桥梁结构混凝土裂缝产生的原因及预防处理对策

罗士瑾，赵建铧

（1.浙江金基置业有限公司，杭州 310016；2.浙江交科工程检测有限公司，杭州 311215）

0 引 言

桥梁结构混凝土裂缝是桥梁主要病害之一，它的形成和发展受到施工、温度、荷载等多种因素的影响，混凝土表面裂缝过多或构件关键部位出现裂缝均对桥梁的外观质量和使用寿命有着严重影响，作为工程技术人员必须对裂缝引起足够的重视。

1 混凝土桥梁设计思想

根据我国现行 《公路桥涵设计通用规范》规定[1]：公路桥梁应按技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理的要求进行设计，同时还应符合美观和有利环保的设计原则。混凝土结构桥梁的设计采用概率极限状态设计法，分为承载能力与正常使用两类极限状态。承载能力极限状态是指桥梁结构达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态，承载能力极限状态设计关系到桥梁的安全问题，其设计的原则是作用效应最不利组合 （基本组合）的设计值必须小于或等于结构抗力的设计值。正常使用极限状态是指桥梁结构达到正常使用或耐久性的某项限值的状态，正常使用极限状态设计时要对构件的抗裂、裂缝宽度和挠度进行验算，并使应力、裂缝和变形计算值不超过规范[2]的规定限值，即使用容许裂缝宽度来控制混凝土构件的结构设计。表1是桥梁结构的最大裂缝宽度限值表。

表1 桥梁结构最大裂缝宽度限值表

2 混凝土结构裂缝产生原因分析

2.1 内部结构性能的影响

混凝土是一种非匀质的复杂多相复合材料，在其微观结构组成之间主要是范德华力在起作用，其粒子与粒子之间仅存在弱物理键的相互作用，抗拉强度比抗压强度要小一个数量级甚至更多，断裂能仅约为102J／m2量级，而其微结构的不均匀性，以及在硬化早期因多方面造成的损伤、微裂缝和拉应力，进一步使它易于开裂，以及出现裂缝和部位的随机性。一旦在混凝土内部产生的拉应力超过其抗拉强度时，结构就会产生裂缝。而且混凝土和钢筋的受力性能各不相同，混凝土的抗压强度高但抗拉强度低，属于脆性材料；而钢筋的抗拉强度高但抗压性能不高，属于韧性材料。钢筋混凝土结构可以充分利用钢筋与混凝土各自的材料特点，把它们有机地结合在一起共同工作，但由于两者弹性模量相差很大，导致两者在共同受力时的强度差别也很大。因此当外荷载作用增大时，混凝土因拉应力超过抗拉强度而开裂，由钢筋来代替混凝土承受拉力。当约束下变形产生的拉应力超过实时的抗拉强度，也就是下面三个条件：约束的程度、变形的大小、实时抗拉强度，是决定混凝土裂缝产生的内在原因。不受约束的自由变形不会产生应力，抗拉强度大于拉应力时不会开裂。应力大小和实时的弹性模量有关，和松弛应力的徐变有关。

为防止混凝土裂缝深度的扩展，要及时控制混凝土结构早期裂缝的形成。在施工过程中，应对混凝土进行适当捣固并加强养护，这样可以防止混凝土结构内部孔隙和裂缝扩散而形成相互连通的裂纹，能够有效抑制裂缝的产生。而在桥梁结构运营期间，混凝土内部微裂缝会随着外部荷载的反复作用以及外界环境变化等因素的影响而不断发展，微裂缝逐渐扩展并最终导致混凝土结构开裂。因此，要严格控制施工质量，尽量避免结构裂缝的产生，确保在混凝土结构内部形成统一有机的整体，这样可大大提高结构的耐久性。

2.2 外荷载作用引起的裂缝

桥梁结构在外荷载作用下产生的裂缝主要有静力荷载与动力荷载作用引起的裂缝以及次应力作用下产生的裂缝。静力荷载主要是指结构的自重作用，而动力荷载主要包括车辆荷载、风荷载和地震荷载，结构在动荷载作用下会发生振动，结构应力不断循环变化而导致结构疲劳损伤积累增加。由于建造桥梁所使用的建筑材料是各向异性且非连续性分布的，因此在结构内部存在许多微小缺陷，而这些微小缺陷在外荷载的反复作用下会逐渐发展扩散并引起结构损伤，随着损伤的不断积累将引起材料的脆性断裂。在工程实例中发现：此类裂缝多出现在结构的受拉和受剪区、受力薄弱位置以及一些振动较严重部位，常见的主要裂缝包括直接应力裂缝和次应力裂缝[3]。

（1）直接应力裂缝—桥梁结构在外荷载的作用下，由于产生的结构应力过大而出现的裂缝。主要原因有：①在桥梁结构设计阶段，没有从桥梁结构体系构造、材料特性及施工方法等多个方面综合考虑结构施工及使用要求，而致使桥梁结构在施工和运营阶段中出现应力超限情况。例如，计算模型不合理、内力与配筋计算错误导致结构受力设计与实际受力不符、结构强度和刚度不足、安全储备不够等。②在桥梁结构施工阶段，采用不合理的施工方法，施工顺序颠倒以及未对结构疲劳强度进行验算而导致裂缝产生。③在桥梁结构使用阶段，超载车辆的运营，受车辆、船舶的撞击以及发生大风、大雪、地震等自然灾害也会使结构产生裂缝。

（2）次应力裂缝—由于温度荷载以及结构几何不连续或材料不连续引起的次生应力而产生的裂缝。主要原因有：①桥梁结构的实际工作环境及应力状态与其设计温度荷载不符而引起次应力，会导致结构开裂而出现裂缝，在实际结构工程中，次应力是引起荷载裂缝产生的主要因素。②桥梁结构构件及其连接处的截面有孔槽和缺口等突然改变，在外荷载作用下，截面上就会出现应力集中，疲劳强度降低，产生裂缝导致构件脆性断裂。

2.3 外部环境作用引起的裂缝

外部环境作用主要是指外界温度的变化而引起结构裂缝的产生，温度裂缝是由于结构与外部环境之间存在温差而使混凝土出现温度梯度非线性分布而产生的。当混凝土结构的内部与外部温度发生不一致变化时，内外温差越大，则混凝土发生的变形越严重。由于混凝土变形受到约束，将在混凝土结构内部产生应力，而当结构应力超过混凝土极限拉应力时就会产生温度裂缝。桥梁上能够观察到的严重裂缝损害，很多都是由于温差引起的内应力和约束应力所造成的。温度裂缝的主要特征是表面裂缝的走向一般无规律性，深层或贯穿裂缝的走向一般与主筋平行或接近平行。裂缝宽度大小不一，受温度变化的影响热细冷宽。温度裂缝是粗裂缝产生的重要原因，一般出现在配筋薄弱之处。特别是与昼夜间的变化关系最大，日照和骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。桥梁上严重损害的裂缝往往发生在气候条件最差的时候，温度应力也与桥梁所处的地理位置有关。

2.4 混凝土收缩引起的裂缝

混凝土在凝结硬化过程中产生体积变化 （多指收缩），当混凝土产生收缩而结构又受约束时，就可能会产生收缩裂缝。收缩受约束产生的拉应力和由于徐变释放的应力之间的相互作用，是硬化混凝土出现早期开裂的核心。在实际桥梁结构中，由于混凝土收缩而产生的裂缝非常多见。其中，塑性收缩和缩水收缩 （干缩）是引发混凝土体积变形两个最主要原因，由于混凝土快速干燥，其泌水速率小于混凝土内水分的蒸发速率，而在混凝土固体颗粒表面产生毛细管张力，导致混凝土自体收缩所产生的拉应力远远大于混凝土极限拉应力而产生收缩裂缝。收缩裂缝的主要特点是大部分属表面裂缝，呈龟裂状，形状没有任何规律，裂缝宽度较细，且纵横交错。在钢筋以上，似龟纹，常开始出现在现浇混凝土后数周或数月之间[4]。

2.5 混凝土材料质量及配合比不当引起的裂缝

可能导致结构出现裂缝的原因有：混凝土材料质量差、所采用材料质量不合格或配合比设计不当。

（1）混凝土材料质量。如果砂石骨料含泥量高，将造成水泥和拌和水用量加大，降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性，容易造成混凝土构件表面出现水平乍纹，严重影响构件的外观质量和使用寿命。水泥在存放期间受潮或使用过期水泥，都可能造成混凝土强度不足，从而导致混凝土结构在使用期间发生开裂。水泥安定性不合格，容易造成混凝土强度降低，和易性差，混凝土收缩裂纹增加。混凝土中的碱性物质同骨料中活性硅成分之间的反应会使混凝土结构出现膨胀裂缝。发生碱骨料反应有两个必要条件，即骨料具有一定的碱活性和适宜的环境 （潮湿、浸水）。碱骨料反应在骨料周围和混凝土缝隙中有硅酸碱胶滞体存在或挤出，在显微镜下观察，骨料颗粒周围出现反应环，砂浆或混凝土表面出现网状微裂缝，水泥浆出现碳化现象。

（2）混凝土配合比。水泥品种选择不当，采用矿渣硅酸盐水泥、快硬水泥的混凝土收缩性高于普通硅酸盐水泥、火山灰水泥。水泥用量过大，水灰比大，含砂率不适当，集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配，细度模数不当，骨料粒径过细或针片含量大，混凝土外加剂、掺和料选择不当或掺量不当等情况均易造成混凝土收缩增大，诱导裂缝产生。

2.6 钢筋锈蚀引起的裂缝

钢筋锈蚀是引起裂缝的主要因素之一，也是影响钢筋混凝土结构耐久性的关键问题。如果使用质量较差的混凝土，并且混凝土保护层厚度不足，在二氧化碳的侵蚀作用下混凝土发生碳化，使钢筋周围混凝土的碱度降低，造成钢筋表面氧化膜破坏，导致钢筋发生锈蚀反应，而钢筋的锈蚀又进一步促使混凝土保护层脱落，导致钢筋有效面积不断减小，造成结构承载力不足。

2.7 施工质量引起的裂缝

在实际工程结构中，施工质量差是结构产生裂缝的重要原因之一。在混凝土结构浇筑及构件制作过程中，如果采用不合理的施工工艺和方法，将会产生各种纵向和横向裂缝。施工工艺和方法不当引起的质量问题，主要表现在以下几个方面：

（1）混凝土在施工过程中振捣不密实、不均匀，而使过多的空气或水进入混凝土内部，引起钢筋锈蚀。

（2）如果在混凝土施工过程中浇筑速度过快，混凝土流动性较低，都容易引起结构在浇筑数小时后产生收缩裂缝。

（3）在施工时如果过早进行拆模将导致混凝土强度不足，导致构件在自重作用及施工荷载作用下产生裂缝。

（4）在预应力梁端部，当进行预应力张拉时，梁端部受力状态非常复杂，目前预应力梁端部的非预应力配筋均为构造配筋，不能有效抑制预应力筋张拉时产生于梁端的诸多不利应力，往往使梁端产生裂缝。

（5）施工前地基处理不好，预压荷载未达到规范和设计要求，浇筑混凝土后支架发生不均匀沉降，将导致混凝土出现裂缝。

3 预防桥梁混凝土裂缝的措施

影响裂缝的因素很复杂，往往是多种因素造成的，控制裂缝是包括设计、混凝土及其原材料生产、施工甚至监理和业主在内几方面的责任。

（1）设计方面。加强设计的合理性和安全系数以及施工的合理性。同时，在构件设计时，应注意避免结构突变或断面突变，对于较大孔洞，有条件时可在周边设置护边角钢。

（2）原材料质量和配合比设计方面：①根据结构的要求和混凝土强度等级选择合适的水泥品种、等级，在保证混凝土设计强度等级和保持混凝土良好工作性能的前提下，适当降低水灰比，减少水泥用量；②选用合适级配的砂、石原材料，含泥量应符合规范要求，有条件的项目可对砂石料进行水洗，降低骨料含泥量；③积极采用掺合料和混凝土外加剂，尤其是大体积混凝土施工时，可在拌合混凝土时掺入适量的微膨胀剂或膨胀水泥，使混凝土得到补偿收缩，减少混凝土的温度应力；④设计人员应结合工程实际，选择恰当的配合比，合理选择好混凝土的坍落度，并针对现场的砂、石原材料及时调整施工配合比。

（3）施工控制方面。①要做好模板、支架及各支撑处基础和地基处理，确保其不发生沉降、移位，对现浇梁板的支架应严格按照设计和规范要求的荷载、时间进行预压，检验支架、模板的强度和稳定性；②加强温度控制。为了使混凝土中的水泥比例降低，减少因水泥水化反应而产生的热量，应在进行桥梁施工时多采用干硬性混凝土，并充分改良骨料的配置，同时适当增加添加剂。在混凝土的整个拌和过程中，可以选择在适当的时候添加适量的水份，以达到冷却碎石的目的，从而降低了混凝土浇筑时的温度。而为了防止温度裂缝的产生，必须严格控制施工过程中混凝土的浇筑时间和浇筑速度。在夏季施工中，需要在混凝土骨料上洒水，减少混凝土的浇筑厚度，充分利用浇筑层的面积进行散热。必要时可在混凝土内部设置降温水管，这样能够全面有效的降低混凝土的内部温度。而在冬季施工中，则要对混凝土结构采取相应的保温措施，控制结构裂缝的产生。③采用两次振捣技术，可有效消除因塑性沉降引起的内分层，提高混凝土密实度，改善骨料的界面结构，提高混凝土强度；④在尽可能的情况下，桥梁墩台 （尤其是高墩）混凝土应一次浇筑，不设施工缝，对墩身不可避免的施工缝要按技术规范要求，凿毛该混凝土表面，用水冲洗干净，在混凝土浇筑前，对水平缝铺一层2～3 cm的1∶2水泥砂浆后再继续浇筑混凝土；⑤严格控制混凝土配合比。根据混凝土强度等级与混凝土和易性的要求确定最佳配合比，严格控制水泥用量和水灰比。为了加强混凝土的抗裂强度，要选择级配良好的砂石，控制砂的粒径和含量，并适当减少其空隙率，这样可以大大减少混凝土的收缩量。同时加强养护，可以有效提高混凝土的强度，并且避免其在硬化过程中由于失水得不到及时补偿而产生大量裂缝。经常采用浇水养护，还可以减少温度变化及混凝土收缩而产生的裂缝。⑥在结构比较复杂、约束点较多的特殊部位，在混凝土强度满足要求的前提下，及时进行预应力张拉。施加的预应力能有效地抵消混凝土因收缩变形而产生的变形应力，从而减少裂缝产生并控制已产生的微小裂缝继续扩散。⑦混凝土浇筑完毕后立即以土工布覆盖，洒水养护，使混凝土表面保持湿润状态，不断补充蒸发的水分。

4 桥梁结构裂缝的处理

钢筋混凝土桥梁结构在使用过程中基本上都是带裂缝工作的。产生的裂缝包括可见裂缝和不可见裂缝，同时可见裂缝可分为无害裂缝和有害裂缝两种。有害裂缝在外荷载及环境变化作用下不断产生和发展，导致桥梁结构混凝土发生碳化，致使混凝土保护层剥落从而引起钢筋锈蚀，有害裂缝的产生将严重影响桥梁结构的安全性及使用寿命，必须对其进行严格控制。

在对桥梁结构中产生的有害裂缝进行处理之前，应首先对其进行仔细观察，分析研究裂缝的性质及产生原因，然后再对不同性质裂缝采取相应的措施进行处理。对于由外荷载作用而产生的受力裂缝而言，要确定结构的承载能力是否存在问题，如果桥梁结构承载能力不足，则首先应按照有关标准规范的要求对结构进行加固。而对于由于其他原因而产生的普通裂缝，则应该对残余裂缝进行封闭处理。在对混凝土结构裂缝进行处理加固时，应制定相应的技术方案，并按照方案要求进行修复与加固施工[5]。

针对混凝土结构产生的裂缝，主要有以下几种处理方法：

（1）表面修复法：包括表面涂抹法和表面贴补法，表面涂抹法的适用范围是不漏水、不伸缩及不再活动的裂缝及裂缝深度尚未达到钢筋表面的发丝裂缝，还包括浆质材料难以灌入的细而浅的裂缝。表面贴补法则适用于大面积漏水的防渗堵漏。

（2）内部修补法：这种方法是用压浆泵将胶结料压入裂缝中而使结构重新形成统一整体。内部修补法主要针对影响结构混凝土整体性或对防水、防渗有较高要求的裂缝修补。一般采用水泥和化学材料对裂缝进行全面修补，灌浆材料的选用由裂缝的性质特点、大小宽度及施工条件等因素决定。当裂缝宽度L＞0.5mm时，采用水泥灌浆对裂缝进行修补；而当宽度L≤0.5mm时，则可采取化学灌浆的方法对裂缝进行修补，该方法也适用于宽度较大的温度收缩裂缝。

（3）结构补强法：桥梁结构在运营期间，由于各种超载车辆荷载的作用会产生大量的裂缝，如果不及时对这些裂缝进行处理，混凝土结构性能将会发生严重改变，导致混凝土结构耐久性降低。一般可采用增大混凝土结构的截面面积、改变桥梁结构体系以及增加体外预应力等方式对结构进行加固。

5 结 语

混凝土桥梁结构及其构件产生裂缝的原因较为复杂，是多方面且相互存在显著交叉作用的。钢筋混凝土结构在使用中往往需要带裂缝工作，微小裂缝的产生无法避免，原材料性能指标的微小变化、质量的波动和与环境、操作的差异，以及时间的推移，都会造成混凝土微结构的变化，而明显影响拌和物与结构物的宏观行为至今还没有任何手段能够确切地了解混凝土内部在不同条件下究竟发生了什么、将会发生什么，混凝土具有微结构和性能不确定与不确知性，是一种混沌体系 （非线性体系），初始参数微小的变化可能引起最终结果的巨大偏差。

虽然各国的规范明确规定允许混凝土构件在开裂的状态下工作并对裂缝隙的宽度作了限制。但由于桥梁结构处于交通流量大，重载车辆多的特殊环境中，在荷载反复作用、气温、干湿度的反复变化下，就会使上述原因产生的裂缝扩展、加宽、密度增加。所以对公路桥梁的裂缝应持慎重态度，对裂缝的鉴别应从结构安全度、耐久性、建筑功能等方面加以考虑，采取积极有效的治理措施，以确保桥梁结构的安全。

[1]JTG D60－2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]JTGH11－2004，公路桥涵养护规范[S].

[3]刘松平.钢筋混凝土桥梁裂缝成因分析与加固措施研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[4]金凤温.桥梁裂缝分析及修补方法探讨[J].公路交通技术，2004，（6）：83－85.

[5]胡大琳.桥涵工程试验检测技术[M].北京：人民交通出版社，2000.