混凝土橋梁結(jié)構(gòu)裂縫分析、控制及修補(bǔ)
【摘 要】 本文從裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響及裂縫產(chǎn)生原因等方面出發(fā)，對(duì)裂縫進(jìn)行分析，提出裂縫的控制措施及修補(bǔ)方法，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，
【關(guān)鍵詞】 裂縫；耐久性；分析；控制措施；修補(bǔ)方法
1 概述
近年來，隨著公路交通量不斷增加，橋梁的負(fù)荷壓力日益加重，在役橋梁結(jié)構(gòu)隨著使用時(shí)間的延續(xù)，不斷出現(xiàn)各種各樣的病害，由于維修工作的滯后，很多橋梁帶病超負(fù)荷工作，結(jié)構(gòu)的損傷不斷累積導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能過早劣化，承載力下降和耐久性降低。國(guó)外學(xué)者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性，由此導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。因此，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題也受到國(guó)內(nèi)外土木工程界的高度重視。
實(shí)踐表明，混凝土結(jié)構(gòu)的任何損傷和破壞，一般都是首先在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫，裂縫是反映混凝土結(jié)構(gòu)病害的晴雨表。不論何種原因產(chǎn)生的裂縫，都會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成影響。
2 混凝土橋梁裂縫分析
對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行分析，包括裂縫產(chǎn)生原因、裂縫的危害性評(píng)定，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)和加固。如果對(duì)裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進(jìn)行處理，不僅達(dá)不到預(yù)期的修補(bǔ)效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險(xiǎn)。
2.1 裂縫產(chǎn)生原因
混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是由材料內(nèi)部的初始缺陷、微裂縫的擴(kuò)展而引起的。除了混凝土材料自身特性和所處環(huán)境的影響外，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量、使用條件和防護(hù)措施、后期養(yǎng)護(hù)措施等都是直接影響因素。引起裂縫的原因和因素很多，可歸納為兩類：
�。�1）非結(jié)構(gòu)性裂縫
非結(jié)構(gòu)性裂縫是由變形引起的裂縫，比如混凝土結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的收縮裂縫和溫度裂縫。在混凝土收縮、溫度變化等因素的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的變形收到限制時(shí)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生自應(yīng)力，當(dāng)自應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，就會(huì)引起混凝土裂縫。裂縫一旦出現(xiàn)，變形得以釋放，自應(yīng)力也就消失了。
收縮裂縫：混凝土凝固時(shí)，由于水泥化產(chǎn)物的體積比反應(yīng)前物質(zhì)的總體積要小，因而產(chǎn)生收縮；混凝土在硬化過程忠隨著水分的逐漸蒸發(fā)，體積逐漸縮小，稱為干縮。當(dāng)表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫。
溫度裂縫：混凝土在運(yùn)營(yíng)過程中受陽光照射、大氣及周圍溫度等因素影響，而出現(xiàn)冷熱變化時(shí)，將發(fā)生收縮和膨脹，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生溫度裂縫。
鋼筋銹脹裂縫：又稱順筋裂縫。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與鋼筋腐蝕是相互作用的。裂縫的存在會(huì)增加混凝土的滲透性，使鋼筋的腐蝕加重；另一方面鋼筋腐蝕后，腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土的保護(hù)層沿鋼筋方向出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重者混凝土保護(hù)層會(huì)完全脫落。
（2）結(jié)構(gòu)性裂縫
結(jié)構(gòu)性裂縫又稱受力裂縫，即在荷載作用下產(chǎn)生的裂縫，如彎曲裂縫、剪切裂縫、斷開裂縫、扭曲裂縫和局部應(yīng)力引起的裂縫等，裂縫的分布和寬度與外荷載有關(guān)。這類裂縫的出現(xiàn)，預(yù)示結(jié)構(gòu)承載力不足或存在其他嚴(yán)重問題。
彎曲裂縫：車輛荷載在混凝土梁上施加彎矩時(shí)，將產(chǎn)生彎曲裂縫。
剪切裂縫：剪切裂縫也稱作斜裂縫。首先發(fā)生在剪力最大的部位。對(duì)收彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件，往往發(fā)生在支座負(fù)筋，由下部開始，沿著軸線成25°～50°左右的角度裂開。剪切裂縫一旦出現(xiàn)，就應(yīng)該加強(qiáng)觀察，視具體情況及時(shí)予以必要的加固處理。
斷開裂縫：鋼筋混凝土構(gòu)件受拉時(shí)，進(jìn)入整個(gè)截面的裂縫稱為斷開裂縫。
扭曲裂縫：鋼筋混凝土構(gòu)件受扭轉(zhuǎn)與彎曲同時(shí)作用而產(chǎn)生的裂縫稱為扭曲裂縫。該裂縫一般呈45°傾斜方向。
局部應(yīng)力引起的裂縫：局部應(yīng)力引起的裂縫主要表現(xiàn)在墩臺(tái)或梁板支座位置受到較大局部壓力處、構(gòu)件突然受到?jīng)_擊荷載直接作用處、以及位于構(gòu)件受力角隅處。
這兩類裂縫有明顯的區(qū)別，危害效果也不相同。調(diào)查資料表明，在兩類裂縫中以變形引起的裂縫占主導(dǎo)的約占80%，以荷載引起的裂縫占主導(dǎo)的約占20%，有時(shí)兩類裂縫交融在一起。
2.2 裂縫狀態(tài)判斷
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用狀態(tài)下出現(xiàn)裂縫屬于正常現(xiàn)象。但理論和大量試驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)的破壞又往往從裂縫開始，因此可以把橋上的裂縫分為“有害裂縫”和“無害裂縫”。
“有害裂縫”主要指：對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力、變形、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的牢固程度等有直接影響或嚴(yán)重影響的裂縫，如由于墩臺(tái)不均勻沉降、傾斜造成的結(jié)構(gòu)裂縫；由于主筋腐蝕而膨脹所引起的順鋼筋向裂縫；承重構(gòu)件受荷載作用后，展開寬度超過規(guī)范要求限值的裂縫。“有害裂縫”必須采用相應(yīng)的措施進(jìn)行維修，以限制其進(jìn)一步發(fā)展；因結(jié)構(gòu)承載力不足而產(chǎn)生的“有害裂縫”，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
“無害裂縫”主要指：暫時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)不致產(chǎn)生安全方面的不利影響，但也不能認(rèn)為是絕對(duì)無害的裂縫，待其發(fā)展到一定程度、結(jié)合其它方面的因素，也可能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生威脅。需要長(zhǎng)期觀察記錄該裂縫發(fā)展情況并加以分析，以采取相應(yīng)措施。
3 裂縫控制措施
由于裂縫的產(chǎn)生的原因是多種多樣的，并且裂縫的存在直接影響著混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性及可靠性。因此，對(duì)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫進(jìn)行分析研究，并根據(jù)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的因素來控制結(jié)構(gòu)的裂縫是十分必要的。
3.1 材料選用
混凝土主要由水泥、砂、骨料、水及外加劑組成。配置混凝土?xí)r選材不當(dāng)或用料配合比不合理都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。首先需選擇質(zhì)量合格的材料，配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用低水灰比、低水泥用量、合理級(jí)配的集料，并且投料計(jì)量應(yīng)準(zhǔn)確，攪拌時(shí)間應(yīng)保證，嚴(yán)禁任意更改水泥用量。
混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋對(duì)混凝土的收縮有一定的約束作用，因此，鋼筋也是裂縫控制的重要因素。合理的配筋，特別是構(gòu)造配筋，細(xì)一點(diǎn)密一點(diǎn)可提高混凝土的極限抗拉能力，可有效避免構(gòu)造性裂縫的產(chǎn)生，改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能。 3.2 設(shè)計(jì)方面
�。�1）根據(jù)橋梁跨徑，選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)類型及結(jié)構(gòu)尺寸。合理采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)拉應(yīng)力或把拉應(yīng)力控制在允許范圍。
�。�2）根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，選擇合理的保護(hù)層厚度。
�。�3）合理布置構(gòu)造鋼筋，適當(dāng)增加構(gòu)造配筋可以防裂或控制裂縫寬度。
�。�4）由于溫度變化的溫差會(huì)引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力或約束應(yīng)力，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)的溫差取值、設(shè)計(jì)應(yīng)力控制也是控制結(jié)構(gòu)裂縫的一個(gè)重要因素。
3.3 施工措施
�。�1）嚴(yán)格控制材料質(zhì)量，主要是混凝土的水灰比及塌落度。
�。�2）合理安排施工工序，控制施工工藝，特別是混凝土的拌合、運(yùn)輸及振搗控制，防止支架、模板變形過大，保證施工質(zhì)量。
�。�3）選擇適當(dāng)?shù)牟鹉r(shí)間。拆模過早，混凝土未達(dá)到一定強(qiáng)度容易開裂；拆模過晚，錯(cuò)過混凝土水化熱峰值，影響結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)。
（4）加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)工作，減小混凝土收縮變形。
4 裂縫修補(bǔ)方法
裂縫的出現(xiàn)會(huì)降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，引起鋼筋的銹蝕，加速混凝土的碳化，從而影響結(jié)構(gòu)的整體剛度及強(qiáng)度，降低結(jié)構(gòu)的使用性能。因此，根據(jù)裂縫的特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)措施，及時(shí)對(duì)裂縫進(jìn)行處理是非常必要的。
混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的裂縫分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫，對(duì)于收縮裂縫、溫度裂縫和鋼筋銹脹裂縫等非結(jié)構(gòu)裂縫，可對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理；對(duì)于由承載力不足等原因引起的結(jié)構(gòu)裂縫，除對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理外，還應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募庸檀胧⿲?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
4.1 封閉修補(bǔ)法
維修混凝土裂縫類病害，在橋梁構(gòu)件承載力滿足要求的條件下，僅需要考慮增加混凝土構(gòu)件耐久性的需求，即對(duì)裂縫進(jìn)行封閉處理，目的在于防止水氣進(jìn)入裂縫而造成鋼筋銹蝕。目前，根據(jù)裂縫寬度的不同，最常用的裂縫封閉修補(bǔ)方法為表面涂抹封閉法和壓力灌漿法。
4.1.1 表面涂抹封閉法
表面涂抹封閉法適用于裂縫寬度w＜0.15mm且裂縫深度較淺密集型的細(xì)小裂縫，如：上部構(gòu)造梁板裂縫、蓋梁、臺(tái)帽裂縫等。除了采用裂縫修補(bǔ)膠進(jìn)行裂縫封閉外，還推薦采用水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料——簡(jiǎn)稱“賽柏斯”進(jìn)行涂抹。“塞柏斯”含有特殊的活性物質(zhì)，是一種催化劑，能滲透到混凝土內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)晶后與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個(gè)整體，滲透深度通常達(dá)到10cm以上，超過環(huán)氧類防水涂料；并和混凝土的膨脹系數(shù)一致，不易產(chǎn)生裂縫；如產(chǎn)生新裂縫，它又可自愈，結(jié)晶進(jìn)一步滲透，防水作用是永久的；而且不怕砸，不怕碰，不怕植物根系滲透，抗腐蝕、耐高低溫；同時(shí)也是一種無毒、無公害環(huán)保型防水材料。另外，它的顏色和混凝土能保持一致，維修后景觀效果較好；施工方法簡(jiǎn)便，維修成本較低。因此，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫封閉防水效果良好。
4.1.2 壓力灌漿法
壓力灌漿法適用于裂縫寬度w≥0.15mm的裂縫，如：橋梁上部構(gòu)造最大彎矩區(qū)通長(zhǎng)裂縫、最大剪力區(qū)斜裂縫、沿受力主筋縱向裂縫；橋梁下部構(gòu)造墩臺(tái)豎向裂縫、斜裂縫等。壓力灌漿法包括水泥灌漿修補(bǔ)和化學(xué)灌漿修補(bǔ)，兩者的區(qū)別是灌漿材料的不同�；瘜W(xué)灌漿是通過專業(yè)設(shè)備向裂縫中注入高分子化學(xué)漿材，經(jīng)聚合、交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)生成高聚物，使被處理的部位膠結(jié)、增強(qiáng)、加固并形成整體，達(dá)到防滲、堵漏等目的。
4.2 鑿槽嵌補(bǔ)法
在表面涂抹封閉處理不能充分修補(bǔ)的情況下，可采用在混凝土表面沿裂縫鑿出“V”形或“U”形槽口，然后用環(huán)氧樹脂或環(huán)氧砂漿充填修補(bǔ)。填補(bǔ)前要用鋼絲刷清除鑿除后已浮動(dòng)的混凝土碎片，對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹防銹處理，對(duì)鋼筋腐蝕程度超過10%的，加焊相同直徑的鋼筋；在槽面涂以改性環(huán)氧樹脂膠液等粘結(jié)劑，涂抹改性環(huán)氧砂漿嵌補(bǔ)。
4.3 表面噴漿修補(bǔ)法
表面噴漿修補(bǔ)時(shí)在經(jīng)鑿毛處理的裂縫表面，噴射一層密實(shí)而且高強(qiáng)度的水泥砂漿保護(hù)層來封閉裂縫。根據(jù)裂縫的部位、性質(zhì)和修補(bǔ)要求與條件，可采用無筋噴漿或掛網(wǎng)噴漿結(jié)合鑿槽嵌補(bǔ)等修補(bǔ)方法。
4.4 粘貼鋼板（或FRP）加固法
對(duì)于由承載力不足等原因引起的結(jié)構(gòu)裂縫，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募庸檀胧⿲?duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，從而達(dá)到修補(bǔ)裂縫的目的。粘貼鋼板加固法是將鋼板粘貼在待修補(bǔ)的裂縫位置上，使其與原有的混凝土結(jié)構(gòu)形成整體，從而提高結(jié)構(gòu)對(duì)活載的抵抗能力，改善結(jié)構(gòu)的受力性能。
5 結(jié)論
在工程實(shí)踐中，裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅會(huì)降低橋梁結(jié)構(gòu)的使用功能，而且會(huì)引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。因此嚴(yán)格按規(guī)程、規(guī)范要求施工，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，防患于未來，盡可能的采取各種有效措施來預(yù)防或降低混凝土裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 張樹仁，王宗林.橋梁病害診斷與改造加固設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社2006
[2] 黃建文.鋼筋混凝土橋梁裂縫的類型和維修方法.中國(guó)科技信息[J].2005.16
[3] 鄭國(guó)棟.橋梁裂縫的成因和控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展綜述.中國(guó)水運(yùn)[J].2007.5
