混凝土桥梁裂缝的形成机制控制措施研究

薛志翔

(上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司，安徽 合肥 230031)

如今交通的发展十分迅猛，作为交通的重要组成部分，桥梁的维护工作显得至关重要。但在实际的设计、建设等过程中存在着一些不合理的因素，不同形式的裂缝出现在一些桥梁运营或施工阶段，大大降低了道路通行的安全性[1]。许多学者关于裂缝问题进行了全方面的深入分析。贺罗等[2]研究了大体积混凝土的裂缝成因并从原材料等方面提出处理措施。武钰[3]针对预应力混凝土桥梁的检测技术和方法，提出加固的合理措施。韦旭朋等[4]使用正交试验法，研究了胶黏剂的最佳配合比，进一步解决修复混凝土裂缝的材料问题。

从理论上来说，桥梁的施工和运营阶段不可避免地会存在产生裂缝的现象，但可以采取相应的控制措施，达到控制和减少裂缝，提高桥梁的耐久性和安全性的目的。

1 研究混凝土桥梁裂缝的目的与意义

混凝土结构存在着长寿命以及长维护周期的特点，但在实际运营阶段因受到外界环境和自身的影响，混凝土结构的使用功能将逐渐降低。一些桥梁还未达到设计年限就不得不停止使用。出现这种病害的原因有很多，一方面可能是混凝土桥梁设计阶段的结构设计存在不足或运营阶段使用荷载出现了不利变化；另一方面，施工等相关因素未满足相应要求[5]。混凝土桥梁的裂缝问题不仅是桥梁中常见且多发的问题，也是急需解决的技术性难题。

引起混凝土桥梁出现裂缝的原因较多，通过对裂缝的深入研究一方面可以对裂缝的形成机制进行明确的阐述，另一方面对桥梁裂缝病害控制措施的研究提供技术支持。

2 桥梁裂缝形成机制研究

2.1 原材料引起的裂缝

水泥品种的差异会造成干燥后收缩程度的差异，水泥的抗拉强度也与水泥的标号有关。与此同时，不同水泥的水化热指数也存在较大的差异。在实际混凝土桥梁的施工过程中，选择不适合的水泥会引起入模温度较高以及产生低抗拉强度的混凝土结构，此时不能满足大于结构内部拉应力的要求，从而产生裂缝。而且，骨料级配的选择以及材料的配合比合适与否决定着混凝土结构的强度能否满足设计要求。比如若采用较大剂量的水泥会增加水泥凝结时生成的水化热，从而导致混凝土强度的下降，进而出现裂缝。

2.2 温度裂缝

水化热、昼夜温差、光照、温度骤降等因素均会导致混凝土结构出现温度裂缝。如果混凝土结构外部和内部的温度出现变化时，首先混凝土会出现变形，但是由于受到约束，接着会引起温度应力的产生。如果结构的抗拉强度低于温度应力，最终将导致温度裂缝现象的发生。一般来说，由于大体积混凝土浇筑时较大的内外温差，基础、桥墩、承台等出现温度裂缝的概率较大。

2.3 收缩裂缝

混凝土结构在成形的过程中，水分蒸发不一致，结构内外的干缩量往往有差异，从而引起混凝土中产生拉应力，因为混凝土表面收缩变形时会受到约束限制，最终造成混凝土开裂[6]。一般来说，混凝土具有低早强的特点，此时较大的拉应力会使混凝土产生收缩裂缝。不同结构类型的混凝土结构，裂缝出现的位置也不尽相同。对于板类混凝土结构，裂缝通常沿短边方向在相邻两根钢筋之间均匀分布；对于较大高度的钢筋混凝土，通常在结构中间产生竖向收缩裂缝，裂缝呈现两头细中间宽的现象；对于大体积混凝土，收缩裂缝在平面部位产生较多，偶尔侧面也会出现。

2.4 腐蚀裂缝

桥梁在运营过程中，混凝土结构直接暴露在自然条件下、因此混凝土桥梁受到风、雪、雨、光照等自然条件的影响较大。混凝土桥梁周围环境的改变，会导致混凝土发生较大的变化。大面积混凝土在桥梁工程中的使用大大增加了由于水腐蚀的原因产生裂缝的可能性[7]。与此同时，当钢筋不具有较强的密实性，氧气、水等自然因素会对钢筋产生腐蚀。尤其是当钢筋的防腐措施不到位会进一步加剧钢筋的锈蚀。一旦钢筋腐坏，紧接着导致周围混凝土体积膨胀，从而出现保护层开裂，沿钢筋方向纵向断裂，引起混凝土裂缝，与此同时混凝土表面也会出现锈迹(图1)。

图1 钢筋腐蚀产生的裂缝

3 混凝土桥梁裂缝控制措施

3.1 温度裂缝的控制措施

在进行混凝土桥梁的施工过程中可以采取一些相对应措施来预防温度裂缝的产生。在冬季施工时，最重要的是要做好混凝土表面的保温措施，特别是需要长期暴露在外的混凝土；拆模板时间的长短与否也直接决定着温度裂缝出现的概率大小，当外界温度骤降时应做好混凝土结构的保温处理措施；在夏季施工时，混凝土的厚度应适度，保证其可以通过自身的浇筑层面达到散热的目的；采用冷水管埋入混凝土结构的方法可以实现有效的降温。

3.2 收缩裂缝的控制措施

控制收缩裂缝最基本的措施就是科学合理地确定不同施工材料的比例，然后严格按照设计要求进行施工。水泥的用量和水的消耗量是需要格外控制的。在满足施工要求的前提下，混凝土结构的衰退要降低到最小[8]。与此同时，适度振动与否也直接影响着收缩裂缝产生可能性的大小。振动时间过短无法保证混凝土结构的密实性，振动的时间过长，粗骨料会下沉，则可导致混凝土结构表面缺少粗骨料的存在，表面出现灰浆现象，产生收缩裂缝的可能性会大大增加。

3.3 腐蚀裂缝的控制措施

在施工的过程中，混凝土水灰比的重要性不言而喻，不仅要控制好水灰比，还要保证振捣的程度，使混凝土结构达到密实完好，避免高碱和有害离子对混凝土结构的腐蚀；在使用外加剂时，应控制含氯材料的使用，同时也可使用阻锈剂避免材料的锈蚀；在混凝土桥梁的运营阶段应做好预防性养护以及确保排水系统良好，一旦发现桥面出现渗水，应及时修复，对于前期的混凝土裂缝应第一时间发现并封闭。

3.4 健全施工组织管理

在做好前面所述的控制措施的同时，还应健全施工组织管理。完善施工组织指挥系统，有次序做好各级技术交底工作，确保工程项目的顺利完成。一方面通过对设计的配合比进行优化，对施工工艺进行改良，做好养护方面等工作，另一方面加强施工组织的管理可以有效减少桥梁裂缝的产生。

4 案例分析

4.1 工程概况

华北平原某混凝土桥梁，桥长约150m，桥宽9.0m。该桥梁上部结构采用6 跨钢筋混凝土简支 T 形梁。下部结构采用双柱式桥墩，混凝土桥面铺装，基础为钻孔灌注桩，桥台选用双柱框架式。

4.2 桥梁裂缝检查

根据实地调查，该大桥的裂缝主要有桥面板横向裂缝、桥台混凝土脱落、腹板裂缝、横隔梁破损等现象。

上述这些病害现象的存在对于桥梁运营阶段的安全性以及耐久性有着极大的影响。除了前文提到的温度变化、水化热因素、腐蚀性会产生裂缝外，桥梁下部结构基础的变形、冻胀作用、荷载作用也会导致上述现象的产生。例如桥台混凝土的脱落主要是由于钢筋的锈蚀以及施工工艺的原因造成的。首先混凝土桥梁直接暴露在外界环境下，一旦混凝土碳化后，钢筋表面的钝化膜也会被氧化破坏，在条件适宜的情况下，钢筋极易发生锈蚀，最终引起混凝土保护层开裂。其次，混凝土材料中的外加剂、水泥、骨料中的活性成分以及水中的氧化钾、氧化钠等成分会逐步发生反应，产生具有吸水膨胀的生成物，从而导致混凝土开裂破坏。一般来说，此时的病害在混凝土表面呈现锥形破坏和脱落的现象。最后，如果在桥梁施工阶段，混凝土保护层厚度太大，未预留充分的伸缩缝等，梁体在受到膨胀作用后，防撞护栏会在桥墩处受到挤压作用，引起混凝土脱落。

4.3 桥梁裂缝处理措施

针对不同的裂缝情形，采取相对应的控制措施。在对桥梁裂缝进行处理时，第一步应对裂缝的位置、长度、宽度进行精确测量，然后绘制裂缝展开图。对于裂缝宽度大于0.2 mm的，选用环氧树脂胶灌浆的方法进行处理；对于裂缝宽度小于0.2 mm的，选用表面封闭的措施处理，如图2所示。

图2 封闭裂缝修复

对于裂缝宽度大于0.5 mm的超限裂缝，修复加固的方法采用粘贴碳纤维布。粘贴碳纤维布时通常沿着梁的主拉应力方向，并设置锚固端，如此一来可以控制表面裂缝的进一步扩展，达到提高梁体刚度和强度的目的。当粘贴工作完成后，需将浸渍树脂在表面均匀涂抹一层，待其自然风干，最后采取涂抹罩面胶等措施，确保梁体的使用耐久性，如图3所示。

图3 粘贴碳纤维布加固

3 结 论

引起混凝土桥梁出现裂缝的原因较多，往往不是单一因素造成的。对裂缝未进行深入调查了解分析，不结合裂缝自身的特点就随意进行修复加固，不仅达不到提高桥梁稳定性和安全性的作用，往往还会适得其反。只有深放探析裂缝形成机制，采取相应处理措施，才能真正达到解决混凝土桥梁裂缝问题的目的。