混凝土桥梁裂缝的六种类型分析 口刘夏利 摘要：本文对混凝土桥梁裂缝的六种类型进行了分析。 关键词ｔ凝土桥梁；裂缝 实际上，混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因 素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的原因。混凝土桥梁裂 ２收缩裂缝 缝的种类，就其产生的原因，大致可划分如下几种： １施工材料质量引起的裂缝 混凝土主要由砂、骨料、水泥、拌和水及￣Ｉ，／ＪＤ剂组成。配置 混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。 １．１砂、石骨料 （１）砂石的粒径、级配、杂质含量。砂石粒径太小、级配不 良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响混凝土的强 度，使混凝土收缩加大，如果使用超出规定的特细砂，后果更严 重。砂石中云母的含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低 混凝土强度。砂石中含泥量高，不仅将造成水泥和拌和水用量 加大，而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质 和轻物质过多，将延缓水泥的硬化过程，降低混凝土强度，特别 是早期强度。砂石中硫化物可与水泥中的铝酸三钙发生化学反 应，体积膨胀２．５倍。 （２）碱骨料反应Ｉ碱骨科反应有３种类型） ①碱硅酸盐反应。参与这种反应的骨料有粘土质岩石、千 枚岩、硬砂岩、粉砂岩等。此类反应的特点是膨胀速度非常缓 慢，混凝土从膨胀到开裂，能渗出的凝胶很少。 ②碱硅酸反应。参与这种反应的骨料有流纹岩、安山岩、凝 灰岩、蛋白石、黑硅石、燧石、鳞石英、玻璃质火山岩、玉髓及微 晶或变质石英等。反应发生于碱与微晶氧化硅之间，其生成物 硅胶体遇水膨胀，在混凝土中产生很大的内应力，可导致混凝 土突然爆裂。这类反应是碱骨料反应的主要形式。 ③碱碳酸岩反应。多数碳酸岩石没有碱活性，有特定结构 的泥质细粒白云质灰岩和泥质细粒灰质白云岩才具有与碱反 应的碱活性，且还须高碱度、一定湿度环境下才能反应膨胀。 碱骨料反应裂缝的形状及分布与钢筋有关，当力小 时，常出现地图状裂缝，并在缝中有白色或透明的浸出物；当限 制力强时则出现顺筋裂缝。在工程实践中必须对骨料进行碱活 性检验，采用对工程无害的材料，同时使用含碱量低的水泥品 种。 １．２水泥 （１）当水泥含碱量较高（例如超过Ｏ．６％），同时又使用含有 碱活性的骨料，可能导致碱骨料反应。 （２）水泥出厂时强度不足，水泥受潮或过期，可能使混凝土 强度不足，从而导致混凝土开裂。 （３）水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。氧 化钙在凝结过程中水化很慢，在水泥混凝土凝结后仍然继续起 水化作用，可破坏已硬化的水泥石，使混凝土抗拉强度下降。 １．３拌和水及外加剂 拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀 有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制混凝土，或采用含碱的 外加剂，可能对碱骨料反应有影响。 在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。 在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝 土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。研究 表明，影响混凝土收缩裂缝的主要因素有： （１）水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥 混凝土收缩性较高，普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收 缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越 大，则混凝土收缩越大，且发生收缩时间越长。例如，为了提高 混凝土的强度，施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，结 果收缩应力明显加大。 （２）骨料品种。骨料中右英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石 等吸水率较小、收缩性较低ｉ而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较 大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小，含水量大收缩越大。 （３）水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。 （４）外掺剂。外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。 ． （５）养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得 较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间 越长，则混凝土收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式混凝 土收缩要小。 （６）振捣方式及时间。机械振捣方式比手工捣固方式混凝 土收缩性要小。振捣时间应根据机械性能决定，一般以５—１ ５ｓ／ 次为宜。时间太短，振捣不密实，形成混凝土强度不足或不均 匀；时间太长，造成分层，粗骨料沉入底层，细骨料留在上层，强 度不均匀，上层易发生收缩裂缝。 ３荷载裂缝 混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷 载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。 ３。１直接应力裂缝 是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因 有： （１）设计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算：计算模 型不合理ｉ结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算 内 力与配筋计算错误ｉ结构安全系数不够。结构设计时不考虑施 工的可能性 设计断面不足 钢筋设置偏少或布置错误 结构刚 度不足：构造处理不当；设计图纸交代不清等。 （２）施工阶段，不加地堆放施工机具、材料；不了解预 制结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施 工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机 器振动下的疲劳强度验算等。 （３）使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船 舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。 ３．２次应力裂缝 是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因 有： （１）在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同 常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导 致结构开裂。例如两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“Ｘ”形钢筋、 同时削减该处断面尺寸的办法设计较，理论计算该处不会存在 弯矩，但实际该铰仍然能够抗弯，以至出现裂缝而导致钢筋锈 蚀。 生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些 大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝 区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起 温度变化主要因素有： （２）桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规 计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受 力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在 （１）预制Ｔ梁之间横隔板安装时，支座预埋钢板与调平钢 板焊接时，若焊接措施不当，铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采 用电热张拉法张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至 ３５０ｏＣ，混凝土构件也容易开裂。试验研究表明，由火灾等原因 引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与 混凝土的粘结力随之下降，混凝土温度达到３００℃后抗拉强度 下降５０％，抗压强度下降６０％，光圆钢筋与混凝土的粘结力下 孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中， 经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固 断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的 降８０％：由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧 转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。 实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。 次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载 引起 仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完 善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、 徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计 算，但在４０年前却比较困难。在设计上，应注意避免结构突变 （或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆 角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向 钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。 ３．３裂缝特征 荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝 多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但必须指出，如果受 压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，往往是结构达到承载 力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸偏 小。根据结构不同受力方式，产生的裂缝特征如下： （１）中心受拉。裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂 直于受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近 的次裂缝。 （２）中心受压。沿构件出现平行于受力方向的短而密的平 行裂缝。 （３）受剪。当箍筋太密时发生斜压破坏，沿梁端腹部出现大 于４５。方向的斜裂缝：当箍筋适当时发生剪压破坏，沿梁端中 下部出现约４５。方向相互平行的斜裂缝。 （４）局部受压。在局部受压区出现与压力方向大致平行的 多条短裂缝。 （５）小偏心受压。小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心 受压构件，类似于中心受压构件。 （６）受弯。弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受 拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋 时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时，裂缝少而 宽，结构可能发生脆性破坏。 （７）受扭。构件一侧腹部先出现多条约４５。方向斜裂缝， 并向相邻面以螺旋方向展开。 （８）受冲切。沿柱头板内四侧发生约４５。方向斜面拉裂， 形成冲切面。 （９）大偏心受压。大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心 受压构件，类似于受弯构件。 ４温度变化引起的裂缝 混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发 生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产 收缩。 （２）日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显 高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作 用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导 致结构温度裂缝的最常见原因。 （３）骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外 表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯 度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资 料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。 （４）年温差。一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对 桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面 伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结构的 位移受到时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。我国 年温差一般以１月和７月月平均温度的作为变化幅度。考虑到 混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑 折减。 （５）蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤 热，内外温度不均，易出现裂缝。 （６）水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土（厚度超过 ２．０ｍ）浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温 差太大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择 水化热低的水泥品种，水泥单位用量，减少骨 模温度， 降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内 部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。 ５钢筋锈蚀引起的裂缝 由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受 二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或 由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面 氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发 生锈蚀反应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约２～４倍，从 而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离， 沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使 得钢筋有效断面面积减小，钢筋与混凝土握裹力削弱，结构承载 力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破 坏。 要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采 用足够的保护层厚度（当然保护层亦不能太厚，否则构件有效高 度减小，受力时将加大裂缝宽度）；施工时应控制混凝土的水灰 比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控 制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、 地下水地区尤其应慎重。 ６地基础变形引起的裂缝 由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生 附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不 均匀沉降的主要原因有： （１）地基地质差异太大。建造在山区沟谷的桥梁 河沟处的 地质与山坡处变化较大，河沟中甚至存在软弱地基，地基土由 于不同压缩性引起不均匀沉降。 （２）桥梁建成以后，原有地基条件变化。大多数天然地基和 人工地基浸水后，尤其是素填土、黄土、膨胀土等特殊地基土， 土体强度遇水下降，压缩变形加大。在软土地基中，因人工抽水 或干旱季节导致地下水位下降，地基土层重新固结下沉，同时 对基础的上浮力减小，负摩阻力增加，基础受荷加大。有些桥梁 基础埋置过浅，受洪水冲刷、淘挖，基础可能位移。地面荷载条 件的变化，如桥梁附近因塌方、山体滑坡等原因堆置大量废方、 砂石等，桥址范围土层可能受压缩再次变形。因此，使用期间原 有地基条件变化均可能造成不均匀沉降。 （３）结构基础类型差别大。同一联桥梁中，混合使用不同基 础如扩大基础和桩基础，或同时采用桩基础但桩径或桩长差别 大时，或同时采用扩大基础但基底标高差异大时，也可能引起 地基不均匀沉降。 （４）结构荷载差异太大。在地质情况比较一致条件下，各部 分基础荷载差异太大时，有可能引起不均匀沉降，例如高填土 箱形涵洞中部比两边的荷载要大，中部的沉降就要比两边大， 箱涵可能开裂。 （５）桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时， 可能造成不均匀沉降。 ７结语 一座桥梁从建成到使用，牵涉到设计、施工、监理、运营管 理等各个方面。由上述可知，设计疏漏、施工低劣、监理不力，均 可能使混凝土桥梁出现裂缝。因此，严格按照国家有关规范、技 术标准进行设计、施工和监理，是保证结构安全耐用的前提和 基础。在运营管理过程中，进一步加强巡查和管理，及时发现和 处理问题，也是相当重要的一个环节。■ （作者单位：东莞市交通工程质量监督站）
