橋梁工程混凝土裂縫分析及防治措施

王亞輝

（中鐵十四局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

由于橋梁工程混凝土施工環節中常見的質量問題就是混凝土裂縫，混凝土裂縫極大地降低了橋梁的質量和安全性能。因此，只有了解橋梁工程混凝土裂縫產生的原因，才能夠有針對性地預防裂縫問題，并提高橋梁施工質量，減少由混凝土裂縫問題造成的不良影響。

1 橋梁工程出現混凝土裂縫的類型和原因

1.1 溫脹裂縫

（1）特征及判別方法。可采用鉆芯機鉆取裂縫處的混凝土，取出混凝土芯樣掰開斷裂處進行觀察，如果裂縫穿過的粗骨料（石子）斷裂，說明混凝土形變應力很大足以將石子劈裂，而只有溫脹才能產生這么大的應力，由此判定為溫脹裂縫。如果當裂縫繞過石子或沿石子表面斷裂，而石子并沒有發生斷裂，說明該應力并不是很大，則該裂縫通常是干縮造成的。

（2）產生原因分析。①混凝土的體量。橋梁工程墩柱承臺往往結構尺寸較大，屬于大體積混凝土，此外，橋箱梁的設計強度等級通常為C50，強度等級較高，相應的水化熱較大，如果箱梁中在與墩柱銜接的橫梁部位最小尺寸大于1m，可判定其為大體積混凝土。由于混凝土內部的水化熱不斷積聚，導致混凝土內部溫度急劇增高，產生熱膨脹應力，或由于混凝土內外溫差過大，內外熱膨脹程度不同產生約束應力，當熱膨脹應力大于混凝土抗拉強度則會引起貫穿混凝土斷面的溫度裂縫，易發生溫脹裂縫。因此，混凝土體量大是造成溫度裂縫的主要因素之一，它會直接導致水化熱總量高和混凝土內熱傳遞困難導致內外溫差。混凝土的體量越大，潛在的溫差和約束程度也越大，發生溫度裂縫的概率越大。因而大體積混凝土最易發生溫脹裂縫。②水泥的品種和用量。硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥，早期水化激烈程度依次降低，混凝土內中心溫度越低，熱膨脹程度越小；水泥用量越大，水化熱越高，混凝土內中心溫度越高，熱膨脹程度越大。③摻和料的品質和取代量。摻和料的活性越低，摻量越大，早期水化激烈程度越低，混凝土內中心溫度越低，熱膨脹程度越小，但強度下降較大。④外加劑的品種和取代量。緩凝劑的品種不同則調凝性能的差異也較大。緩凝劑可有效降低早期水化激烈程度，延緩凝結時間，而摻量過大則會導致不凝，使強度下降較大。⑤混凝土澆注（入模）溫度。混凝土澆注（入模）溫度受出機溫度、環境溫度及澆筑時間等因素影響較大。混凝土澆注（入模）溫度越高，硬化混凝土內部溫度越高，熱膨脹程度越大，越易發生溫度裂縫。⑥養護方法。對于易發生溫度裂縫的大體積混凝土，如果保溫養護不當、內外溫差較大易產生溫度裂縫。一般內外溫差不宜大于25℃。

1.2 塑性收縮裂縫

（1）特征及判別方法。①塑性收縮裂縫通常發生在新澆筑的地面、路面、樓板、橋板等的裸露面積較大的混凝土構體表面。②塑性收縮裂縫一般在混凝土終凝前發生，即在塑性階段產生，并且在養護開始前發生。③塑性收裂縫表現為由表及里、深度較淺、裂縫較寬，且開裂多而無規律性，多呈現龜裂紋，且裂紋隨收縮的加大會繼續發展。

（2）產生原因。在環境的濕度低、溫度高和風的作用下，加之保濕養護不夠，新澆筑的混凝土表面水分會迅速蒸發脫水形成干殼，而內部還未凝結。當新澆筑的混凝土表面水分蒸發速度大于泌水補給速度，表里會產生較大的體積收縮差異，從而使表面收縮大于內部收縮，此時混凝土表面產生收縮并受到下層混凝土的約束，導致在已經變得干稠凝固但又使軟弱的塑性混凝土內產生拉應力，造成混凝土表面生成淺的、伸向各個方向的短裂縫，開裂多而無規律性，多呈龜裂紋，且一般表面裂縫比較寬。

（3）影響因素。①用水量、水膠比和坍落度。新拌混凝土生產控制不當或施工現場任意加水，導致用水量和水膠比超標、入模坍落度過大，加大了表面干縮。②振搗程度。振搗過度導致混凝土表面泌水、泌漿嚴重，加大了表層水膠比，加快了表面干縮的速度。③氣候環境。澆筑環境溫度高、環境干燥、濕度低、風速大、蒸發量大，尤其是在炎熱夏季和大風天氣。春、秋多風，風大季節為北方地區梁和板狀結構早期裂縫的多發期。高溫、干燥及大風天施工，如不對板狀結構采取有效措施，則裂縫多且寬；而陰天、小雨天施工的板狀結構早期裂縫極少。早上、中午施工，如不對板狀結構采取有效措施，則裂縫多且寬；而下午、晚上施工的板狀結構早期裂縫極少。④養護。保濕養護不及時、不到位。⑤看護和后期處理。看護不到位，裂縫發現晚，凝結前的二次處理不到位、不得當。⑥凝結時間。凝結時間的長短并不能直接導致塑性收縮裂縫，但凝結時間過長會使混凝土的塑性階段延長，如果保濕養護不到位很容易產生塑性收縮裂縫。

1.3 干燥收縮裂縫

（1）特征及判別方法。①干燥收縮裂縫普遍發生在各種混凝土構體內部。②干燥收縮裂縫的產生貫穿于混凝土凝結水化的全過程，通常在終凝后明顯出現，并且會隨著水化進程而繼續擴大延伸。③干燥收縮裂縫通常表現為沿斷面較規則的裂縫、尺寸形狀變化處和交界處不規則的裂縫，嚴重時會出現貫穿性裂縫。

（2）產生原因。①水泥水化反應導致混凝土體積收縮。水參與化學反應，水泥水化反應消耗一定的水，各種礦物水化反應所消耗的水量也不同，根據各反應方程式得到反應耗水量：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。試驗結果表明，各種礦物的減縮作用順序為C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。此外，水化反應形成的化學結合水（即強結晶水）的質量約為水泥質量的23%左右，而這水的比容只有0.73cm3/g。化學結合水的比容比自由水的小，是水泥水化過程中體積減縮的主要原因。②如果由混凝土中的水泥水化反應和水分蒸發散失而導致混凝土體積收縮，混凝土內部就會產生拉應力，當拉應力隨著收縮量的增加而不斷增加以致超過混凝土此時的抗拉強度時，混凝土便會出現裂縫。③混凝土的干燥過程是從外部向內部延續的，干燥的過程從混凝土表面一點點向內部擴張，故混凝土含水量是由外至內成梯度變化的。在外側的混凝土收縮力度就比較大，內測的收縮力度就比較小，這種不均勻的混凝土收縮現象，造成了內外應力差異，進而引發外拉內張的趨勢。當混凝土表面承受的拉力超過規定抗拉強度后，就會導致混凝土變形，出現裂縫。如果混凝土構體內部不因脫水不同而在各層次間引起干縮差異，則截面尺寸較小的構體近表層的脫水干縮就將起主導作用并導致整個構件出現較大干縮；隨著截面尺寸增大，內部少脫水、不脫水的區域逐漸增大，影響到整個構件，這是因干縮減小而導致的不可視裂縫。

（3）影響因素。①水泥的礦物組成、活性及用量。各種礦物的減縮作用順序為C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，故使用C3A含量高的水泥產生干燥收縮的概率增大。硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥，早期水化激烈程度依次降低，早期收縮依次降低，早強型水泥比非早強型水泥水化激烈程度高，早期收縮越大；水泥細度越小，活性越高，早期水化程度越激烈，早期強度越高，產生干燥收縮的概率增大；水泥用量越大，早期水化越激烈，其收縮隨之加大，越容易出現裂縫。②漿骨比。混凝土漿骨比越高，混凝土干燥收縮越大，產生干燥收縮的概率越大。③水膠比。混凝土水膠比越高，特別是二次加水，混凝土干燥收縮越大，產生干燥收縮的概率越大。④水化程度。早期水化程度越激烈，早期強度越高，所配制的混凝土干燥收縮越大，產生干燥收縮的概率增大；反之當保濕養護做得不夠，水分蒸發散失較快，干燥收縮較大時，如果早期水化程度越低，強度增長越緩慢，抵抗因干燥收縮而產生的應力的能力越差，則產生干燥收縮的概率越大。⑤氣候環境。環境溫度高、風速大、濕度低，加之保濕養護不到位，水分蒸發散失量增大，產生干燥收縮的概率越大。⑥工程結構的裸露程度（形狀尺寸）。工程結構的裸露程度越大，水分蒸發面越大，越易受環境溫濕度、蒸發量的影響，而水分散失量越大，混凝土干燥收縮越大，產生干燥收縮的概率越大。⑦結構體形狀尺寸。對于長、大的構體（如較長、較大的樓板等），如不合理設置后澆帶以補償收縮，則會引發貫穿斷面的干縮裂縫。形狀尺寸變化處的結構體由于應力集中導致收縮應力較其他部位大，易引發裂縫。⑧養護。保濕養護對避免和減少干縮裂縫至關重要。如果保濕養護不到位，則會導致混凝土水分散失過快從而會產生干縮裂縫。

1.4 外力引起的裂縫

（1）特征。①梁、板部位的混凝土構體遭到上部荷載而出現的裂縫一般表現為由下表面向內部開裂，下部裂縫較內部或上部寬。②臨近終凝和凝固后的混凝土因受外力而產生的裂縫不會愈合，并且會隨著水化和干縮會有所發展，危害性較大。③混凝土在施工期間承受荷載遠比結構使用期間的荷載更為嚴重，早期混凝土更容易受到損害并常常因此產生永久性的裂縫。

（2）產生原因。因受外界拉壓、剪切、扭曲等荷載造成的裂縫。外力超過混凝土的抗拉強度或抗壓強度而產生裂縫。

（3）影響因素。①由于橋梁受到的荷載太大，因此直接應力裂縫是在外力荷載過大的作用下對橋梁混凝土產生直接應力后造成的混凝土裂縫。比如在橋梁施工建設時，進場材料及設備沒有按照要求進行存放或管理；混凝土澆筑采用自卸的方式，使罐車直接在橋梁上停留，超過橋梁的設計荷載，最終導致橋梁承受力達到極限。②混凝土未達到一定強度就上人踩踏操作、荷載施工。③拆卸模板或者脫模時受到劇烈振動。④模板及支撐拆除過早，出現粘模、下墜或脫落。

1.5 沉降裂縫

（1）特征。混凝土裂縫處呈錯臺狀態。

（2）產生原因。我國幅員遼闊，地質情況差異顯著，橋梁建設的地基結構同樣存在差異。一方面，由于地基存在不均勻沉降與水平移動等問題，使得橋梁混凝土附件的應力不斷增加，最終超過混凝土抗拉強度，使混凝土出現裂縫；另一方面，張拉工藝和方法不正確，過早張拉、偏拉以及張拉速度過快，造成張拉應力大于混凝土強度，導致裂縫出現。

1.6 鋼筋銹蝕裂縫

（1）特征。裂縫處出現凸出爆裂且有鐵銹溢出。

（2）產生原因。這主要是在施工中使用了未經處理的生銹鋼筋或者混凝土中可溶性氯離子含量超標，導致鋼筋自身的結構應力發生了變化，達不到施工使用的要求。一旦投入使用，在外力作用下就會變形，導致混凝土出現裂縫。

2 裂縫防治措施

2.1 混凝土配合比設計及原材料選用

在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能降低單位水泥用量、水膠比（水灰比）、單位用水量以及坍落度。宜選用低水化熱水泥，在條件許可情況下，應優先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥，對于預應力混凝土結構，可視情況選用早強水泥。（1）選用高效防水泵送劑，可延長凝結時間，降低水膠比，減少收縮，提高抗滲性能，在確保強度的同時，減小水化熱，同時提高砼的和易性及可泵性。（2）合理摻加粉煤灰等礦物摻合料（特別是針對大體積混凝土部位），可達到改善混凝土的施工性能，延緩水化熱釋放速度及減小收縮的作用，同時可有效提高混凝土后期強度及耐久性能，延長混凝土使用壽命。（3）應選擇級配良好且符合標準要求的骨料。（4）對超跨、超長結構，可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土得到補償收縮。

2.2 結構設計措施

（1）對結構變化處等應力集中部位，可與設計單位溝通，增配構造筋提高抗裂性能。（2）在易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸。（3）在結構設計中應充分考慮施工時的氣候特征，合理設置后澆縫，保留時間一般不小于60d。如不能預測施工時的具體條件，也可臨時根據具體情況做設計變更。

2.3 施工措施

（1）混凝土生產過程中要嚴格控制用水量和水膠比，要加強對砂、石含水率的檢測，做到及時調整，尤其是在雨雪天氣要增加砂、石含水率的檢測頻率，確保水灰比和出場坍落度不超標。（2）混凝土施工過程中要嚴格控制用水量和水膠比，杜絕施工現場任意加水。在滿足施工和易性的前提下盡可能選擇較小的坍落度施工，嚴格控制入模坍落度，視情況增加對坍落度的檢查和檢測次數，嚴禁使用坍落度過大或嚴重離析的混凝土。對于坍落度過小、澆注困難的混凝土，可加入適當的外加劑進行調整。（3）采用綜合措施，控制混凝土初始溫度。合理選擇澆筑施工時段，應盡量避開高溫時段施工，盡量降低混凝土澆注入模溫度。（4）加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。對于大體積混凝土，澆筑方案可采取全面分層、分段分層或斜面分層澆注振搗。采用兩次振搗技術，改善混凝土強度，提高抗裂性。（5）對易發生溫度裂縫的大體積混凝土要進行水化熱計算，精確估算砼內部的最高溫度，并建立科學、完善的測溫手段，及時了解混凝土內部溫度變化情況，以便采取有效的蓄熱保溫養護措施確保混凝土內外溫差低于規范25℃要求，保證混凝土的質量。

2.4 養護措施

（1）大體積混凝土養護，必要時可預埋循環水管降溫或者凝固后在混凝土表面設置水層。要加強保溫養護控制施工養護溫度，減少混凝土內外溫差。（2）冬季施工時，不得在混凝土面澆水。（3）嚴格按照施工規范做好混凝土養護工作。在壓實抹平后，應及早用塑料薄膜覆蓋保水，其敞露的表面應覆蓋嚴密，并保持塑料布內有凝結水。接近初凝時，應對箱梁等平板結構混凝土表面進行二次拉毛，以消除混凝土表面的微裂縫。（4）澆水養護時間不得少于7d，澆水宜采用霧狀水，次數應保持混凝土處于濕潤狀態。必要時可噴霧濕潤混凝土表面的空氣，使用擋風板減少風速或者遮蓋混凝土表面防止陽光照射以降低表面溫度。對于墩柱等豎向結構，應用土工布包裹柱體再用塑料布裹嚴，在內部纏繞噴淋水管，水管端頭連接水箱，以此進行保濕養護。（5）混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應下降15℃以上。（6）可以采取通冷水冷卻的方式。為了能夠有效預防橋梁工程中橋梁混凝土主體出現裂縫現象，一般采用通冷水的方式。基于對混凝土裂縫機理的研究，采用冷卻水管薄壁鋼管進行混凝土分層澆筑效果最佳，不僅可以有效避免澆筑漏水與堵塞現象的發生，還可以達到檢測澆筑管道是否漏水、通水是否通暢等目的。除此之外，借助薄壁鋼管通冷水的方式，將有效降低混凝土內部溫度，避免內部高溫現象的發生，從而有效控制并預防橋梁混凝土裂縫現象的出現，提高了橋梁的整體質量。

2.5 加強現場管理

進場材料及設備要按照要求存放或管理；為避免橋梁受到的荷載太大而使混凝土出現裂縫，通過橋梁的車輛一定不能超過橋梁能承受的最大荷載；混凝土強度未達到1.2N/mm2前，不得在其上踩踏；未達到5N/mm2前不得在新澆混凝土面搭設腳手架、安裝模板及綁扎鋼筋，否則橋梁會因受外力而出現裂縫；拆模時要注意不得直接敲打混凝土和劇烈振動。

2.6 提升道路橋梁工程基礎的穩定性

基礎對于道橋工程來說非常重要，也是道橋工程的根本。如果道橋工程的基礎出現偏移或者沉降，則很可能會導致道橋工程裂縫的產生。因此，在道橋工程施工的過程中，必須保證道橋工程基礎的穩定性。在道橋工程施工之前，要細致勘察當地的地質情況，保證勘察結果的準確性，并嚴格按照地質勘察報告來設計道路橋梁工程的基礎施工，在道路橋梁工程施工完成以后，要做好沉降監測工作。通過這樣的方式，不僅可以提升道橋工程的穩定性，還可以減少道路橋梁工程裂縫發生的概率。

3 結束語

橋梁工程出現混凝土裂縫問題的原因多種多樣，分析裂縫產生的原因，提出對應的預防措施，對于橋梁施工具有重大的指導意義，可顯著提高橋梁的施工質量，降低混凝土裂縫問題造成的不良影響，從而延長橋梁的使用壽命。