現(xiàn)澆梁裂縫成因分析及預(yù)防應(yīng)對(duì)措施研究

徐 鐳

（中鐵二十一局集團(tuán)第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830011）

1 引言

隨著國(guó)家交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁在交通工程的比例逐漸增大?，F(xiàn)澆梁結(jié)構(gòu)由于受力明確、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工容易、工期較短，因此在橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)澆梁成形后由于混凝土原材料性質(zhì)、配比，施工方式、養(yǎng)護(hù)條件、循環(huán)荷載、收縮徐變等因素，常常導(dǎo)致梁出現(xiàn)裂縫?；炷翗蛄航Y(jié)構(gòu)的開(kāi)裂問(wèn)題，一直是工程界最關(guān)心的課題之一，因?yàn)榱芽p的出現(xiàn)涉及到結(jié)構(gòu)外觀的破損、鋼筋的腐蝕及結(jié)構(gòu)功能的喪失。其中，混凝土水化凝固過(guò)程中由于內(nèi)外溫差而形成的溫度荷載和外界環(huán)境對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的影響而形成的溫度荷載，是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的主要原因之一。早在20世紀(jì)50年代，王鐵夢(mèng)、朱伯芳等［1］學(xué)者研究了大量的溫度應(yīng)力和裂縫控制的實(shí)驗(yàn)研究；王鐵夢(mèng)［2］通過(guò)對(duì)大量的工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)與總結(jié)，針對(duì)由于變形而引起的裂縫作了詳細(xì)的理論實(shí)驗(yàn)闡述；清華大學(xué)陳肇元教授等［3］在1998年以廣州地鐵為背景，進(jìn)行了地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂研究，全面分析了施工階段各種裂縫的成因機(jī)理以及控制措施，并研究了設(shè)計(jì)方面考慮的混凝土裂縫控制方法；寇永大［4］認(rèn)為底板鋼筋缺失、澆筑混凝土不均勻、保護(hù)層厚度不足、張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)混凝土強(qiáng)度不足是導(dǎo)致底板裂縫的主要原因；新加坡的H.R.Lu［5］認(rèn)為混凝土抗拉強(qiáng)度取決于許多因素，如配合比、養(yǎng)護(hù)條件等，而研究表明拉應(yīng)變能力是一個(gè)相對(duì)的常數(shù)，不受配合比、養(yǎng)護(hù)齡期和抗壓強(qiáng)度的影響；瑞典的Mats Emborg［6］認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)早期的溫度分布、相連結(jié)構(gòu)的溫度、早期混凝土瞬時(shí)的力學(xué)性質(zhì)和約束條件都是影響混凝土開(kāi)裂的重要參數(shù)。

對(duì)于現(xiàn)澆裂縫的處理，許多專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的解決辦法。為了保證工程質(zhì)量，必須對(duì)現(xiàn)澆梁裂縫引起高度重視，采取必要措施防止裂縫出現(xiàn)，對(duì)已出現(xiàn)裂縫的梁要按照科學(xué)的方法進(jìn)行處理［7-8］。

2 現(xiàn)澆梁裂縫的構(gòu)造特征、類(lèi)型及發(fā)生的原因

2．1 現(xiàn)澆梁裂縫構(gòu)造特征

在現(xiàn)澆梁施工完成后裂縫出現(xiàn)的構(gòu)造特征各式各樣，主要構(gòu)造特征包括：（1）沿梁橫斷面環(huán)形或沿縱斷面縱向連續(xù)的裂縫、斜向（約45°）裂縫、垂直于相交面的短直裂縫（梗肋處），主要由荷載作用、溫差作用、鋼筋銹蝕作用等引起；（2）錨下混凝土面沿半徑方向裂縫或側(cè)腹板縱向裂縫、沿縱向鋼筋或沿縱向波紋管走向的裂縫、沿預(yù)埋件或預(yù)留孔周邊的裂縫、縱橫相互交錯(cuò)將混凝土切割成塊狀的裂縫，主要由應(yīng)力集中、鋼筋銹蝕作用、外界環(huán)境腐蝕等引起。

2．2 現(xiàn)澆梁裂縫類(lèi)型

按照裂縫成因，裂縫類(lèi)型主要有：（1）溫度裂縫；（2）收縮裂縫；（3）堿—骨料反應(yīng)引起的裂縫；（4）施工工藝質(zhì)量引起的裂縫、施工材料不達(dá)標(biāo)引起的裂縫、周?chē)h(huán)境對(duì)混凝土侵蝕而引起的裂縫等多種因素組合疊加造成的裂縫。

按照裂縫發(fā)生的時(shí)間可分為：（1）施工期間出現(xiàn)的裂縫，包括拆模前裂縫、拆模后裂縫、張拉后裂縫、落架后裂縫；（2）使用期間出現(xiàn)的裂縫，包括使用荷載作用、外界環(huán)境侵蝕作用出現(xiàn)裂縫。根據(jù)裂縫深度有表層、淺埋、深埋、貫穿裂縫。在實(shí)際工作中按照處理方法不同還可分為0.05 mm以下裂縫、0.05～0.15 mm的裂縫、0.15～2 mm及2 mm以上裂縫。

2．3 現(xiàn)澆梁裂縫產(chǎn)生的原因分析

2．3．1 溫度裂縫分析

溫度裂縫可歸結(jié)為兩大方面。一是混凝土水化反應(yīng)放熱造成的裂縫；二是陽(yáng)光照射引起溫度梯度造成的裂縫。此種裂縫大多表現(xiàn)為貫穿性，且較深，影響結(jié)構(gòu)的整體剛度，一般在施工結(jié)束幾個(gè)月后出現(xiàn)。

（1）混凝土水化反應(yīng)放熱造成的裂縫

水泥主要是由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等少量氧化物按比例混合而成的細(xì)磨材料。這些材料在和水混合時(shí)發(fā)生水化反應(yīng)生成新的化合物，主要有水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣膠凝質(zhì)、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體膠質(zhì)物，并逐漸凝結(jié)、凝固。在水化反應(yīng)過(guò)程中有大量的熱量放出，根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)際測(cè)量一般都在200～300 J／g范圍。熱量的產(chǎn)生使混凝土的溫度急劇上升，通過(guò)實(shí)際測(cè)量有些可達(dá)60～70℃?；炷涟韬衔餃囟劝慈缦鹿接?jì)算：

其一，混凝土拌和出料溫度［9］（T0）

式中，Mw、Mce、Msa、Mg分別為每立方混凝土水、水泥、砂子、石子用量（kg）；Tw、Tce、Tsa、Tg分別為水、水泥、砂子、石子溫度（℃）；Wsa、Wg分別砂子、石子含水率（%）；C1為水比熱容（kJ／kg·k）；C2為冰的溶解熱（kJ／kg·k）。

其二，混凝土絕熱溫升值［10］（Tx）

式中，Qx為水泥水化熱，kJ／kg；W為水泥用量，kg；K為折減系數(shù)；F為混合材料用量，kg；C為混凝土比熱kJ／kg·k，取值為 0.97；?為不同的澆筑厚度降溫系數(shù)，取0.5～0.7；ρ為混凝土密度，2 400～2 500 kg／m3。

混凝土內(nèi)外產(chǎn)生溫度差，形成了內(nèi)高外低的溫度梯度。該溫度梯度使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，而表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

該裂縫是一種發(fā)散不連續(xù)的短、曲縫，深度一般較淺，寬度一般在0.1 mm以?xún)?nèi)。如個(gè)別現(xiàn)澆箱梁頂板底面因受到腹板約束，溫度裂縫可能表現(xiàn)為連續(xù)性線段。溫度裂縫通常發(fā)生在兩個(gè)時(shí)間段，一是出現(xiàn)在拆模前，即混凝土升溫期；二是出現(xiàn)在拆模時(shí)或之后，即混凝土降溫期。

（2）陽(yáng)光照射造成的裂縫

當(dāng)橋梁混凝土現(xiàn)澆—覆蓋—養(yǎng)護(hù)完成后，便裸露在外。在陽(yáng)光的照射下，因梁左、右入射角不同，不同高度大氣透明度不同，因而混凝土梁在不同空間位置得到不同的光照強(qiáng)度和吸收不相同的光能。吸收光能多的溫度較高，使混凝土產(chǎn)生了壓應(yīng)變；吸收光能少的溫度較低，使混凝土產(chǎn)生了拉應(yīng)變。當(dāng)混凝土拉應(yīng)變超過(guò)極限拉應(yīng)變時(shí)就生成裂縫。另外陽(yáng)光照射裂縫發(fā)生還受到橋梁地址所處地理緯度和橋梁走向兩個(gè)方面的影響。在我國(guó)地域范圍內(nèi)由于這種溫差值較小，實(shí)際及文獻(xiàn)中純粹陽(yáng)光照射裂縫極其少見(jiàn)。橋梁規(guī)范總結(jié)了我國(guó)陽(yáng)光照射溫度梯度在最不利情況下最大溫差為20℃，該溫差造成的拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于混凝土容許拉應(yīng)變。雖然陽(yáng)光照射造成的裂縫出現(xiàn)的幾率很小，但在和其它裂縫同時(shí)發(fā)生時(shí)將會(huì)促使裂縫加速發(fā)展，在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)予以考慮。

2．3．2 混凝土收縮裂縫分析

混凝土收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或硬化過(guò)程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象。一般分為塑性收縮（又稱(chēng)沉縮）、化學(xué)收縮（又稱(chēng)自身收縮）、干燥收縮及碳化收縮?；炷潦湛s是化學(xué)和物理變化相結(jié)合并不斷變化的一種自然現(xiàn)象。但裂縫的大小與混凝土本身材料、配比、結(jié)構(gòu)形式、外界條件等因素有關(guān)，主要有兩種表現(xiàn)形式。

（1）化學(xué)收縮、沉縮產(chǎn)生的裂縫。收縮、沉縮裂縫多數(shù)發(fā)生在混凝土拆模前，縫寬在0.05～0.2 mm之間，為不連續(xù)曲線形態(tài)。產(chǎn)生的原因?yàn)樗酀{體收縮時(shí)，粗骨料、構(gòu)件中預(yù)埋件及鋼筋限制了水泥收縮，從而出現(xiàn)了裂縫。該裂縫嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)全截面貫通現(xiàn)象。

（2）干燥收縮、碳化收縮裂縫。這兩種收縮產(chǎn)生的裂縫基本為同時(shí)進(jìn)行和顯現(xiàn)的?？p寬一般為0.2 mm左右，混凝土內(nèi)外均產(chǎn)生，表現(xiàn)為多條不連續(xù)的短曲線。但當(dāng)收縮受到外界某種因素限制時(shí)，如模板摩擦力、箱梁腹板對(duì)頂板橫向限制、兩次澆筑混凝土收縮差等，則可能出現(xiàn)短曲線相互連接形成較長(zhǎng)的裂縫。該裂縫在拆模后較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都有可能出現(xiàn)，產(chǎn)生原因?yàn)榛炷林械膹埩λǜ街⒚?xì)管水、碳化生成水在外界氣候條件影響下發(fā)生蒸發(fā)形成空管，從而混凝土內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫顯露。另外，當(dāng)多個(gè)空管出現(xiàn)聯(lián)通則可能發(fā)生較為嚴(yán)重的裂縫。

2．3．3 堿骨料反應(yīng)裂縫分析

堿骨料反應(yīng)裂縫形成是混凝土中的水泥在水化過(guò)程中釋放出堿性氧化物，與含有活性二氧化硅的骨料如蛋白石、燧石等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸鹽，這種物質(zhì)吸水后體積發(fā)生膨脹，從而造成混凝土開(kāi)裂。發(fā)生堿骨料反應(yīng)或MgO的水化反應(yīng)，生成膨脹性的凝膠，造成混凝土膨脹開(kāi)裂，形成多為網(wǎng)狀或不規(guī)則裂縫。此類(lèi)裂縫往往在結(jié)構(gòu)竣工幾年后才出現(xiàn)，因?yàn)樯鲜龌瘜W(xué)反應(yīng)極為緩慢。

堿骨料反應(yīng)引起的開(kāi)裂存在于混凝土內(nèi)外，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，寬度較大，一般在混凝土澆筑完成一個(gè)月后顯現(xiàn)，顯現(xiàn)后發(fā)展較快，造成后果嚴(yán)重，一旦發(fā)生很難控制，常被稱(chēng)為混凝土結(jié)構(gòu)“癌癥”。為了防止堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生裂縫，可選擇粉煤灰替代水泥，使水泥用量減少，同時(shí)減少了水化反應(yīng)的抗裂性，有利于降低混凝土自收縮。堿骨料反應(yīng)發(fā)生應(yīng)具備三個(gè)條件，其一，骨料中具有堿活性物質(zhì)；其二，混凝土中具有足夠的堿物質(zhì)；其三，工程處在一定濕度條件下。

2．3．4 其它原因產(chǎn)生混凝土裂縫分析

混凝土現(xiàn)澆梁施工中除上述原因可能造成裂縫外，還有可能因混凝土振搗過(guò)程出現(xiàn)過(guò)振、預(yù)應(yīng)力施工不規(guī)范及模板強(qiáng)度剛度不足、連接不牢固或支架變形和基礎(chǔ)沉降等原因造成裂縫。

（1）混凝土振搗過(guò)程過(guò)振造成的裂縫?；炷寥肽：髶v固目的：其一，是為了充分排出拌合料中的氣體及部分水分，使水泥漿及水泥砂漿飽滿填充粗、細(xì)料空隙；其二，克服模板與拌合料之間及骨料相互之間的摩擦力，使混凝土拌合料能夠順利下沉、密實(shí)。操作不規(guī)范和過(guò)分振搗會(huì)使砂漿液化、離析，粗、細(xì)骨料下沉，水泥漿上浮，造成上層混凝土骨料含量降低，水泥漿增多，使混凝土空隙率、收縮率增大，從而導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。該裂縫常出現(xiàn)在混凝土頂層，形成不連續(xù)的半月牙狀，寬度在0.05～0.2 mm之間。

（2）預(yù)應(yīng)力施工不規(guī)范造成的裂縫。在預(yù)應(yīng)力施工中由于波紋管道、錨下墊板預(yù)埋不規(guī)范，張拉力控制不準(zhǔn)確或混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在該情況下施加拉力往往導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。該裂縫通常出現(xiàn)在錨下墊板周?chē)且粭l沿半徑方向走向發(fā)散的連續(xù)裂縫，裂縫根據(jù)實(shí)際情況不同有大有小，嚴(yán)重時(shí)可造成混凝土局部粉碎、錨下墊板破裂、錨具回縮。

（3）模板強(qiáng)度、剛度不足或連接不牢固造成的裂縫?，F(xiàn)澆混凝土梁模板保證了混凝土硬化成形后能夠滿足構(gòu)件設(shè)計(jì)形狀的要求，但由于模板強(qiáng)度、剛度不足或連接不牢固，施工中受到混凝土側(cè)壓力、搗固力等其它外力作用，模板發(fā)生脹模變形，從而造成艙內(nèi)容積增大，混凝土擴(kuò)張甚至溢出。該種情況常出現(xiàn)在混凝土澆筑過(guò)程中。

（4）支架變形、基礎(chǔ)沉降等原因造成裂縫。在橋梁現(xiàn)澆施工中，由于混凝土自重及支架本身重量的作用，支架產(chǎn)生撓度，支墩產(chǎn)生下沉，在支架上正在澆筑的混凝土梁也必然跟隨下沉、變形，使梁在豎直面產(chǎn)生彎曲。彎曲造成了梁頂面產(chǎn)生壓應(yīng)力，底部產(chǎn)生拉應(yīng)力。此時(shí)混凝土還處在初凝和終凝階段，無(wú)任何承力強(qiáng)度，在拉力作用下梁底板及部分腹板易出現(xiàn)裂縫，即支架變形、基礎(chǔ)沉降裂縫。該裂縫常出現(xiàn)在梁跨中部一段長(zhǎng)度內(nèi)，形成“U”形狀態(tài)，縫寬在0.2 mm以上。為了克服該種現(xiàn)象，現(xiàn)澆梁支架操作規(guī)程以及橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定撓曲變形不超過(guò)4%，基礎(chǔ)沉降不超過(guò)2 cm。

3 現(xiàn)澆梁裂縫預(yù)防及處理方法

3．1 預(yù)防混凝土裂縫措施

（1）溫度裂縫預(yù)防。宜采用粉煤灰水泥或C3A和C3S含量低的低熱水泥，盡量減少水泥用量，可摻加高效緩凝減水劑；大體積混凝土可適當(dāng)摻入塊石；夏季在拌和水中摻冰屑并對(duì)骨料進(jìn)行噴水冷卻；加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，做好表面保溫措施。

（2）收縮裂縫預(yù)防。摻加高效減水劑、泵送劑以盡量降低用水量；施工時(shí)，下料不宜過(guò)快，并振搗密實(shí)；盡量使用C3A含量低的水泥。

（3）施工、腐蝕等其他裂縫預(yù)防。施工時(shí)嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行，消除或降低混凝土中MgO等物質(zhì)的含量。

3．2 混凝土裂縫處理措施

混凝土裂縫處理，是指采用科學(xué)的方法對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行修復(fù)技術(shù)。裂縫處理前需用科學(xué)的手段進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容：一是裂縫位置、形態(tài)、寬度、深度，判斷其性質(zhì)及危害性；二是對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)判斷是否滿足要求；三是對(duì)混凝土內(nèi)鋼筋確定位置、根數(shù)和銹蝕程度；四是檢測(cè)碳化程度及深度［11-12］。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)判結(jié)構(gòu)安全及耐久性，提出科學(xué)的處理方法。

（1）動(dòng)力滲透法。將樹(shù)脂涂刷到混凝土表面，沿裂縫形成圍堤，使樹(shù)脂滲入裂縫內(nèi)，起到粘合和封堵作用，適用0.1 mm以下裂縫。

（2）真空滲入法。將裂縫表面密封，抽去空氣，再在大氣壓力下將封堵粘結(jié)料灌入裂縫孔隙中，適用于0.2～0.5 mm裂縫。

（3）灌漿法。利用壓力設(shè)備或彈性補(bǔ)縫器將封堵粘合料壓入混凝土裂縫孔隙中，適用裂縫范圍較廣。

（4）填充法。該法首先是沿裂縫開(kāi)鑿出“V”字形槽口，然后用修補(bǔ)砂漿或其他粘合材料填充。適應(yīng)于0.1～0.3 mm寬并且深度較淺裂縫。

4 總結(jié)

裂縫是混凝土施工中出現(xiàn)較為普遍的一種工程缺陷，至今為止仍然是工程界的尖端課題。裂縫產(chǎn)生的原因很多，產(chǎn)生裂縫后不要盲目處理，應(yīng)分析產(chǎn)生裂縫的根本原因，具體問(wèn)題需具體對(duì)待，找到原因后對(duì)癥下藥才能標(biāo)本兼治。本文所提出的裂縫處理方法簡(jiǎn)單可靠，對(duì)現(xiàn)澆混凝土梁裂縫的預(yù)防和控制都取得明顯效果，同時(shí)為其他工程實(shí)踐中現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件裂縫的預(yù)防和控制提供一定的借鑒和參考。