羅士瑾，趙建鏵

（1.浙江金基置業(yè)有限公司，杭州 310016；2.浙江交科工程檢測有限公司，杭州 311215）

0 引 言

橋梁結構混凝土裂縫是橋梁主要病害之一，它的形成和發(fā)展受到施工、溫度、荷載等多種因素的影響，混凝土表面裂縫過多或構件關鍵部位出現裂縫均對橋梁的外觀質量和使用壽命有著嚴重影響，作為工程技術人員必須對裂縫引起足夠的重視。

1 混凝土橋梁設計思想

根據我國現行 《公路橋涵設計通用規(guī)范》規(guī)定[1]：公路橋梁應按技術先進、安全可靠、適用耐久、經濟合理的要求進行設計，同時還應符合美觀和有利環(huán)保的設計原則?；炷两Y構橋梁的設計采用概率極限狀態(tài)設計法，分為承載能力與正常使用兩類極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)是指橋梁結構達到最大承載能力或出現不適于繼續(xù)承載的變形或變位的狀態(tài)，承載能力極限狀態(tài)設計關系到橋梁的安全問題，其設計的原則是作用效應最不利組合 （基本組合）的設計值必須小于或等于結構抗力的設計值。正常使用極限狀態(tài)是指橋梁結構達到正常使用或耐久性的某項限值的狀態(tài)，正常使用極限狀態(tài)設計時要對構件的抗裂、裂縫寬度和撓度進行驗算，并使應力、裂縫和變形計算值不超過規(guī)范[2]的規(guī)定限值，即使用容許裂縫寬度來控制混凝土構件的結構設計。表1是橋梁結構的最大裂縫寬度限值表。

表1 橋梁結構最大裂縫寬度限值表

2 混凝土結構裂縫產生原因分析

2.1 內部結構性能的影響

混凝土是一種非勻質的復雜多相復合材料，在其微觀結構組成之間主要是范德華力在起作用，其粒子與粒子之間僅存在弱物理鍵的相互作用，抗拉強度比抗壓強度要小一個數量級甚至更多，斷裂能僅約為102J／m2量級，而其微結構的不均勻性，以及在硬化早期因多方面造成的損傷、微裂縫和拉應力，進一步使它易于開裂，以及出現裂縫和部位的隨機性。一旦在混凝土內部產生的拉應力超過其抗拉強度時，結構就會產生裂縫。而且混凝土和鋼筋的受力性能各不相同，混凝土的抗壓強度高但抗拉強度低，屬于脆性材料；而鋼筋的抗拉強度高但抗壓性能不高，屬于韌性材料。鋼筋混凝土結構可以充分利用鋼筋與混凝土各自的材料特點，把它們有機地結合在一起共同工作，但由于兩者彈性模量相差很大，導致兩者在共同受力時的強度差別也很大。因此當外荷載作用增大時，混凝土因拉應力超過抗拉強度而開裂，由鋼筋來代替混凝土承受拉力。當約束下變形產生的拉應力超過實時的抗拉強度，也就是下面三個條件：約束的程度、變形的大小、實時抗拉強度，是決定混凝土裂縫產生的內在原因。不受約束的自由變形不會產生應力，抗拉強度大于拉應力時不會開裂。應力大小和實時的彈性模量有關，和松弛應力的徐變有關。

為防止混凝土裂縫深度的擴展，要及時控制混凝土結構早期裂縫的形成。在施工過程中，應對混凝土進行適當搗固并加強養(yǎng)護，這樣可以防止混凝土結構內部孔隙和裂縫擴散而形成相互連通的裂紋，能夠有效抑制裂縫的產生。而在橋梁結構運營期間，混凝土內部微裂縫會隨著外部荷載的反復作用以及外界環(huán)境變化等因素的影響而不斷發(fā)展，微裂縫逐漸擴展并最終導致混凝土結構開裂。因此，要嚴格控制施工質量，盡量避免結構裂縫的產生，確保在混凝土結構內部形成統(tǒng)一有機的整體，這樣可大大提高結構的耐久性。

2.2 外荷載作用引起的裂縫

橋梁結構在外荷載作用下產生的裂縫主要有靜力荷載與動力荷載作用引起的裂縫以及次應力作用下產生的裂縫。靜力荷載主要是指結構的自重作用，而動力荷載主要包括車輛荷載、風荷載和地震荷載，結構在動荷載作用下會發(fā)生振動，結構應力不斷循環(huán)變化而導致結構疲勞損傷積累增加。由于建造橋梁所使用的建筑材料是各向異性且非連續(xù)性分布的，因此在結構內部存在許多微小缺陷，而這些微小缺陷在外荷載的反復作用下會逐漸發(fā)展擴散并引起結構損傷，隨著損傷的不斷積累將引起材料的脆性斷裂。在工程實例中發(fā)現：此類裂縫多出現在結構的受拉和受剪區(qū)、受力薄弱位置以及一些振動較嚴重部位，常見的主要裂縫包括直接應力裂縫和次應力裂縫[3]。

（1）直接應力裂縫—橋梁結構在外荷載的作用下，由于產生的結構應力過大而出現的裂縫。主要原因有：①在橋梁結構設計階段，沒有從橋梁結構體系構造、材料特性及施工方法等多個方面綜合考慮結構施工及使用要求，而致使橋梁結構在施工和運營階段中出現應力超限情況。例如，計算模型不合理、內力與配筋計算錯誤導致結構受力設計與實際受力不符、結構強度和剛度不足、安全儲備不夠等。②在橋梁結構施工階段，采用不合理的施工方法，施工順序顛倒以及未對結構疲勞強度進行驗算而導致裂縫產生。③在橋梁結構使用階段，超載車輛的運營，受車輛、船舶的撞擊以及發(fā)生大風、大雪、地震等自然災害也會使結構產生裂縫。

（2）次應力裂縫—由于溫度荷載以及結構幾何不連續(xù)或材料不連續(xù)引起的次生應力而產生的裂縫。主要原因有：①橋梁結構的實際工作環(huán)境及應力狀態(tài)與其設計溫度荷載不符而引起次應力，會導致結構開裂而出現裂縫，在實際結構工程中，次應力是引起荷載裂縫產生的主要因素。②橋梁結構構件及其連接處的截面有孔槽和缺口等突然改變，在外荷載作用下，截面上就會出現應力集中，疲勞強度降低，產生裂縫導致構件脆性斷裂。

2.3 外部環(huán)境作用引起的裂縫

外部環(huán)境作用主要是指外界溫度的變化而引起結構裂縫的產生，溫度裂縫是由于結構與外部環(huán)境之間存在溫差而使混凝土出現溫度梯度非線性分布而產生的。當混凝土結構的內部與外部溫度發(fā)生不一致變化時，內外溫差越大，則混凝土發(fā)生的變形越嚴重。由于混凝土變形受到約束，將在混凝土結構內部產生應力，而當結構應力超過混凝土極限拉應力時就會產生溫度裂縫。橋梁上能夠觀察到的嚴重裂縫損害，很多都是由于溫差引起的內應力和約束應力所造成的。溫度裂縫的主要特征是表面裂縫的走向一般無規(guī)律性，深層或貫穿裂縫的走向一般與主筋平行或接近平行。裂縫寬度大小不一，受溫度變化的影響熱細冷寬。溫度裂縫是粗裂縫產生的重要原因，一般出現在配筋薄弱之處。特別是與晝夜間的變化關系最大，日照和驟然降溫是導致結構溫度裂縫的最常見原因。橋梁上嚴重損害的裂縫往往發(fā)生在氣候條件最差的時候，溫度應力也與橋梁所處的地理位置有關。

2.4 混凝土收縮引起的裂縫

混凝土在凝結硬化過程中產生體積變化 （多指收縮），當混凝土產生收縮而結構又受約束時，就可能會產生收縮裂縫。收縮受約束產生的拉應力和由于徐變釋放的應力之間的相互作用，是硬化混凝土出現早期開裂的核心。在實際橋梁結構中，由于混凝土收縮而產生的裂縫非常多見。其中，塑性收縮和縮水收縮 （干縮）是引發(fā)混凝土體積變形兩個最主要原因，由于混凝土快速干燥，其泌水速率小于混凝土內水分的蒸發(fā)速率，而在混凝土固體顆粒表面產生毛細管張力，導致混凝土自體收縮所產生的拉應力遠遠大于混凝土極限拉應力而產生收縮裂縫。收縮裂縫的主要特點是大部分屬表面裂縫，呈龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律，裂縫寬度較細，且縱橫交錯。在鋼筋以上，似龜紋，常開始出現在現澆混凝土后數周或數月之間[4]。

2.5 混凝土材料質量及配合比不當引起的裂縫

可能導致結構出現裂縫的原因有：混凝土材料質量差、所采用材料質量不合格或配合比設計不當。

（1）混凝土材料質量。如果砂石骨料含泥量高，將造成水泥和拌和水用量加大，降低混凝土強度和抗凍性、抗?jié)B性，容易造成混凝土構件表面出現水平乍紋，嚴重影響構件的外觀質量和使用壽命。水泥在存放期間受潮或使用過期水泥，都可能造成混凝土強度不足，從而導致混凝土結構在使用期間發(fā)生開裂。水泥安定性不合格，容易造成混凝土強度降低，和易性差，混凝土收縮裂紋增加?；炷林械膲A性物質同骨料中活性硅成分之間的反應會使混凝土結構出現膨脹裂縫。發(fā)生堿骨料反應有兩個必要條件，即骨料具有一定的堿活性和適宜的環(huán)境 （潮濕、浸水）。堿骨料反應在骨料周圍和混凝土縫隙中有硅酸堿膠滯體存在或擠出，在顯微鏡下觀察，骨料顆粒周圍出現反應環(huán)，砂漿或混凝土表面出現網狀微裂縫，水泥漿出現碳化現象。

（2）混凝土配合比。水泥品種選擇不當，采用礦渣硅酸鹽水泥、快硬水泥的混凝土收縮性高于普通硅酸鹽水泥、火山灰水泥。水泥用量過大，水灰比大，含砂率不適當，集料顆粒級配不良或采取不恰當的間斷級配，細度模數不當，骨料粒徑過細或針片含量大，混凝土外加劑、摻和料選擇不當或摻量不當等情況均易造成混凝土收縮增大，誘導裂縫產生。

2.6 鋼筋銹蝕引起的裂縫

鋼筋銹蝕是引起裂縫的主要因素之一，也是影響鋼筋混凝土結構耐久性的關鍵問題。如果使用質量較差的混凝土，并且混凝土保護層厚度不足，在二氧化碳的侵蝕作用下混凝土發(fā)生碳化，使鋼筋周圍混凝土的堿度降低，造成鋼筋表面氧化膜破壞，導致鋼筋發(fā)生銹蝕反應，而鋼筋的銹蝕又進一步促使混凝土保護層脫落，導致鋼筋有效面積不斷減小，造成結構承載力不足。

2.7 施工質量引起的裂縫

在實際工程結構中，施工質量差是結構產生裂縫的重要原因之一。在混凝土結構澆筑及構件制作過程中，如果采用不合理的施工工藝和方法，將會產生各種縱向和橫向裂縫。施工工藝和方法不當引起的質量問題，主要表現在以下幾個方面：

（1）混凝土在施工過程中振搗不密實、不均勻，而使過多的空氣或水進入混凝土內部，引起鋼筋銹蝕。

（2）如果在混凝土施工過程中澆筑速度過快，混凝土流動性較低，都容易引起結構在澆筑數小時后產生收縮裂縫。

（3）在施工時如果過早進行拆模將導致混凝土強度不足，導致構件在自重作用及施工荷載作用下產生裂縫。

（4）在預應力梁端部，當進行預應力張拉時，梁端部受力狀態(tài)非常復雜，目前預應力梁端部的非預應力配筋均為構造配筋，不能有效抑制預應力筋張拉時產生于梁端的諸多不利應力，往往使梁端產生裂縫。

（5）施工前地基處理不好，預壓荷載未達到規(guī)范和設計要求，澆筑混凝土后支架發(fā)生不均勻沉降，將導致混凝土出現裂縫。

3 預防橋梁混凝土裂縫的措施

影響裂縫的因素很復雜，往往是多種因素造成的，控制裂縫是包括設計、混凝土及其原材料生產、施工甚至監(jiān)理和業(yè)主在內幾方面的責任。

（1）設計方面。加強設計的合理性和安全系數以及施工的合理性。同時，在構件設計時，應注意避免結構突變或斷面突變，對于較大孔洞，有條件時可在周邊設置護邊角鋼。

（2）原材料質量和配合比設計方面：①根據結構的要求和混凝土強度等級選擇合適的水泥品種、等級，在保證混凝土設計強度等級和保持混凝土良好工作性能的前提下，適當降低水灰比，減少水泥用量；②選用合適級配的砂、石原材料，含泥量應符合規(guī)范要求，有條件的項目可對砂石料進行水洗，降低骨料含泥量；③積極采用摻合料和混凝土外加劑，尤其是大體積混凝土施工時，可在拌合混凝土時摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土得到補償收縮，減少混凝土的溫度應力；④設計人員應結合工程實際，選擇恰當的配合比，合理選擇好混凝土的坍落度，并針對現場的砂、石原材料及時調整施工配合比。

（3）施工控制方面。①要做好模板、支架及各支撐處基礎和地基處理，確保其不發(fā)生沉降、移位，對現澆梁板的支架應嚴格按照設計和規(guī)范要求的荷載、時間進行預壓，檢驗支架、模板的強度和穩(wěn)定性；②加強溫度控制。為了使混凝土中的水泥比例降低，減少因水泥水化反應而產生的熱量，應在進行橋梁施工時多采用干硬性混凝土，并充分改良骨料的配置，同時適當增加添加劑。在混凝土的整個拌和過程中，可以選擇在適當的時候添加適量的水份，以達到冷卻碎石的目的，從而降低了混凝土澆筑時的溫度。而為了防止溫度裂縫的產生，必須嚴格控制施工過程中混凝土的澆筑時間和澆筑速度。在夏季施工中，需要在混凝土骨料上灑水，減少混凝土的澆筑厚度，充分利用澆筑層的面積進行散熱。必要時可在混凝土內部設置降溫水管，這樣能夠全面有效的降低混凝土的內部溫度。而在冬季施工中，則要對混凝土結構采取相應的保溫措施，控制結構裂縫的產生。③采用兩次振搗技術，可有效消除因塑性沉降引起的內分層，提高混凝土密實度，改善骨料的界面結構，提高混凝土強度；④在盡可能的情況下，橋梁墩臺 （尤其是高墩）混凝土應一次澆筑，不設施工縫，對墩身不可避免的施工縫要按技術規(guī)范要求，鑿毛該混凝土表面，用水沖洗干凈，在混凝土澆筑前，對水平縫鋪一層2～3 cm的1∶2水泥砂漿后再繼續(xù)澆筑混凝土；⑤嚴格控制混凝土配合比。根據混凝土強度等級與混凝土和易性的要求確定最佳配合比，嚴格控制水泥用量和水灰比。為了加強混凝土的抗裂強度，要選擇級配良好的砂石，控制砂的粒徑和含量，并適當減少其空隙率，這樣可以大大減少混凝土的收縮量。同時加強養(yǎng)護，可以有效提高混凝土的強度，并且避免其在硬化過程中由于失水得不到及時補償而產生大量裂縫。經常采用澆水養(yǎng)護，還可以減少溫度變化及混凝土收縮而產生的裂縫。⑥在結構比較復雜、約束點較多的特殊部位，在混凝土強度滿足要求的前提下，及時進行預應力張拉。施加的預應力能有效地抵消混凝土因收縮變形而產生的變形應力，從而減少裂縫產生并控制已產生的微小裂縫繼續(xù)擴散。⑦混凝土澆筑完畢后立即以土工布覆蓋，灑水養(yǎng)護，使混凝土表面保持濕潤狀態(tài)，不斷補充蒸發(fā)的水分。

4 橋梁結構裂縫的處理

鋼筋混凝土橋梁結構在使用過程中基本上都是帶裂縫工作的。產生的裂縫包括可見裂縫和不可見裂縫，同時可見裂縫可分為無害裂縫和有害裂縫兩種。有害裂縫在外荷載及環(huán)境變化作用下不斷產生和發(fā)展，導致橋梁結構混凝土發(fā)生碳化，致使混凝土保護層剝落從而引起鋼筋銹蝕，有害裂縫的產生將嚴重影響橋梁結構的安全性及使用壽命，必須對其進行嚴格控制。

在對橋梁結構中產生的有害裂縫進行處理之前，應首先對其進行仔細觀察，分析研究裂縫的性質及產生原因，然后再對不同性質裂縫采取相應的措施進行處理。對于由外荷載作用而產生的受力裂縫而言，要確定結構的承載能力是否存在問題，如果橋梁結構承載能力不足，則首先應按照有關標準規(guī)范的要求對結構進行加固。而對于由于其他原因而產生的普通裂縫，則應該對殘余裂縫進行封閉處理。在對混凝土結構裂縫進行處理加固時，應制定相應的技術方案，并按照方案要求進行修復與加固施工[5]。

針對混凝土結構產生的裂縫，主要有以下幾種處理方法：

（1）表面修復法：包括表面涂抹法和表面貼補法，表面涂抹法的適用范圍是不漏水、不伸縮及不再活動的裂縫及裂縫深度尚未達到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫，還包括漿質材料難以灌入的細而淺的裂縫。表面貼補法則適用于大面積漏水的防滲堵漏。

（2）內部修補法：這種方法是用壓漿泵將膠結料壓入裂縫中而使結構重新形成統(tǒng)一整體。內部修補法主要針對影響結構混凝土整體性或對防水、防滲有較高要求的裂縫修補。一般采用水泥和化學材料對裂縫進行全面修補，灌漿材料的選用由裂縫的性質特點、大小寬度及施工條件等因素決定。當裂縫寬度L＞0.5mm時，采用水泥灌漿對裂縫進行修補；而當寬度L≤0.5mm時，則可采取化學灌漿的方法對裂縫進行修補，該方法也適用于寬度較大的溫度收縮裂縫。

（3）結構補強法：橋梁結構在運營期間，由于各種超載車輛荷載的作用會產生大量的裂縫，如果不及時對這些裂縫進行處理，混凝土結構性能將會發(fā)生嚴重改變，導致混凝土結構耐久性降低。一般可采用增大混凝土結構的截面面積、改變橋梁結構體系以及增加體外預應力等方式對結構進行加固。

5 結 語

混凝土橋梁結構及其構件產生裂縫的原因較為復雜，是多方面且相互存在顯著交叉作用的。鋼筋混凝土結構在使用中往往需要帶裂縫工作，微小裂縫的產生無法避免，原材料性能指標的微小變化、質量的波動和與環(huán)境、操作的差異，以及時間的推移，都會造成混凝土微結構的變化，而明顯影響拌和物與結構物的宏觀行為至今還沒有任何手段能夠確切地了解混凝土內部在不同條件下究竟發(fā)生了什么、將會發(fā)生什么，混凝土具有微結構和性能不確定與不確知性，是一種混沌體系 （非線性體系），初始參數微小的變化可能引起最終結果的巨大偏差。

雖然各國的規(guī)范明確規(guī)定允許混凝土構件在開裂的狀態(tài)下工作并對裂縫隙的寬度作了限制。但由于橋梁結構處于交通流量大，重載車輛多的特殊環(huán)境中，在荷載反復作用、氣溫、干濕度的反復變化下，就會使上述原因產生的裂縫擴展、加寬、密度增加。所以對公路橋梁的裂縫應持慎重態(tài)度，對裂縫的鑒別應從結構安全度、耐久性、建筑功能等方面加以考慮，采取積極有效的治理措施，以確保橋梁結構的安全。

[1]JTG D60－2004，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[2]JTGH11－2004，公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范[S].

[3]劉松平.鋼筋混凝土橋梁裂縫成因分析與加固措施研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[4]金鳳溫.橋梁裂縫分析及修補方法探討[J].公路交通技術，2004，（6）：83－85.

[5]胡大琳.橋涵工程試驗檢測技術[M].北京：人民交通出版社，2000.