桥梁工程混凝土裂缝分析及防治措施

王亚辉

（中铁十四局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

由于桥梁工程混凝土施工环节中常见的质量问题就是混凝土裂缝，混凝土裂缝极大地降低了桥梁的质量和安全性能。因此，只有了解桥梁工程混凝土裂缝产生的原因，才能够有针对性地预防裂缝问题，并提高桥梁施工质量，减少由混凝土裂缝问题造成的不良影响。

1 桥梁工程出现混凝土裂缝的类型和原因

1.1 温胀裂缝

（1）特征及判别方法。可采用钻芯机钻取裂缝处的混凝土，取出混凝土芯样掰开断裂处进行观察，如果裂缝穿过的粗骨料（石子）断裂，说明混凝土形变应力很大足以将石子劈裂，而只有温胀才能产生这么大的应力，由此判定为温胀裂缝。如果当裂缝绕过石子或沿石子表面断裂，而石子并没有发生断裂，说明该应力并不是很大，则该裂缝通常是干缩造成的。

（2）产生原因分析。①混凝土的体量。桥梁工程墩柱承台往往结构尺寸较大，属于大体积混凝土，此外，桥箱梁的设计强度等级通常为C50，强度等级较高，相应的水化热较大，如果箱梁中在与墩柱衔接的横梁部位最小尺寸大于1m，可判定其为大体积混凝土。由于混凝土内部的水化热不断积聚，导致混凝土内部温度急剧增高，产生热膨胀应力，或由于混凝土内外温差过大，内外热膨胀程度不同产生约束应力，当热膨胀应力大于混凝土抗拉强度则会引起贯穿混凝土断面的温度裂缝，易发生温胀裂缝。因此，混凝土体量大是造成温度裂缝的主要因素之一，它会直接导致水化热总量高和混凝土内热传递困难导致内外温差。混凝土的体量越大，潜在的温差和约束程度也越大，发生温度裂缝的概率越大。因而大体积混凝土最易发生温胀裂缝。②水泥的品种和用量。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，早期水化激烈程度依次降低，混凝土内中心温度越低，热膨胀程度越小；水泥用量越大，水化热越高，混凝土内中心温度越高，热膨胀程度越大。③掺和料的品质和取代量。掺和料的活性越低，掺量越大，早期水化激烈程度越低，混凝土内中心温度越低，热膨胀程度越小，但强度下降较大。④外加剂的品种和取代量。缓凝剂的品种不同则调凝性能的差异也较大。缓凝剂可有效降低早期水化激烈程度，延缓凝结时间，而掺量过大则会导致不凝，使强度下降较大。⑤混凝土浇注（入模）温度。混凝土浇注（入模）温度受出机温度、环境温度及浇筑时间等因素影响较大。混凝土浇注（入模）温度越高，硬化混凝土内部温度越高，热膨胀程度越大，越易发生温度裂缝。⑥养护方法。对于易发生温度裂缝的大体积混凝土，如果保温养护不当、内外温差较大易产生温度裂缝。一般内外温差不宜大于25℃。

1.2 塑性收缩裂缝

（1）特征及判别方法。①塑性收缩裂缝通常发生在新浇筑的地面、路面、楼板、桥板等的裸露面积较大的混凝土构体表面。②塑性收缩裂缝一般在混凝土终凝前发生，即在塑性阶段产生，并且在养护开始前发生。③塑性收裂缝表现为由表及里、深度较浅、裂缝较宽，且开裂多而无规律性，多呈现龟裂纹，且裂纹随收缩的加大会继续发展。

（2）产生原因。在环境的湿度低、温度高和风的作用下，加之保湿养护不够，新浇筑的混凝土表面水分会迅速蒸发脱水形成干壳，而内部还未凝结。当新浇筑的混凝土表面水分蒸发速度大于泌水补给速度，表里会产生较大的体积收缩差异，从而使表面收缩大于内部收缩，此时混凝土表面产生收缩并受到下层混凝土的约束，导致在已经变得干稠凝固但又使软弱的塑性混凝土内产生拉应力，造成混凝土表面生成浅的、伸向各个方向的短裂缝，开裂多而无规律性，多呈龟裂纹，且一般表面裂缝比较宽。

（3）影响因素。①用水量、水胶比和坍落度。新拌混凝土生产控制不当或施工现场任意加水，导致用水量和水胶比超标、入模坍落度过大，加大了表面干缩。②振捣程度。振捣过度导致混凝土表面泌水、泌浆严重，加大了表层水胶比，加快了表面干缩的速度。③气候环境。浇筑环境温度高、环境干燥、湿度低、风速大、蒸发量大，尤其是在炎热夏季和大风天气。春、秋多风，风大季节为北方地区梁和板状结构早期裂缝的多发期。高温、干燥及大风天施工，如不对板状结构采取有效措施，则裂缝多且宽；而阴天、小雨天施工的板状结构早期裂缝极少。早上、中午施工，如不对板状结构采取有效措施，则裂缝多且宽；而下午、晚上施工的板状结构早期裂缝极少。④养护。保湿养护不及时、不到位。⑤看护和后期处理。看护不到位，裂缝发现晚，凝结前的二次处理不到位、不得当。⑥凝结时间。凝结时间的长短并不能直接导致塑性收缩裂缝，但凝结时间过长会使混凝土的塑性阶段延长，如果保湿养护不到位很容易产生塑性收缩裂缝。

1.3 干燥收缩裂缝

（1）特征及判别方法。①干燥收缩裂缝普遍发生在各种混凝土构体内部。②干燥收缩裂缝的产生贯穿于混凝土凝结水化的全过程，通常在终凝后明显出现，并且会随着水化进程而继续扩大延伸。③干燥收缩裂缝通常表现为沿断面较规则的裂缝、尺寸形状变化处和交界处不规则的裂缝，严重时会出现贯穿性裂缝。

（2）产生原因。①水泥水化反应导致混凝土体积收缩。水参与化学反应，水泥水化反应消耗一定的水，各种矿物水化反应所消耗的水量也不同，根据各反应方程式得到反应耗水量：C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。试验结果表明，各种矿物的减缩作用顺序为C3A＞C4AF＞C3S＞C2S。此外，水化反应形成的化学结合水（即强结晶水）的质量约为水泥质量的23%左右，而这水的比容只有0.73cm3/g。化学结合水的比容比自由水的小，是水泥水化过程中体积减缩的主要原因。②如果由混凝土中的水泥水化反应和水分蒸发散失而导致混凝土体积收缩，混凝土内部就会产生拉应力，当拉应力随着收缩量的增加而不断增加以致超过混凝土此时的抗拉强度时，混凝土便会出现裂缝。③混凝土的干燥过程是从外部向内部延续的，干燥的过程从混凝土表面一点点向内部扩张，故混凝土含水量是由外至内成梯度变化的。在外侧的混凝土收缩力度就比较大，内测的收缩力度就比较小，这种不均匀的混凝土收缩现象，造成了内外应力差异，进而引发外拉内张的趋势。当混凝土表面承受的拉力超过规定抗拉强度后，就会导致混凝土变形，出现裂缝。如果混凝土构体内部不因脱水不同而在各层次间引起干缩差异，则截面尺寸较小的构体近表层的脱水干缩就将起主导作用并导致整个构件出现较大干缩；随着截面尺寸增大，内部少脱水、不脱水的区域逐渐增大，影响到整个构件，这是因干缩减小而导致的不可视裂缝。

（3）影响因素。①水泥的矿物组成、活性及用量。各种矿物的减缩作用顺序为C3A＞C4AF＞C3S＞C2S，故使用C3A含量高的水泥产生干燥收缩的概率增大。硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，早期水化激烈程度依次降低，早期收缩依次降低，早强型水泥比非早强型水泥水化激烈程度高，早期收缩越大；水泥细度越小，活性越高，早期水化程度越激烈，早期强度越高，产生干燥收缩的概率增大；水泥用量越大，早期水化越激烈，其收缩随之加大，越容易出现裂缝。②浆骨比。混凝土浆骨比越高，混凝土干燥收缩越大，产生干燥收缩的概率越大。③水胶比。混凝土水胶比越高，特别是二次加水，混凝土干燥收缩越大，产生干燥收缩的概率越大。④水化程度。早期水化程度越激烈，早期强度越高，所配制的混凝土干燥收缩越大，产生干燥收缩的概率增大；反之当保湿养护做得不够，水分蒸发散失较快，干燥收缩较大时，如果早期水化程度越低，强度增长越缓慢，抵抗因干燥收缩而产生的应力的能力越差，则产生干燥收缩的概率越大。⑤气候环境。环境温度高、风速大、湿度低，加之保湿养护不到位，水分蒸发散失量增大，产生干燥收缩的概率越大。⑥工程结构的裸露程度（形状尺寸）。工程结构的裸露程度越大，水分蒸发面越大，越易受环境温湿度、蒸发量的影响，而水分散失量越大，混凝土干燥收缩越大，产生干燥收缩的概率越大。⑦结构体形状尺寸。对于长、大的构体（如较长、较大的楼板等），如不合理设置后浇带以补偿收缩，则会引发贯穿断面的干缩裂缝。形状尺寸变化处的结构体由于应力集中导致收缩应力较其他部位大，易引发裂缝。⑧养护。保湿养护对避免和减少干缩裂缝至关重要。如果保湿养护不到位，则会导致混凝土水分散失过快从而会产生干缩裂缝。

1.4 外力引起的裂缝

（1）特征。①梁、板部位的混凝土构体遭到上部荷载而出现的裂缝一般表现为由下表面向内部开裂，下部裂缝较内部或上部宽。②临近终凝和凝固后的混凝土因受外力而产生的裂缝不会愈合，并且会随着水化和干缩会有所发展，危害性较大。③混凝土在施工期间承受荷载远比结构使用期间的荷载更为严重，早期混凝土更容易受到损害并常常因此产生永久性的裂缝。

（2）产生原因。因受外界拉压、剪切、扭曲等荷载造成的裂缝。外力超过混凝土的抗拉强度或抗压强度而产生裂缝。

（3）影响因素。①由于桥梁受到的荷载太大，因此直接应力裂缝是在外力荷载过大的作用下对桥梁混凝土产生直接应力后造成的混凝土裂缝。比如在桥梁施工建设时，进场材料及设备没有按照要求进行存放或管理；混凝土浇筑采用自卸的方式，使罐车直接在桥梁上停留，超过桥梁的设计荷载，最终导致桥梁承受力达到极限。②混凝土未达到一定强度就上人踩踏操作、荷载施工。③拆卸模板或者脱模时受到剧烈振动。④模板及支撑拆除过早，出现粘模、下坠或脱落。

1.5 沉降裂缝

（1）特征。混凝土裂缝处呈错台状态。

（2）产生原因。我国幅员辽阔，地质情况差异显著，桥梁建设的地基结构同样存在差异。一方面，由于地基存在不均匀沉降与水平移动等问题，使得桥梁混凝土附件的应力不断增加，最终超过混凝土抗拉强度，使混凝土出现裂缝；另一方面，张拉工艺和方法不正确，过早张拉、偏拉以及张拉速度过快，造成张拉应力大于混凝土强度，导致裂缝出现。

1.6 钢筋锈蚀裂缝

（1）特征。裂缝处出现凸出爆裂且有铁锈溢出。

（2）产生原因。这主要是在施工中使用了未经处理的生锈钢筋或者混凝土中可溶性氯离子含量超标，导致钢筋自身的结构应力发生了变化，达不到施工使用的要求。一旦投入使用，在外力作用下就会变形，导致混凝土出现裂缝。

2 裂缝防治措施

2.1 混凝土配合比设计及原材料选用

在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能降低单位水泥用量、水胶比（水灰比）、单位用水量以及坍落度。宜选用低水化热水泥，在条件许可情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥，对于预应力混凝土结构，可视情况选用早强水泥。（1）选用高效防水泵送剂，可延长凝结时间，降低水胶比，减少收缩，提高抗渗性能，在确保强度的同时，减小水化热，同时提高砼的和易性及可泵性。（2）合理掺加粉煤灰等矿物掺合料（特别是针对大体积混凝土部位），可达到改善混凝土的施工性能，延缓水化热释放速度及减小收缩的作用，同时可有效提高混凝土后期强度及耐久性能，延长混凝土使用寿命。（3）应选择级配良好且符合标准要求的骨料。（4）对超跨、超长结构，可掺入适量的微膨胀剂或膨胀水泥，使混凝土得到补偿收缩。

2.2 结构设计措施

（1）对结构变化处等应力集中部位，可与设计单位沟通，增配构造筋提高抗裂性能。（2）在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。（3）在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，保留时间一般不小于60d。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况做设计变更。

2.3 施工措施

（1）混凝土生产过程中要严格控制用水量和水胶比，要加强对砂、石含水率的检测，做到及时调整，尤其是在雨雪天气要增加砂、石含水率的检测频率，确保水灰比和出场坍落度不超标。（2）混凝土施工过程中要严格控制用水量和水胶比，杜绝施工现场任意加水。在满足施工和易性的前提下尽可能选择较小的坍落度施工，严格控制入模坍落度，视情况增加对坍落度的检查和检测次数，严禁使用坍落度过大或严重离析的混凝土。对于坍落度过小、浇注困难的混凝土，可加入适当的外加剂进行调整。（3）采用综合措施，控制混凝土初始温度。合理选择浇筑施工时段，应尽量避开高温时段施工，尽量降低混凝土浇注入模温度。（4）加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。对于大体积混凝土，浇筑方案可采取全面分层、分段分层或斜面分层浇注振捣。采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。（5）对易发生温度裂缝的大体积混凝土要进行水化热计算，精确估算砼内部的最高温度，并建立科学、完善的测温手段，及时了解混凝土内部温度变化情况，以便采取有效的蓄热保温养护措施确保混凝土内外温差低于规范25℃要求，保证混凝土的质量。

2.4 养护措施

（1）大体积混凝土养护，必要时可预埋循环水管降温或者凝固后在混凝土表面设置水层。要加强保温养护控制施工养护温度，减少混凝土内外温差。（2）冬季施工时，不得在混凝土面浇水。（3）严格按照施工规范做好混凝土养护工作。在压实抹平后，应及早用塑料薄膜覆盖保水，其敞露的表面应覆盖严密，并保持塑料布内有凝结水。接近初凝时，应对箱梁等平板结构混凝土表面进行二次拉毛，以消除混凝土表面的微裂缝。（4）浇水养护时间不得少于7d，浇水宜采用雾状水，次数应保持混凝土处于湿润状态。必要时可喷雾湿润混凝土表面的空气，使用挡风板减少风速或者遮盖混凝土表面防止阳光照射以降低表面温度。对于墩柱等竖向结构，应用土工布包裹柱体再用塑料布裹严，在内部缠绕喷淋水管，水管端头连接水箱，以此进行保湿养护。（5）混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上。（6）可以采取通冷水冷却的方式。为了能够有效预防桥梁工程中桥梁混凝土主体出现裂缝现象，一般采用通冷水的方式。基于对混凝土裂缝机理的研究，采用冷却水管薄壁钢管进行混凝土分层浇筑效果最佳，不仅可以有效避免浇筑漏水与堵塞现象的发生，还可以达到检测浇筑管道是否漏水、通水是否通畅等目的。除此之外，借助薄壁钢管通冷水的方式，将有效降低混凝土内部温度，避免内部高温现象的发生，从而有效控制并预防桥梁混凝土裂缝现象的出现，提高了桥梁的整体质量。

2.5 加强现场管理

进场材料及设备要按照要求存放或管理；为避免桥梁受到的荷载太大而使混凝土出现裂缝，通过桥梁的车辆一定不能超过桥梁能承受的最大荷载；混凝土强度未达到1.2N/mm2前，不得在其上踩踏；未达到5N/mm2前不得在新浇混凝土面搭设脚手架、安装模板及绑扎钢筋，否则桥梁会因受外力而出现裂缝；拆模时要注意不得直接敲打混凝土和剧烈振动。

2.6 提升道路桥梁工程基础的稳定性

基础对于道桥工程来说非常重要，也是道桥工程的根本。如果道桥工程的基础出现偏移或者沉降，则很可能会导致道桥工程裂缝的产生。因此，在道桥工程施工的过程中，必须保证道桥工程基础的稳定性。在道桥工程施工之前，要细致勘察当地的地质情况，保证勘察结果的准确性，并严格按照地质勘察报告来设计道路桥梁工程的基础施工，在道路桥梁工程施工完成以后，要做好沉降监测工作。通过这样的方式，不仅可以提升道桥工程的稳定性，还可以减少道路桥梁工程裂缝发生的概率。

3 结束语

桥梁工程出现混凝土裂缝问题的原因多种多样，分析裂缝产生的原因，提出对应的预防措施，对于桥梁施工具有重大的指导意义，可显著提高桥梁的施工质量，降低混凝土裂缝问题造成的不良影响，从而延长桥梁的使用寿命。