混凝土桥梁裂缝原因分析

混凝土桥梁裂缝原因分析

孙涛

摘要：混凝土桥梁结构裂缝产生的原因很多，有变形引起的裂缝：如温度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝；有外载作用引起的裂缝；有养护环境不当和化学作用引起的裂缝等等。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。

关键词：混凝土桥梁；裂缝；原因分析；

1.裂缝的种类

1）裂缝状态

裂缝按状态可分类运动、不稳定、稳定、闭合和愈合等。

2）裂缝形状

裂缝按形状可分为表面、深入、贯穿、断续、纵向、横向、斜向、对角线、上宽下窄、上窄下宽、外宽内窄、囊核形等。

2.裂缝成因

2.1收缩裂缝

1）类型

在实际工程中，因收缩所引起的混凝土裂缝是最常见的。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。

①干缩裂缝

干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右。水泥砂浆中水分的会产生干缩，且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状裂缝，宽度多在0.05—0.20mm之间，大体积混凝土中平面部位多见，较薄的梁板中多沿其短向分布。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。

②塑性收缩裂缝

塑性收缩是指混凝土在凝结之前，表面因失水较快而产生的收缩。塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现，裂缝多呈中间宽两端细且长短不一、互不连续状态。其产生的主要原因为：混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小，或者混凝土刚刚终凝而强度很小时，受高温或较大风力的影响，混凝土表面失水过快，造成毛细管中产生较大的负压使混凝土体积急剧收缩，而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩，因此产生龟裂。影响混凝土塑性收缩开裂的主要原因有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等。

③自生收缩

自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的（即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土），也可以是负的（即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土）。

④碳化收缩

大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度50%左右才能发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加快。

2）主要因素

研究表明，影响混凝土收缩裂缝的主要原因有：

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。

②骨料品种

骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径越大收缩越小，含水量越大收缩越大。

③水灰质量比

用水量越大，水灰质量比越高，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。养护时湿度越高、气温越低、养护时间越长，则混凝土收缩越小。采用蒸汽养护方式时，混凝土收缩比自然养护方式要小。

⑥外界环境

大气湿度小、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝土收缩越快。

⑦振捣方式及时间

采用机械振捣方式时，混凝土收缩性比手工捣固方式要小。振捣频率应根据机械性能决定，一般以5—15s/次为宜。振捣时间太短，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。

2.2地基土变形引起的裂缝

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）地质勘察精度不够、试验资料不准

没有充分掌握地质情况就进行设计、施工，这是造成地基不均匀沉降的主要原因。比如丘陵区或山岭区桥梁，勘察时钻孔间距太远，而地基岩面起伏又大，勘察报告不能充分反映实际地质情况。

2）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，地基土由于压缩性不同而引起不均匀沉降。

3）结构荷载差异太大

在地质情况比较一致的条件下，各部门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。

4）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较大，或同时采用采用扩大基础但基底标高差异大，也可能引起地基不均匀沉降。

5）分期建造的基础

在原有桥梁基础附近新建桥梁时，如分期修建高速公路左右的半幅桥梁，新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结，可能造成原有桥梁基础较大沉降。

6）地基冻胀

温度低于0℃时，含水率较高的地基土因冰冻膨胀；一旦温度回升，冻土融化，地基下沉。因此地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。

7）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。

8）桥梁建成以后，原在地在条件变化

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，土体强度会下降，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，基础可能移动。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。

2.3施工材料质量引起的裂缝

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。混凝土材料的质量不合格，可能导致结构出现裂缝。

1）水泥

水泥中游离的氧化钙含量超标导致水泥安定性不合格。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。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。当水泥含碱量较高（例如其质量分数超过0.6%），同时又使用含有碱活性的骨料，可能导致碱骨料反应。

2）砂、石骨料

砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水的用量加大，影响混凝土的强度，合混凝土收缩加大。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。砂石含泥量高，不仅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。

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，对钢筋有较大锈蚀。采用海水或含碱泉水拌制混凝土，或采用含碱的外加剂，对碱骨料反应有影响。