浅谈混凝土桥梁裂缝产生的原因分析

　　摘要：近年来，我国交通基础建设得到迅猛发展，各地兴建了大量的混凝土桥梁。在桥梁建造和使用过程中，有关因出现裂缝而影响工程质量甚至导致桥梁垮塌的报道屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”，经常困扰着工程技术人员。现就混凝土桥梁裂缝的种类，与其产生的原因，大致做了以下分析。
　　关键词：混凝土；桥梁裂缝；产生的原因；分析
　　
　　一、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；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。
　　二、收缩引起的裂缝
　　在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。
　　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、养护方祛。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、温度越低、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、外界环境。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝土收缩越快。
　　对于温度和收缩引起的裂缝，增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁结构(壁厚20-60cm)。构造上配筋宜优先采用小直径钢筋（φ8-φ14）、小间距布置（@10-@15cm），全截面构造配筋率不宜低于0.3%，一般可采用0.3%-0.5%。
　　三、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：
　　1、年温差。—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，—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限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。
　　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。
　　4、水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土（厚度超过20m）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。
　　大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水（结冰温度在-78度以下）在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。
　　四、荷载引起的裂缝
　　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。
　　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；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；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，不加限制地堆放施工机具、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。
　　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。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，—般根据经验设置受力钢筋。
　　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。
　　五、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面位移，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。在没有充分掌握地质情况就设计、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，地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。
　　3、结构荷载差异太大。在地质情况比较—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。
　　4、结构基础类型差别大。同—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。
　　5、分期建造的基础。在原有桥梁基础附近新建桥梁时，如分期修建的高速公路左右半幅桥梁，新建桥梁荷载或基础处理时引起地基土重新固结，均可能对原有桥梁基础造成较大沉降。
　　6、地基冻胀。在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀；—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。
　　六、结束语
　　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—个环节。