預制橋梁T梁開裂分析、處理及預防研究

宋顯義

（中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都610000）

0 引言

T 梁指的是橫截面為“T”型的橋梁，這也是我國橋梁建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的一種橋梁橫截面結(jié)構(gòu)，通常有20m 與30m 兩種類型。T 梁是橋梁工程的重要構(gòu)件，也是最復雜的一道施工工序，涉及場地的選擇、混凝土的采購、鋼筋模板的搭建與安裝等環(huán)節(jié)，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能影響T 梁的施工質(zhì)量，并為裂縫病害埋下隱患。裂縫集中分布在鉸縫周圍，具有一定的規(guī)律性。主流觀點認為，裂縫的出現(xiàn)和鉸縫的抗剪能力差密切相關(guān)。因此，常通過翻新橋面的方式維修和加固，但經(jīng)過翻新施工后，T 梁還可能再次開裂。所以，需要詳細分析T 梁裂縫形成的原因，并根據(jù)不同的成因采取有針對性的處理措施。

1 橋梁T 梁裂縫病害類型

1.1 受力裂縫

T 梁受到荷載與恒載影響所形成的裂縫叫做受力裂縫。通常情況下，荷載越大，裂縫越嚴重，甚至還會給T 梁的結(jié)構(gòu)造成破壞。

首先，T 梁跨周邊的梁底受拉區(qū)域出現(xiàn)橫向裂縫，繼而擴張至兩側(cè)腹板，形成豎向裂縫。

其次，T 梁腹板出現(xiàn)斜裂縫，裂縫主要在支點周圍到1/4 跨之間的范圍內(nèi)，斜裂縫也是因為車輛荷載的影響而形成的，靠近支點的位置剪力大且彎矩小，由于混凝土的抗拉強度無法承受主拉應(yīng)力，導致腹板部位形成彎剪裂縫[1]。

1.2 銹蝕裂縫

如果混凝土質(zhì)量未達到施工要求，或者保護層過薄，那么在二氧化碳的侵蝕下，混凝土就會出現(xiàn)碳化，并一直達到鋼筋表面，從而降低鋼筋混凝土的堿度，破壞鋼筋表面的氧化膜。鋼筋中的鐵離子與混凝土中的水、氧發(fā)生反應(yīng)后，會產(chǎn)生氫氧化鐵，即銹蝕物，其體積甚至達到了原本的2～4 倍，最終導致混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，使保護層出現(xiàn)裂縫。因銹蝕而形成的裂縫，主要集中在主筋周圍，并沿著主筋向水平縱向的方向延伸，嚴重危害鋼筋混凝土梁，降低鋼筋和混凝土的黏結(jié)度，導致鋼筋應(yīng)力突然增加，最終使鋼筋遭到破壞。

1.3 溫度裂縫

當混凝土內(nèi)部溫度與外部溫度相差較大時，混凝土便會因為溫差而出現(xiàn)變形，并形成內(nèi)部應(yīng)力。在混凝土的抗拉強度無法承受內(nèi)部應(yīng)力時，溫度裂縫由此形成。日照、蒸汽養(yǎng)護、驟然降溫、冬季施工不當?shù)纫蛩兀际菍е禄炷脸霈F(xiàn)溫度裂縫的主要原因。

1.4 施工不當引起的裂縫

1.4.1 混凝土保護層太厚或鋼筋變形，增加了承受負彎矩受力筋保護層的厚度，降低了混凝土構(gòu)件的有效高度，在與受力鋼筋相互垂直的位置，就可能形成裂縫。

1.4.2 混凝土的振搗不充分、不均勻，會出現(xiàn)空洞、蜂窩面、麻面等現(xiàn)象，引起鋼筋銹蝕或荷載裂縫。

1.4.3 養(yǎng)護混凝土的早期階段，環(huán)境濕度不足，混凝土與空氣接觸后，就會形成不規(guī)則的裂縫。

1.4.4 過早的拆除施工模板，導致混凝土強度不滿足施工要求，在自重者施工荷載的影響下，混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫。

1.5 收縮裂縫

在混凝土凝固、收縮的情況下，梁體上會形成裂縫。T 梁的收縮裂縫通常是因為干縮、自動縮、碳化收縮等多種因素的共同作用而產(chǎn)生的。常見的收縮裂縫有兩種，一種是T 梁的腹板半高處出現(xiàn)的棗核裂縫；另一種是T 梁腹板表面出現(xiàn)的無規(guī)律網(wǎng)狀裂縫。

2 橋梁T 梁裂縫的形成原因

混凝土之所以會出現(xiàn)裂縫，最主要的原因有二：一是荷載作用；二是間接作用。施工過程中出現(xiàn)的裂縫，通常是間接作用造成的，即混凝土內(nèi)部形成宏觀拉應(yīng)力，并和混凝土的抗拉強度相互作用，最終導致裂縫的出現(xiàn)。施工方式產(chǎn)生的活荷載與以下因素有關(guān)：溫度或濕度變化、混凝土的水化和養(yǎng)護、張拉臺座對T 梁的約束作用等。

首先，分析混凝土結(jié)構(gòu)。用低水灰比澆筑而成的高強混凝土初凝后，由于水泥的水化而持續(xù)消耗混凝土內(nèi)部的游離水，使得混凝土結(jié)構(gòu)越發(fā)干燥并自發(fā)收縮，在環(huán)境濕度小于混凝土內(nèi)部濕度的情況下，混凝土內(nèi)孔的水分便會轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境中，最終因內(nèi)部水分不足而形成裂縫。這種情況下，混凝土的收縮一方面來自早期收縮，另一方面來自干燥收縮，二者的收縮程度和混凝土初期的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。

其次，分析混凝土澆筑后的情況。水泥水化過程中產(chǎn)生的大量熱量，會讓混凝土內(nèi)部在溫差的影響下出現(xiàn)熱收縮。因為混凝土被約束，溫差變化會引起混凝土冷熱收縮，只有在開裂后，才會以應(yīng)變的方式表現(xiàn)出來。開裂前，只是在混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，且這種拉應(yīng)力會受混凝土彈性模量的影響。作為一種彈塑性體，混凝土具有徐變性特征，持續(xù)的應(yīng)力作用會讓混凝土逐漸松弛，使其內(nèi)部因收縮而形成裂縫，且裂縫會逐漸向外擴散。隨著齡期的延長，混凝土的彈性模量與收縮程度越來越大，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)的拉應(yīng)力也會增加，由此加速了混凝土裂縫的形成速度。不過，隨著齡期的延長，混凝土的應(yīng)力松弛能力與抗拉強度也會隨之增加，可以在一定程度上抑制裂縫。

以上便是T 梁開裂的基本原理。根據(jù)T 梁的設(shè)計方案、施工材料、施工技術(shù)，并結(jié)合混凝土與裂縫的檢測結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，如果施工材料符合品質(zhì)要求，裂縫也就不存在無規(guī)則的網(wǎng)狀特點。所以，可以將水泥安定或堿骨料反應(yīng)而引起的裂縫排除在外。張拉臺座地基采用C25 鋼筋混凝土，經(jīng)過反復壓實后，在場地排水通暢的情況下，也可以將臺座不均勻沉淀引起的裂縫排除在外。施工過程中也不會產(chǎn)生導致開裂的活荷載。基于以上情況分析可知，T 梁裂縫就是混凝土的收縮裂縫，干燥與溫度是引起收縮裂縫的主要原因[2]。

2.1 邊界約束

混凝土只有在受到約束的狀態(tài)下，才會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。當拉伸應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度時，便會出現(xiàn)干燥收縮與溫度裂縫。受到混凝土收縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力的共同影響，T 梁混凝土會出現(xiàn)變形。因T 梁混凝土和底模混凝土的摩擦系數(shù)μ≥0.4，在摩擦力的作用下，梁體結(jié)構(gòu)無法自由變形，梁體中間是固定的，只有兩側(cè)可以被拉伸。因此，梁跨中最薄弱部位的混凝土便會產(chǎn)生有規(guī)則的裂縫。

2.2 溫度收縮

澆筑混凝土后，水泥因持續(xù)的水化而產(chǎn)生大量熱量，導致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度提高，在和外部進行熱交換后，混凝土內(nèi)部溫度會逐漸下降，并和周圍溫度維持相對的平衡。在此過程中，熱量會導致混凝土出現(xiàn)收縮變形，在混凝土結(jié)構(gòu)受約束的情況下還會形成拉應(yīng)力，如果拉應(yīng)力超出了混凝土的抗拉強度，則會出現(xiàn)溫度裂縫。混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在施工現(xiàn)場會受到溫度變化、水泥水化熱的雙重影響。隨著混凝土的變化，其熱工特性參數(shù)也會改變，即使是在同樣的環(huán)境下，溫度發(fā)展情況也會不同。混凝土內(nèi)部大量的水熱化無法散發(fā)，表面的溫度變化速度與內(nèi)部不一致，繼而產(chǎn)生表面裂縫或貫穿裂縫。水泥用量越多、水化熱越大；混凝土比熱和密度越低，混凝土的水化熱絕熱溫升越高。

此外，水泥細度、類型、介質(zhì)溫度也會影響水泥的放熱量和放熱速率。混凝土內(nèi)部溫度除了受到水化熱的影響之外，還與環(huán)境的溫度或濕度、材料溫度、散熱條件等因素密切相關(guān)。材料與環(huán)境溫度越高，散熱條件越差，混凝土中心溫度就越高；環(huán)境溫、濕度變化越顯著，混凝土內(nèi)部與外部的溫差就越大。大體積混凝土的內(nèi)部與外部溫差通常需控制在25oC 以內(nèi)，降溫速度控制在1.5oC/d 以內(nèi)。否則，如果降溫、保溫措施不當，混凝土極易形成溫度裂縫。

在充分分析T 梁水泥細度、用量、環(huán)境溫度或濕度變化、散熱條件后可知：其一，水泥用量超過464kg/m3、水泥細度1.1%；其二，施工溫度＞30oC；其三，溫差在10oC 左右。這三個因素會增加混凝土內(nèi)部與外部之間的溫差，由于T 梁表面和體積的比值較大，在風力較大的情況下，混凝土的溫度會迅速下降，從而促進了混凝土的收縮變形，最終形成裂縫。

2.3 干燥收縮

混凝土的抗壓試驗結(jié)果顯示，1#～7#T 梁使用的混凝土強度較高，施工過程中測出混凝土坍落度較大。所以，應(yīng)按照高性能混凝土標準處理。另有研究顯示，在收縮性上，高性能混凝土與普通混凝土有相似之處，但二者的早期塑性收縮、干燥收縮、自干燥收縮存在差異。高強混凝土的微觀結(jié)構(gòu)特點為大孔少、細孔多、致密性強、孔隙率小。因此，高強混凝土比普通混凝土的早期總收縮率更大、彈性模量更高、徐變變形能力更小，相應(yīng)的，應(yīng)力松弛能力也會降低，盡管抗拉強度有一定程度的增加，但增加幅度明顯小于抗壓強度。因此，在混凝土綜合性能的共同作用下，T梁裂縫由此形成。

3 橋梁T 梁裂縫的預防和處理措施

3.1 預防措施

根據(jù)上文分析的混凝土材料及其配合比、施工工藝、養(yǎng)護措施等T 梁裂縫的形成原因，對T 梁開裂的預防，可以從以下幾個方面著手：

第一，混凝土原材料中，粉煤灰的含量保持在20%左右，推薦使用緩凝型高效混凝土減水劑，維持水膠比在0.33～0.35、取砂率在28%～34%、水泥量在400kg/m3左右、用水量不超過165kg/m3。在試驗中確定拌和物的強度與易性，最終確定混凝土材料的配合比。

第二，根據(jù)施工條件、環(huán)境溫度或濕度安排施工時間，最好在溫度較低的時間段施工，可避免混凝土溫度過高。分層澆筑，每層的澆筑厚度約30～40cm。以排除混凝土孔隙中的氣泡，提高振搗的密實度，但也要注意因過度振搗而導致混凝土離析。終凝后，將麻袋覆蓋在混凝土表面，并灑水維持濕潤度。拆模后，繼續(xù)用麻袋包裹，并灑水養(yǎng)護，持續(xù)14d。

第三，降低T 梁收縮時產(chǎn)生的摩擦力，將3～5mm厚的鋼板鋪設(shè)在混凝土底模，保證混凝土強度滿足施工要求，通過對梁體施加預應(yīng)力，促使混凝土壓縮變形，預防開裂。

3.2 處理措施

3.2.1 裂縫修補

（1）開槽法。修補材料的配比如下：環(huán)氧樹脂∶聚硫橡膠∶水泥∶砂=10∶3∶12.5∶28。修補寬度＞0.5mm的裂縫時可采用該方法。

（2）低壓注漿法。通常用于寬度0.2～0.3mm 的裂縫修補。先將裂縫內(nèi)的雜物清理干凈，然后按照試漏—配置注漿液—注漿—再次注漿的順序修補裂縫，修補完畢后清理表面。

（3）表面覆蓋法。在裂縫表面覆蓋一層涂膜，修補寬度＜0.2mm 的細小裂縫。

3.2.2 工藝流程

（1）檢查并標注裂縫：寬度＜0.2mm 的裂縫，可在表面涂抹聚合物水泥，用以封閉裂縫。聚合物水泥由改性環(huán)氧漿液配制而成，然后再加入50g 的525#的水泥攪拌均勻。封閉裂縫后要抹平，以實現(xiàn)表面的平整與美觀；寬度≥0.2mm 的裂縫，可在縫隙內(nèi)灌注膠液，把膠液壓入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫中，增強混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、抗?jié)B性與強度，讓開裂的混凝土構(gòu)件恢復完整。

（2）鉆孔：在裂縫處采取騎縫鉆孔的方式，形成沿著裂縫走向的灌漿導向孔。孔徑8mm、孔深5cm、孔距35cm。在所有裂縫的交叉部位鉆孔，鉆孔時應(yīng)注意不要破壞波紋管。

（3）清孔：使用高壓空氣將鉆孔吹吸干凈，保證孔內(nèi)無灰渣，沿著裂縫按照從上到下的順序清理周圍的灰塵和浮漿，可用的清理工具有手鏟、毛刷、小錘、砂紙、鋼刷等。整平表面后，再用丙酮擦洗，將裂縫附近的油污清理干凈，清孔過程中應(yīng)注意不要堵塞裂縫。

（4）粘貼灌漿嘴：清理干凈灌漿嘴底盤的鐵銹，然后使用丙酮擦拭，在底盤附近均勻涂抹一層1～2mm厚的膠泥，對準孔眼，粘貼在裂縫上。結(jié)合裂縫的長度與寬度確定灌漿嘴的間距，通常在3.5～4.0cm，寬縫間距宜稀，窄縫間距宜密。每道裂縫至少要有≥1 個進漿孔的排氣孔，灌漿孔的孔眼保持對中和導流通暢，灌漿嘴應(yīng)粘貼牢固，四周抹成魚脊狀，保證完全密封。

（5）封閉裂縫：漿液應(yīng)該充滿混凝土的縫隙，而且又不會大量外滲。為了達到這一目的，裂縫處理完后，還需要使用聚合物水泥砂漿漿液涂刷裂縫表面，涂刷方向為從上到下，涂刷寬度為6～8cm。涂刷兩遍后，在裂縫表面貼上寬5～7cm 的玻璃絲布，以封閉裂縫。

（6）壓氣試驗：當封閉帶硬化后，再通過壓氣試驗的方式檢測封閉帶的密封度。將壓縮氣體的氣壓維持在0.2～0.4MPa。將肥皂水涂抹在封閉帶與灌漿嘴的周圍，如果通氣后封閉帶仍有泡沫，則提示此部位存在漏氣，需要再次封閉。如果是豎向裂縫，可按照從下到上的順序試氣；如果是橫向裂縫，則更適合從低處向高處試氣。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著混凝土橋梁工程規(guī)模的不斷擴大，形成了相對成熟的混凝土的耐久性與安全性理論體系。T 梁裂縫是影響橋梁施工質(zhì)量、縮短橋梁使用壽命的重要因素。除了嚴格按照技術(shù)標準設(shè)計施工方案、選擇施工工藝、做好施工管理外，還應(yīng)全面分析和了解T 梁開裂的具體原因，根據(jù)裂縫的寬度和特點合理選擇處理措施，及時修補裂縫，消除交通安全隱患，提高T 梁結(jié)構(gòu)的耐久性與穩(wěn)定性。