，可发现混凝土脱落，如图5 和图6 所示。众所周知，将钢筋置于混凝土中，之所以能够阻止钢筋生锈，是混凝土在钢筋表面形成的保护膜，因为混凝土具有高碱性，一旦破坏这种碱性环境，保护膜将使钢筋锈蚀、膨胀，主要原因有混凝土碳化及氯离子侵入。当混凝土保护层厚度较薄、裂缝较多时，二氧化碳会渗透进入混凝土保护层，使钢筋周围混凝土碱度降低，钢筋表面钝化膜的破坏，造成钢筋锈蚀混凝土开裂或崩裂，因此碳化深度是钢筋锈蚀检测主要指标之一的原因。当碳化深度接近或超过混凝土的保护层厚度时，钢筋锈蚀的可能性急剧增加。另一种情况是氯离子的侵入，当钢筋周围氯离子含量较高时，会破坏钢筋表面的氧化膜，钢筋会与进入混凝土中的水分、氧气发生锈蚀反应，因此在潮湿或干湿交替环境下钢筋腐蚀发展较快，而干燥环境下的钢筋或长期处于海水下的结构，即使氯离子浓度较大，但由于缺水、缺氧等也不易腐蚀。

图5 混凝土内钢筋锈蚀严重

图6 钢筋锈蚀处混凝土剥落

可以看出造成混凝土钢筋锈蚀主要是钢筋周围环境的改变，根本原因还是混凝土质量较差，如各种原因造成的裂缝、保护层厚度较薄和混凝土密实性差等，失去了对钢筋保护作用，钢筋锈蚀膨胀又加剧了病害发展，从而形成恶性循环。钢筋锈胀发展迅速，使得钢筋截面损伤，混凝土对钢筋的包裹力、黏结力骤减，严重将产生二者成片剥落，造成结构承载力下降，降低结构的安全度，缩短结构使用年限，导致结构破坏。

1.8 冻融引起的混凝土表面酥松起皮和剥落

此类病害主要出现在寒冷环境下，桥梁混凝土处于潮湿和水饱和状态中容易发生。其多发生在经常与水接触的结构水平表面，尤其是空间和毛细孔中充满水的疏松多孔混凝土结构中，破坏的特征是首先出现小块的混凝土剥离，随着使用年限的增加，混凝土由表及里、由小及大，剥离面积不断增大，发展速度较快，使钢筋混凝土桥梁构件有效截面积减小，加速老化，诱发钢筋锈蚀，对结构物的承载能力造成影响。本质上形成的原因是空隙水结冻膨胀，融解松弛，混凝土结构在冰融循环的反复作用下产生冻融破坏。

1.9 碱-集料反应引起的混凝土开裂

碱-集料反应破坏最显著的表现之一是混凝土表面呈网状开裂，刚开始时，裂纹从网节点呈夹角约120°3 条放射状裂纹，其形成的主要原因是混凝土孔隙中的碱性溶液与某些活性矿物集料发生反应，因此需具有一定条件，如混凝土中有一定量的碱、混凝土中有一定的蛋白石等活性集料和使用环境有足够的潮湿度等。在现场外观检测时，应注意区别其与混凝土收缩裂缝。收缩裂缝出现时间较早，多在混凝土施工期内，混凝土收缩裂缝程度与环境干燥状况有关，而碱-集料反应裂缝出现较晚，随着大气环境湿度增大多在桥梁营运多年后发展。另外，混凝土碱-集料反应裂缝一个特有的表象是出现混凝土局部膨胀，以致裂缝的2 个边缘出现高差。混凝土碱-集料反应造成的开裂、剥落破坏具有整体性，对混凝土桥梁危害很大。

1.10 集料膨胀造成的混凝土开裂，表层剥离

遇水膨胀是许多材料具有的特性，在混凝土中，如果混凝土拌合前未能对集料进行相关检测、有效控制，那么在混凝土中水分子的作用下，混入石灰碎块、硫酸盐和氧化镁类集料时，集料吸水膨胀，体积增大，造成构件开裂，表层剥离等病害，如图7 所示。当混凝土的膨胀集料位于钢筋后，会引起沿钢筋向裂缝和大面积混凝土剥离。

图7 集料膨胀导致混凝土剥离

上述10 种典型病害的归纳分析，基本涵盖了目前桥梁混凝土常见及易发生的病害。除此之外，桥梁混凝土还存在一些其他病害，虽然不是常见病害，但同样影响桥梁结构安全，也应引起足够重视。比如，混凝土结构过载破损，基础不均匀沉降引起的结构开裂，混凝土剥离等。

2 结束语

新中国成立70 多年来，随着我国经济的大发展，基础设施建设工程中尤其是桥梁工程发展相当迅速，现如今我国已是世界的桥梁大国。然而，近几十年来国内外桥梁事故多有发生，深刻的教训使人们认识到，为了保障桥梁的安全服役，采用科学的评估手段、维护对策来确保、保障结构的安全显得格外重要。病害是结构内外部损伤的直接反映，全面了解、掌握病害是进行桥梁技术状况评定及安全评估的前提。随着公路交通量的日益增加和桥梁使用年限的增长，桥梁的各种病害也日益凸显。要及时发现病害，准确找出病害成因，分析病害对桥梁结构的影响，再精准实施维修养护，是延长桥梁服役寿命最为有效的方法。