混凝土桥梁结构裂缝分析、控制及修补
【摘 要】 本文从裂缝对混凝土结构耐久性的影响及裂缝产生原因等方面出发，对裂缝进行分析，提出裂缝的控制措施及修补方法，从而提高混凝土结构的耐久性，
【关键词】 裂缝；耐久性；分析；控制措施；修补方法
1 概述
近年来，随着公路交通量不断增加，桥梁的负荷压力日益加重，在役桥梁结构随着使用时间的延续，不断出现各种各样的病害，由于维修工作的滞后，很多桥梁带病超负荷工作，结构的损伤不断累积导致结构性能过早劣化，承载力下降和耐久性降低。国外学者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土桥梁结构耐久性设计的重要性，由此导致的经济损失是巨大的。因此，混凝土桥梁结构的耐久性问题也受到国内外土木工程界的高度重视。
实践表明，混凝土结构的任何损伤和破坏，一般都是首先在混凝土结构中出现裂缝，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表。不论何种原因产生的裂缝，都会对混凝土结构的耐久性造成影响。
2 混凝土桥梁裂缝分析
对混凝土桥梁结构裂缝进行分析，包括裂缝产生原因、裂缝的危害性评定，然后根据分析结果对裂缝进行修补和加固。如果对裂缝不经分析研究就盲目进行处理，不仅达不到预期的修补效果，还可能潜藏着突发性事故的危险。
2.1 裂缝产生原因
混凝土结构的裂缝是由材料内部的初始缺陷、微裂缝的扩展而引起的。除了混凝土材料自身特性和所处环境的影响外，混凝土结构的设计和施工质量、使用条件和防护措施、后期养护措施等都是直接影响因素。引起裂缝的原因和因素很多，可归纳为两类：
（1）非结构性裂缝
非结构性裂缝是由变形引起的裂缝，比如混凝土结构变形产生的收缩裂缝和温度裂缝。在混凝土收缩、温度变化等因素的作用下，混凝土结构的变形收到限制时，在结构内部就会产生自应力，当自应力达到混凝土抗拉强度极限值时，就会引起混凝土裂缝。裂缝一旦出现，变形得以释放，自应力也就消失了。
收缩裂缝：混凝土凝固时，由于水泥化产物的体积比反应前物质的总体积要小，因而产生收缩；混凝土在硬化过程忠随着水分的逐渐蒸发，体积逐渐缩小，称为干缩。当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。
温度裂缝：混凝土在运营过程中受阳光照射、大气及周围温度等因素影响，而出现冷热变化时，将发生收缩和膨胀，产生温度应力，温度应力超过混凝土强度时，即产生温度裂缝。
钢筋锈胀裂缝：又称顺筋裂缝。钢筋混凝土结构的裂缝与钢筋腐蚀是相互作用的。裂缝的存在会增加混凝土的渗透性，使钢筋的腐蚀加重；另一方面钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀，使混凝土的保护层沿钢筋方向出现裂缝，严重者混凝土保护层会完全脱落。
（2）结构性裂缝
结构性裂缝又称受力裂缝，即在荷载作用下产生的裂缝，如弯曲裂缝、剪切裂缝、断开裂缝、扭曲裂缝和局部应力引起的裂缝等，裂缝的分布和宽度与外荷载有关。这类裂缝的出现，预示结构承载力不足或存在其他严重问题。
弯曲裂缝：车辆荷载在混凝土梁上施加弯矩时，将产生弯曲裂缝。
剪切裂缝：剪切裂缝也称作斜裂缝。首先发生在剪力最大的部位。对收弯构件和压弯构件，往往发生在支座负筋，由下部开始，沿着轴线成25°～50°左右的角度裂开。剪切裂缝一旦出现，就应该加强观察，视具体情况及时予以必要的加固处理。
断开裂缝：钢筋混凝土构件受拉时，进入整个截面的裂缝称为断开裂缝。
扭曲裂缝：钢筋混凝土构件受扭转与弯曲同时作用而产生的裂缝称为扭曲裂缝。该裂缝一般呈45°倾斜方向。
局部应力引起的裂缝：局部应力引起的裂缝主要表现在墩台或梁板支座位置受到较大局部压力处、构件突然受到冲击荷载直接作用处、以及位于构件受力角隅处。
这两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同。调查资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%，以荷载引起的裂缝占主导的约占20%，有时两类裂缝交融在一起。
2.2 裂缝状态判断
钢筋混凝土结构在使用状态下出现裂缝属于正常现象。但理论和大量试验表明结构的破坏又往往从裂缝开始，因此可以把桥上的裂缝分为“有害裂缝”和“无害裂缝”。
“有害裂缝”主要指：对桥梁结构的承载能力、变形、节点构造的牢固程度等有直接影响或严重影响的裂缝，如由于墩台不均匀沉降、倾斜造成的结构裂缝；由于主筋腐蚀而膨胀所引起的顺钢筋向裂缝；承重构件受荷载作用后，展开宽度超过规范要求限值的裂缝。“有害裂缝”必须采用相应的措施进行维修，以限制其进一步发展；因结构承载力不足而产生的“有害裂缝”，还需要对结构承载力进行补强。
“无害裂缝”主要指：暂时对桥梁结构不致产生安全方面的不利影响，但也不能认为是绝对无害的裂缝，待其发展到一定程度、结合其它方面的因素，也可能对桥梁结构安全产生威胁。需要长期观察记录该裂缝发展情况并加以分析，以采取相应措施。
3 裂缝控制措施
由于裂缝的产生的原因是多种多样的，并且裂缝的存在直接影响着混凝土桥梁结构的耐久性、安全性及可靠性。因此，对混凝土桥梁结构的裂缝进行分析研究，并根据导致裂缝产生的因素来控制结构的裂缝是十分必要的。
3.1 材料选用
混凝土主要由水泥、砂、骨料、水及外加剂组成。配置混凝土时选材不当或用料配合比不合理都可能导致结构产生裂缝。首先需选择质量合格的材料，配合比设计时应尽量采用低水灰比、低水泥用量、合理级配的集料，并且投料计量应准确，搅拌时间应保证，严禁任意更改水泥用量。
混凝土结构中的钢筋对混凝土的收缩有一定的约束作用，因此，钢筋也是裂缝控制的重要因素。合理的配筋，特别是构造配筋，细一点密一点可提高混凝土的极限抗拉能力，可有效避免构造性裂缝的产生，改善混凝土结构的抗裂性能。 3.2 设计方面
（1）根据桥梁跨径，选择合理的桥梁结构类型及结构尺寸。合理采用预应力结构，保证结构不出现拉应力或把拉应力控制在允许范围。
（2）根据结构所处的环境，选择合理的保护层厚度。
（3）合理布置构造钢筋，适当增加构造配筋可以防裂或控制裂缝宽度。
（4）由于温度变化的温差会引起结构的内应力或约束应力，结构计算时的温差取值、设计应力控制也是控制结构裂缝的一个重要因素。
3.3 施工措施
（1）严格控制材料质量，主要是混凝土的水灰比及塌落度。
（2）合理安排施工工序，控制施工工艺，特别是混凝土的拌合、运输及振捣控制，防止支架、模板变形过大，保证施工质量。
（3）选择适当的拆模时间。拆模过早，混凝土未达到一定强度容易开裂；拆模过晚，错过混凝土水化热峰值，影响结构的养护。
（4）加强混凝土的养护工作，减小混凝土收缩变形。
4 裂缝修补方法
裂缝的出现会降低混凝土结构的耐久性，引起钢筋的锈蚀，加速混凝土的碳化，从而影响结构的整体刚度及强度，降低结构的使用性能。因此，根据裂缝的特点，选择适当的修补措施，及时对裂缝进行处理是非常必要的。
混凝土桥梁结构的裂缝分为结构性裂缝和非结构性裂缝，对于收缩裂缝、温度裂缝和钢筋锈胀裂缝等非结构裂缝，可对裂缝进行封闭处理；对于由承载力不足等原因引起的结构裂缝，除对裂缝进行封闭处理外，还应选择适当的加固措施对结构进行补强。
4.1 封闭修补法
维修混凝土裂缝类病害，在桥梁构件承载力满足要求的条件下，仅需要考虑增加混凝土构件耐久性的需求，即对裂缝进行封闭处理，目的在于防止水气进入裂缝而造成钢筋锈蚀。目前，根据裂缝宽度的不同，最常用的裂缝封闭修补方法为表面涂抹封闭法和压力灌浆法。
4.1.1 表面涂抹封闭法
表面涂抹封闭法适用于裂缝宽度w＜0.15mm且裂缝深度较浅密集型的细小裂缝，如：上部构造梁板裂缝、盖梁、台帽裂缝等。除了采用裂缝修补胶进行裂缝封闭外，还推荐采用水泥基渗透结晶型防水涂料——简称“赛柏斯”进行涂抹。“塞柏斯”含有特殊的活性物质，是一种催化剂，能渗透到混凝土内部产生结晶后与混凝土结构结合成一个整体，渗透深度通常达到10cm以上，超过环氧类防水涂料；并和混凝土的膨胀系数一致，不易产生裂缝；如产生新裂缝，它又可自愈，结晶进一步渗透，防水作用是永久的；而且不怕砸，不怕碰，不怕植物根系渗透，抗腐蚀、耐高低温；同时也是一种无毒、无公害环保型防水材料。另外，它的颜色和混凝土能保持一致，维修后景观效果较好；施工方法简便，维修成本较低。因此，对混凝土结构裂缝封闭防水效果良好。
4.1.2 压力灌浆法
压力灌浆法适用于裂缝宽度w≥0.15mm的裂缝，如：桥梁上部构造最大弯矩区通长裂缝、最大剪力区斜裂缝、沿受力主筋纵向裂缝；桥梁下部构造墩台竖向裂缝、斜裂缝等。压力灌浆法包括水泥灌浆修补和化学灌浆修补，两者的区别是灌浆材料的不同。化学灌浆是通过专业设备向裂缝中注入高分子化学浆材，经聚合、交联等化学反应生成高聚物，使被处理的部位胶结、增强、加固并形成整体，达到防渗、堵漏等目的。
4.2 凿槽嵌补法
在表面涂抹封闭处理不能充分修补的情况下，可采用在混凝土表面沿裂缝凿出“V”形或“U”形槽口，然后用环氧树脂或环氧砂浆充填修补。填补前要用钢丝刷清除凿除后已浮动的混凝土碎片，对钢筋进行除锈防锈处理，对钢筋腐蚀程度超过10%的，加焊相同直径的钢筋；在槽面涂以改性环氧树脂胶液等粘结剂，涂抹改性环氧砂浆嵌补。
4.3 表面喷浆修补法
表面喷浆修补时在经凿毛处理的裂缝表面，喷射一层密实而且高强度的水泥砂浆保护层来封闭裂缝。根据裂缝的部位、性质和修补要求与条件，可采用无筋喷浆或挂网喷浆结合凿槽嵌补等修补方法。
4.4 粘贴钢板（或FRP）加固法
对于由承载力不足等原因引起的结构裂缝，应选择适当的加固措施对结构进行补强，从而达到修补裂缝的目的。粘贴钢板加固法是将钢板粘贴在待修补的裂缝位置上，使其与原有的混凝土结构形成整体，从而提高结构对活载的抵抗能力，改善结构的受力性能。
5 结论
在工程实践中，裂缝是混凝土结构中普遍存在的现象，它的出现不仅会降低桥梁结构的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响桥梁结构的承载能力。因此严格按规程、规范要求施工，严把质量关，防患于未来，尽可能的采取各种有效措施来预防或降低混凝土裂缝的出现和发展。
参考文献
[1] 张树仁，王宗林.桥梁病害诊断与改造加固设计[M].人民交通出版社2006
[2] 黄建文.钢筋混凝土桥梁裂缝的类型和维修方法.中国科技信息[J].2005.16
[3] 郑国栋.桥梁裂缝的成因和控制研究现状及发展综述.中国水运[J].2007.5
