現(xiàn)澆梁裂縫成因分析及預防應對措施研究

徐 鐳

（中鐵二十一局集團第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830011）

1 引言

隨著國家交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁在交通工程的比例逐漸增大。現(xiàn)澆梁結(jié)構由于受力明確、設計簡單、施工容易、工期較短，因此在橋梁結(jié)構中得到了廣泛應用。但是，現(xiàn)澆梁成形后由于混凝土原材料性質(zhì)、配比，施工方式、養(yǎng)護條件、循環(huán)荷載、收縮徐變等因素，常常導致梁出現(xiàn)裂縫?；炷翗蛄航Y(jié)構的開裂問題，一直是工程界最關心的課題之一，因為裂縫的出現(xiàn)涉及到結(jié)構外觀的破損、鋼筋的腐蝕及結(jié)構功能的喪失。其中，混凝土水化凝固過程中由于內(nèi)外溫差而形成的溫度荷載和外界環(huán)境對混凝土橋梁結(jié)構的影響而形成的溫度荷載，是混凝土橋梁結(jié)構開裂的主要原因之一。早在20世紀50年代，王鐵夢、朱伯芳等［1］學者研究了大量的溫度應力和裂縫控制的實驗研究；王鐵夢［2］通過對大量的工程實例統(tǒng)計與總結(jié)，針對由于變形而引起的裂縫作了詳細的理論實驗闡述；清華大學陳肇元教授等［3］在1998年以廣州地鐵為背景，進行了地下鋼筋混凝土結(jié)構的抗裂研究，全面分析了施工階段各種裂縫的成因機理以及控制措施，并研究了設計方面考慮的混凝土裂縫控制方法；寇永大［4］認為底板鋼筋缺失、澆筑混凝土不均勻、保護層厚度不足、張拉預應力鋼筋時混凝土強度不足是導致底板裂縫的主要原因；新加坡的H.R.Lu［5］認為混凝土抗拉強度取決于許多因素，如配合比、養(yǎng)護條件等，而研究表明拉應變能力是一個相對的常數(shù)，不受配合比、養(yǎng)護齡期和抗壓強度的影響；瑞典的Mats Emborg［6］認為混凝土結(jié)構早期的溫度分布、相連結(jié)構的溫度、早期混凝土瞬時的力學性質(zhì)和約束條件都是影響混凝土開裂的重要參數(shù)。

對于現(xiàn)澆裂縫的處理，許多專家學者進行了相關研究，提出了適用于現(xiàn)場實際的解決辦法。為了保證工程質(zhì)量，必須對現(xiàn)澆梁裂縫引起高度重視，采取必要措施防止裂縫出現(xiàn)，對已出現(xiàn)裂縫的梁要按照科學的方法進行處理［7-8］。

2 現(xiàn)澆梁裂縫的構造特征、類型及發(fā)生的原因

2．1 現(xiàn)澆梁裂縫構造特征

在現(xiàn)澆梁施工完成后裂縫出現(xiàn)的構造特征各式各樣，主要構造特征包括：（1）沿梁橫斷面環(huán)形或沿縱斷面縱向連續(xù)的裂縫、斜向（約45°）裂縫、垂直于相交面的短直裂縫（梗肋處），主要由荷載作用、溫差作用、鋼筋銹蝕作用等引起；（2）錨下混凝土面沿半徑方向裂縫或側(cè)腹板縱向裂縫、沿縱向鋼筋或沿縱向波紋管走向的裂縫、沿預埋件或預留孔周邊的裂縫、縱橫相互交錯將混凝土切割成塊狀的裂縫，主要由應力集中、鋼筋銹蝕作用、外界環(huán)境腐蝕等引起。

2．2 現(xiàn)澆梁裂縫類型

按照裂縫成因，裂縫類型主要有：（1）溫度裂縫；（2）收縮裂縫；（3）堿—骨料反應引起的裂縫；（4）施工工藝質(zhì)量引起的裂縫、施工材料不達標引起的裂縫、周圍環(huán)境對混凝土侵蝕而引起的裂縫等多種因素組合疊加造成的裂縫。

按照裂縫發(fā)生的時間可分為：（1）施工期間出現(xiàn)的裂縫，包括拆模前裂縫、拆模后裂縫、張拉后裂縫、落架后裂縫；（2）使用期間出現(xiàn)的裂縫，包括使用荷載作用、外界環(huán)境侵蝕作用出現(xiàn)裂縫。根據(jù)裂縫深度有表層、淺埋、深埋、貫穿裂縫。在實際工作中按照處理方法不同還可分為0.05 mm以下裂縫、0.05～0.15 mm的裂縫、0.15～2 mm及2 mm以上裂縫。

2．3 現(xiàn)澆梁裂縫產(chǎn)生的原因分析

2．3．1 溫度裂縫分析

溫度裂縫可歸結(jié)為兩大方面。一是混凝土水化反應放熱造成的裂縫；二是陽光照射引起溫度梯度造成的裂縫。此種裂縫大多表現(xiàn)為貫穿性，且較深，影響結(jié)構的整體剛度，一般在施工結(jié)束幾個月后出現(xiàn)。

（1）混凝土水化反應放熱造成的裂縫

水泥主要是由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等少量氧化物按比例混合而成的細磨材料。這些材料在和水混合時發(fā)生水化反應生成新的化合物，主要有水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣膠凝質(zhì)、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣晶體膠質(zhì)物，并逐漸凝結(jié)、凝固。在水化反應過程中有大量的熱量放出，根據(jù)文獻和實際測量一般都在200～300 J／g范圍。熱量的產(chǎn)生使混凝土的溫度急劇上升，通過實際測量有些可達60～70℃。混凝土拌合物溫度按如下公式計算：

其一，混凝土拌和出料溫度［9］（T0）

式中，Mw、Mce、Msa、Mg分別為每立方混凝土水、水泥、砂子、石子用量（kg）；Tw、Tce、Tsa、Tg分別為水、水泥、砂子、石子溫度（℃）；Wsa、Wg分別砂子、石子含水率（%）；C1為水比熱容（kJ／kg·k）；C2為冰的溶解熱（kJ／kg·k）。

其二，混凝土絕熱溫升值［10］（Tx）

式中，Qx為水泥水化熱，kJ／kg；W為水泥用量，kg；K為折減系數(shù)；F為混合材料用量，kg；C為混凝土比熱kJ／kg·k，取值為 0.97；?為不同的澆筑厚度降溫系數(shù)，取0.5～0.7；ρ為混凝土密度，2 400～2 500 kg／m3。

混凝土內(nèi)外產(chǎn)生溫度差，形成了內(nèi)高外低的溫度梯度。該溫度梯度使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，而表面產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

該裂縫是一種發(fā)散不連續(xù)的短、曲縫，深度一般較淺，寬度一般在0.1 mm以內(nèi)。如個別現(xiàn)澆箱梁頂板底面因受到腹板約束，溫度裂縫可能表現(xiàn)為連續(xù)性線段。溫度裂縫通常發(fā)生在兩個時間段，一是出現(xiàn)在拆模前，即混凝土升溫期；二是出現(xiàn)在拆模時或之后，即混凝土降溫期。

（2）陽光照射造成的裂縫

當橋梁混凝土現(xiàn)澆—覆蓋—養(yǎng)護完成后，便裸露在外。在陽光的照射下，因梁左、右入射角不同，不同高度大氣透明度不同，因而混凝土梁在不同空間位置得到不同的光照強度和吸收不相同的光能。吸收光能多的溫度較高，使混凝土產(chǎn)生了壓應變；吸收光能少的溫度較低，使混凝土產(chǎn)生了拉應變。當混凝土拉應變超過極限拉應變時就生成裂縫。另外陽光照射裂縫發(fā)生還受到橋梁地址所處地理緯度和橋梁走向兩個方面的影響。在我國地域范圍內(nèi)由于這種溫差值較小，實際及文獻中純粹陽光照射裂縫極其少見。橋梁規(guī)范總結(jié)了我國陽光照射溫度梯度在最不利情況下最大溫差為20℃，該溫差造成的拉應變遠小于混凝土容許拉應變。雖然陽光照射造成的裂縫出現(xiàn)的幾率很小，但在和其它裂縫同時發(fā)生時將會促使裂縫加速發(fā)展，在實際設計和施工中應予以考慮。

2．3．2 混凝土收縮裂縫分析

混凝土收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象。一般分為塑性收縮（又稱沉縮）、化學收縮（又稱自身收縮）、干燥收縮及碳化收縮?；炷潦湛s是化學和物理變化相結(jié)合并不斷變化的一種自然現(xiàn)象。但裂縫的大小與混凝土本身材料、配比、結(jié)構形式、外界條件等因素有關，主要有兩種表現(xiàn)形式。

（1）化學收縮、沉縮產(chǎn)生的裂縫。收縮、沉縮裂縫多數(shù)發(fā)生在混凝土拆模前，縫寬在0.05～0.2 mm之間，為不連續(xù)曲線形態(tài)。產(chǎn)生的原因為水泥漿體收縮時，粗骨料、構件中預埋件及鋼筋限制了水泥收縮，從而出現(xiàn)了裂縫。該裂縫嚴重時會出現(xiàn)全截面貫通現(xiàn)象。

（2）干燥收縮、碳化收縮裂縫。這兩種收縮產(chǎn)生的裂縫基本為同時進行和顯現(xiàn)的?？p寬一般為0.2 mm左右，混凝土內(nèi)外均產(chǎn)生，表現(xiàn)為多條不連續(xù)的短曲線。但當收縮受到外界某種因素限制時，如模板摩擦力、箱梁腹板對頂板橫向限制、兩次澆筑混凝土收縮差等，則可能出現(xiàn)短曲線相互連接形成較長的裂縫。該裂縫在拆模后較長一段時間內(nèi)都有可能出現(xiàn)，產(chǎn)生原因為混凝土中的張力水（附著水）、毛細管水、碳化生成水在外界氣候條件影響下發(fā)生蒸發(fā)形成空管，從而混凝土內(nèi)出現(xiàn)負壓產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度時，裂縫顯露。另外，當多個空管出現(xiàn)聯(lián)通則可能發(fā)生較為嚴重的裂縫。

2．3．3 堿骨料反應裂縫分析

堿骨料反應裂縫形成是混凝土中的水泥在水化過程中釋放出堿性氧化物，與含有活性二氧化硅的骨料如蛋白石、燧石等進行化學反應，生成硅酸鹽，這種物質(zhì)吸水后體積發(fā)生膨脹，從而造成混凝土開裂。發(fā)生堿骨料反應或MgO的水化反應，生成膨脹性的凝膠，造成混凝土膨脹開裂，形成多為網(wǎng)狀或不規(guī)則裂縫。此類裂縫往往在結(jié)構竣工幾年后才出現(xiàn)，因為上述化學反應極為緩慢。

堿骨料反應引起的開裂存在于混凝土內(nèi)外，并形成網(wǎng)狀結(jié)構，寬度較大，一般在混凝土澆筑完成一個月后顯現(xiàn)，顯現(xiàn)后發(fā)展較快，造成后果嚴重，一旦發(fā)生很難控制，常被稱為混凝土結(jié)構“癌癥”。為了防止堿骨料反應產(chǎn)生裂縫，可選擇粉煤灰替代水泥，使水泥用量減少，同時減少了水化反應的抗裂性，有利于降低混凝土自收縮。堿骨料反應發(fā)生應具備三個條件，其一，骨料中具有堿活性物質(zhì)；其二，混凝土中具有足夠的堿物質(zhì)；其三，工程處在一定濕度條件下。

2．3．4 其它原因產(chǎn)生混凝土裂縫分析

混凝土現(xiàn)澆梁施工中除上述原因可能造成裂縫外，還有可能因混凝土振搗過程出現(xiàn)過振、預應力施工不規(guī)范及模板強度剛度不足、連接不牢固或支架變形和基礎沉降等原因造成裂縫。

（1）混凝土振搗過程過振造成的裂縫?；炷寥肽：髶v固目的：其一，是為了充分排出拌合料中的氣體及部分水分，使水泥漿及水泥砂漿飽滿填充粗、細料空隙；其二，克服模板與拌合料之間及骨料相互之間的摩擦力，使混凝土拌合料能夠順利下沉、密實。操作不規(guī)范和過分振搗會使砂漿液化、離析，粗、細骨料下沉，水泥漿上浮，造成上層混凝土骨料含量降低，水泥漿增多，使混凝土空隙率、收縮率增大，從而導致混凝土出現(xiàn)裂縫。該裂縫常出現(xiàn)在混凝土頂層，形成不連續(xù)的半月牙狀，寬度在0.05～0.2 mm之間。

（2）預應力施工不規(guī)范造成的裂縫。在預應力施工中由于波紋管道、錨下墊板預埋不規(guī)范，張拉力控制不準確或混凝土強度未達到設計要求，在該情況下施加拉力往往導致混凝土產(chǎn)生裂縫。該裂縫通常出現(xiàn)在錨下墊板周圍，是一條沿半徑方向走向發(fā)散的連續(xù)裂縫，裂縫根據(jù)實際情況不同有大有小，嚴重時可造成混凝土局部粉碎、錨下墊板破裂、錨具回縮。

（3）模板強度、剛度不足或連接不牢固造成的裂縫。現(xiàn)澆混凝土梁模板保證了混凝土硬化成形后能夠滿足構件設計形狀的要求，但由于模板強度、剛度不足或連接不牢固，施工中受到混凝土側(cè)壓力、搗固力等其它外力作用，模板發(fā)生脹模變形，從而造成艙內(nèi)容積增大，混凝土擴張甚至溢出。該種情況常出現(xiàn)在混凝土澆筑過程中。

（4）支架變形、基礎沉降等原因造成裂縫。在橋梁現(xiàn)澆施工中，由于混凝土自重及支架本身重量的作用，支架產(chǎn)生撓度，支墩產(chǎn)生下沉，在支架上正在澆筑的混凝土梁也必然跟隨下沉、變形，使梁在豎直面產(chǎn)生彎曲。彎曲造成了梁頂面產(chǎn)生壓應力，底部產(chǎn)生拉應力。此時混凝土還處在初凝和終凝階段，無任何承力強度，在拉力作用下梁底板及部分腹板易出現(xiàn)裂縫，即支架變形、基礎沉降裂縫。該裂縫常出現(xiàn)在梁跨中部一段長度內(nèi)，形成“U”形狀態(tài)，縫寬在0.2 mm以上。為了克服該種現(xiàn)象，現(xiàn)澆梁支架操作規(guī)程以及橋梁設計規(guī)范規(guī)定撓曲變形不超過4%，基礎沉降不超過2 cm。

3 現(xiàn)澆梁裂縫預防及處理方法

3．1 預防混凝土裂縫措施

（1）溫度裂縫預防。宜采用粉煤灰水泥或C3A和C3S含量低的低熱水泥，盡量減少水泥用量，可摻加高效緩凝減水劑；大體積混凝土可適當摻入塊石；夏季在拌和水中摻冰屑并對骨料進行噴水冷卻；加強混凝土養(yǎng)護，做好表面保溫措施。

（2）收縮裂縫預防。摻加高效減水劑、泵送劑以盡量降低用水量；施工時，下料不宜過快，并振搗密實；盡量使用C3A含量低的水泥。

（3）施工、腐蝕等其他裂縫預防。施工時嚴格按照施工規(guī)范進行，消除或降低混凝土中MgO等物質(zhì)的含量。

3．2 混凝土裂縫處理措施

混凝土裂縫處理，是指采用科學的方法對混凝土裂縫進行修復技術。裂縫處理前需用科學的手段進行檢測。檢測內(nèi)容：一是裂縫位置、形態(tài)、寬度、深度，判斷其性質(zhì)及危害性；二是對構件強度進行檢測判斷是否滿足要求；三是對混凝土內(nèi)鋼筋確定位置、根數(shù)和銹蝕程度；四是檢測碳化程度及深度［11-12］。根據(jù)檢測結(jié)果評判結(jié)構安全及耐久性，提出科學的處理方法。

（1）動力滲透法。將樹脂涂刷到混凝土表面，沿裂縫形成圍堤，使樹脂滲入裂縫內(nèi)，起到粘合和封堵作用，適用0.1 mm以下裂縫。

（2）真空滲入法。將裂縫表面密封，抽去空氣，再在大氣壓力下將封堵粘結(jié)料灌入裂縫孔隙中，適用于0.2～0.5 mm裂縫。

（3）灌漿法。利用壓力設備或彈性補縫器將封堵粘合料壓入混凝土裂縫孔隙中，適用裂縫范圍較廣。

（4）填充法。該法首先是沿裂縫開鑿出“V”字形槽口，然后用修補砂漿或其他粘合材料填充。適應于0.1～0.3 mm寬并且深度較淺裂縫。

4 總結(jié)

裂縫是混凝土施工中出現(xiàn)較為普遍的一種工程缺陷，至今為止仍然是工程界的尖端課題。裂縫產(chǎn)生的原因很多，產(chǎn)生裂縫后不要盲目處理，應分析產(chǎn)生裂縫的根本原因，具體問題需具體對待，找到原因后對癥下藥才能標本兼治。本文所提出的裂縫處理方法簡單可靠，對現(xiàn)澆混凝土梁裂縫的預防和控制都取得明顯效果，同時為其他工程實踐中現(xiàn)澆混凝土構件裂縫的預防和控制提供一定的借鑒和參考。