混凝土橋梁裂縫的形成機制控制措施研究

薛志翔

(上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，安徽 合肥 230031)

如今交通的發展十分迅猛，作為交通的重要組成部分，橋梁的維護工作顯得至關重要。但在實際的設計、建設等過程中存在著一些不合理的因素，不同形式的裂縫出現在一些橋梁運營或施工階段，大大降低了道路通行的安全性[1]。許多學者關于裂縫問題進行了全方面的深入分析。賀羅等[2]研究了大體積混凝土的裂縫成因并從原材料等方面提出處理措施。武鈺[3]針對預應力混凝土橋梁的檢測技術和方法，提出加固的合理措施。韋旭朋等[4]使用正交試驗法，研究了膠黏劑的最佳配合比，進一步解決修復混凝土裂縫的材料問題。

從理論上來說，橋梁的施工和運營階段不可避免地會存在產生裂縫的現象，但可以采取相應的控制措施，達到控制和減少裂縫，提高橋梁的耐久性和安全性的目的。

1 研究混凝土橋梁裂縫的目的與意義

混凝土結構存在著長壽命以及長維護周期的特點，但在實際運營階段因受到外界環境和自身的影響，混凝土結構的使用功能將逐漸降低。一些橋梁還未達到設計年限就不得不停止使用。出現這種病害的原因有很多，一方面可能是混凝土橋梁設計階段的結構設計存在不足或運營階段使用荷載出現了不利變化；另一方面，施工等相關因素未滿足相應要求[5]。混凝土橋梁的裂縫問題不僅是橋梁中常見且多發的問題，也是急需解決的技術性難題。

引起混凝土橋梁出現裂縫的原因較多，通過對裂縫的深入研究一方面可以對裂縫的形成機制進行明確的闡述，另一方面對橋梁裂縫病害控制措施的研究提供技術支持。

2 橋梁裂縫形成機制研究

2.1 原材料引起的裂縫

水泥品種的差異會造成干燥后收縮程度的差異，水泥的抗拉強度也與水泥的標號有關。與此同時，不同水泥的水化熱指數也存在較大的差異。在實際混凝土橋梁的施工過程中，選擇不適合的水泥會引起入模溫度較高以及產生低抗拉強度的混凝土結構，此時不能滿足大于結構內部拉應力的要求，從而產生裂縫。而且，骨料級配的選擇以及材料的配合比合適與否決定著混凝土結構的強度能否滿足設計要求。比如若采用較大劑量的水泥會增加水泥凝結時生成的水化熱，從而導致混凝土強度的下降，進而出現裂縫。

2.2 溫度裂縫

水化熱、晝夜溫差、光照、溫度驟降等因素均會導致混凝土結構出現溫度裂縫。如果混凝土結構外部和內部的溫度出現變化時，首先混凝土會出現變形，但是由于受到約束，接著會引起溫度應力的產生。如果結構的抗拉強度低于溫度應力，最終將導致溫度裂縫現象的發生。一般來說，由于大體積混凝土澆筑時較大的內外溫差，基礎、橋墩、承臺等出現溫度裂縫的概率較大。

2.3 收縮裂縫

混凝土結構在成形的過程中，水分蒸發不一致，結構內外的干縮量往往有差異，從而引起混凝土中產生拉應力，因為混凝土表面收縮變形時會受到約束限制，最終造成混凝土開裂[6]。一般來說，混凝土具有低早強的特點，此時較大的拉應力會使混凝土產生收縮裂縫。不同結構類型的混凝土結構，裂縫出現的位置也不盡相同。對于板類混凝土結構，裂縫通常沿短邊方向在相鄰兩根鋼筋之間均勻分布；對于較大高度的鋼筋混凝土，通常在結構中間產生豎向收縮裂縫，裂縫呈現兩頭細中間寬的現象；對于大體積混凝土，收縮裂縫在平面部位產生較多，偶爾側面也會出現。

2.4 腐蝕裂縫

橋梁在運營過程中，混凝土結構直接暴露在自然條件下、因此混凝土橋梁受到風、雪、雨、光照等自然條件的影響較大。混凝土橋梁周圍環境的改變，會導致混凝土發生較大的變化。大面積混凝土在橋梁工程中的使用大大增加了由于水腐蝕的原因產生裂縫的可能性[7]。與此同時，當鋼筋不具有較強的密實性，氧氣、水等自然因素會對鋼筋產生腐蝕。尤其是當鋼筋的防腐措施不到位會進一步加劇鋼筋的銹蝕。一旦鋼筋腐壞，緊接著導致周圍混凝土體積膨脹，從而出現保護層開裂，沿鋼筋方向縱向斷裂，引起混凝土裂縫，與此同時混凝土表面也會出現銹跡(圖1)。

圖1 鋼筋腐蝕產生的裂縫

3 混凝土橋梁裂縫控制措施

3.1 溫度裂縫的控制措施

在進行混凝土橋梁的施工過程中可以采取一些相對應措施來預防溫度裂縫的產生。在冬季施工時，最重要的是要做好混凝土表面的保溫措施，特別是需要長期暴露在外的混凝土；拆模板時間的長短與否也直接決定著溫度裂縫出現的概率大小，當外界溫度驟降時應做好混凝土結構的保溫處理措施；在夏季施工時，混凝土的厚度應適度，保證其可以通過自身的澆筑層面達到散熱的目的；采用冷水管埋入混凝土結構的方法可以實現有效的降溫。

3.2 收縮裂縫的控制措施

控制收縮裂縫最基本的措施就是科學合理地確定不同施工材料的比例，然后嚴格按照設計要求進行施工。水泥的用量和水的消耗量是需要格外控制的。在滿足施工要求的前提下，混凝土結構的衰退要降低到最小[8]。與此同時，適度振動與否也直接影響著收縮裂縫產生可能性的大小。振動時間過短無法保證混凝土結構的密實性，振動的時間過長，粗骨料會下沉，則可導致混凝土結構表面缺少粗骨料的存在，表面出現灰漿現象，產生收縮裂縫的可能性會大大增加。

3.3 腐蝕裂縫的控制措施

在施工的過程中，混凝土水灰比的重要性不言而喻，不僅要控制好水灰比，還要保證振搗的程度，使混凝土結構達到密實完好，避免高堿和有害離子對混凝土結構的腐蝕；在使用外加劑時，應控制含氯材料的使用，同時也可使用阻銹劑避免材料的銹蝕；在混凝土橋梁的運營階段應做好預防性養護以及確保排水系統良好，一旦發現橋面出現滲水，應及時修復，對于前期的混凝土裂縫應第一時間發現并封閉。

3.4 健全施工組織管理

在做好前面所述的控制措施的同時，還應健全施工組織管理。完善施工組織指揮系統，有次序做好各級技術交底工作，確保工程項目的順利完成。一方面通過對設計的配合比進行優化，對施工工藝進行改良，做好養護方面等工作，另一方面加強施工組織的管理可以有效減少橋梁裂縫的產生。

4 案例分析

4.1 工程概況

華北平原某混凝土橋梁，橋長約150m，橋寬9.0m。該橋梁上部結構采用6 跨鋼筋混凝土簡支 T 形梁。下部結構采用雙柱式橋墩，混凝土橋面鋪裝，基礎為鉆孔灌注樁，橋臺選用雙柱框架式。

4.2 橋梁裂縫檢查

根據實地調查，該大橋的裂縫主要有橋面板橫向裂縫、橋臺混凝土脫落、腹板裂縫、橫隔梁破損等現象。

上述這些病害現象的存在對于橋梁運營階段的安全性以及耐久性有著極大的影響。除了前文提到的溫度變化、水化熱因素、腐蝕性會產生裂縫外，橋梁下部結構基礎的變形、凍脹作用、荷載作用也會導致上述現象的產生。例如橋臺混凝土的脫落主要是由于鋼筋的銹蝕以及施工工藝的原因造成的。首先混凝土橋梁直接暴露在外界環境下，一旦混凝土碳化后，鋼筋表面的鈍化膜也會被氧化破壞，在條件適宜的情況下，鋼筋極易發生銹蝕，最終引起混凝土保護層開裂。其次，混凝土材料中的外加劑、水泥、骨料中的活性成分以及水中的氧化鉀、氧化鈉等成分會逐步發生反應，產生具有吸水膨脹的生成物，從而導致混凝土開裂破壞。一般來說，此時的病害在混凝土表面呈現錐形破壞和脫落的現象。最后，如果在橋梁施工階段，混凝土保護層厚度太大，未預留充分的伸縮縫等，梁體在受到膨脹作用后，防撞護欄會在橋墩處受到擠壓作用，引起混凝土脫落。

4.3 橋梁裂縫處理措施

針對不同的裂縫情形，采取相對應的控制措施。在對橋梁裂縫進行處理時，第一步應對裂縫的位置、長度、寬度進行精確測量，然后繪制裂縫展開圖。對于裂縫寬度大于0.2 mm的，選用環氧樹脂膠灌漿的方法進行處理；對于裂縫寬度小于0.2 mm的，選用表面封閉的措施處理，如圖2所示。

圖2 封閉裂縫修復

對于裂縫寬度大于0.5 mm的超限裂縫，修復加固的方法采用粘貼碳纖維布。粘貼碳纖維布時通常沿著梁的主拉應力方向，并設置錨固端，如此一來可以控制表面裂縫的進一步擴展，達到提高梁體剛度和強度的目的。當粘貼工作完成后，需將浸漬樹脂在表面均勻涂抹一層，待其自然風干，最后采取涂抹罩面膠等措施，確保梁體的使用耐久性，如圖3所示。

圖3 粘貼碳纖維布加固

3 結 論

引起混凝土橋梁出現裂縫的原因較多，往往不是單一因素造成的。對裂縫未進行深入調查了解分析，不結合裂縫自身的特點就隨意進行修復加固，不僅達不到提高橋梁穩定性和安全性的作用，往往還會適得其反。只有深放探析裂縫形成機制，采取相應處理措施，才能真正達到解決混凝土橋梁裂縫問題的目的。