混凝土桥梁常见裂缝病害成因初探
林 杰 楼杰 刘国栋
（湖北交通工程检测中心 湖北 武汉430051）
摘要：混凝土桥梁病害的最终表现形式是裂缝，本文对常见的各种裂缝形式的形成机理进行了分析，以期给桥梁养护加固提供依据。
关键词：混凝土桥梁；裂缝；形成机理
Analysis of property of Concrete Bridge common crack diseases
Lin Jie Lou Jie Liu Guodong
(Hubei Traffic Engineering Testing center，Wuhan，Hubei)
Abscract：Crack is the finally manifestation of the concrete bridge diseases.The paper analyses the property of various common forms of cracks，in order to provide rests on bridge maintaining and strengthening.
Keywords：Concrete bridge Crack Property
1 概述
近年来，我国交通基础建设得到迅猛发展，全国各地兴建了大量的混凝土桥梁。大量的工程
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实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土桥梁均是带裂缝工作的，一般对结构的使用无大的危害，可允许其存在；但有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断产生和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生垮塌事故，危害结构的正常使用，必须加以控制。可以说，混凝土构件病害的最终形式是裂缝。本文结合多年实际检测工作经验将常见的混凝土桥梁裂缝病害分类并对其形成机理进行了分析。
2 非荷载裂缝常见形式及成因
非荷载裂缝即为由于材料自损、劣化等原因而引起的裂缝（由于材料自身内力引起裂缝）,据统计此类裂缝占到混凝土桥梁裂缝形式的80％以上。
2.1 混凝土收缩裂缝
混凝土的组成为粗骨料、细骨料及胶结料组成。胶结料即为水泥和水掺和后水化而成的水泥石，混凝土的收缩实为水泥石的收缩。其产生收缩裂缝的原因是自由收缩受到了约束。当收缩受到约束而产生的拉应变大于当时砼的极限拉应变就会产生与拉应力方向相垂直的裂缝。
(1)砼构件表面收缩龟裂
这类收缩裂缝多数是混凝土构件表层由于养护不当，表层失水、干缩所造成。这类裂缝一般不深，多数深度不超过钢筋保护层厚度。
(2)岩石基础上墩台竖向收缩裂缝
岩石不收缩而砼收缩，岩石基础阻止墩身砼收缩而在横向产生拉应力，当该拉应力大于该时
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段的混凝土极限拉应变就会使墩台产生竖向裂缝。
(3)老桥混凝土腹板的碳化收缩现象
苏式T梁腹板经常发现枣核形裂缝，即二端细，中间粗。裂缝下端细是由于下缘配筋量大，裂缝上端由于逐渐上伸到受压区而消失。裂缝中间粗有二个原因：一是腹板水平钢筋少；二是在原有裂缝基础上，由于碳化收缩而使裂缝宽度增宽。
(4)湿接头收缩裂缝
在混凝土连续梁桥或者拱桥中，由于构件拼接时使用湿接头措施，混凝土浇铸时间不一致，导致收缩程度不一致从而产生裂缝。横系梁、横隔板的湿接头产生收缩裂缝后，会使桥梁横向整体性大大减弱，同时使荷载横向分部集中，降低了桥的承载能力，严重的还会使桥横向摇摆。空心板梁湿接铰缝砼收缩产生缝隙后，当桥面铺装钢筋配筋率低时，易造成桥面沿梁长产生顺桥向裂缝，降低横桥向整体性，使荷载横向分布集中，并由此降低桥梁承载能力。
2.2 钢筋锈蚀裂缝
砼中钢筋产生锈蚀后，由于锈皮会吸湿产生化学反应而膨胀，其体积将增大2～4倍，从而胀裂砼保护层。对于钢筋锈蚀，首先要分析是先锈后裂，还是先裂后锈。
2.2.1先锈后裂
(1)砼保护层碳化
钢筋外表砼保护层起保护钢筋作用的机理是因为砼保护层具有弱碱性，与钢筋表面产生一层
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钝化膜，从而保护钢筋不被锈蚀，俗称碱性保护。
但砼与空气中的二氧化碳CO2由水通过毛细孔与砼中气氢氧化钙起作用（化学反应）Ca(OH)2 ＋CO2――CaCO3 ＋H2O转化为中性的碳酸钙和水使这部分砼由碱性变成中性，也即PH值由原来的13降低到8～10，这就是砼碳化，当保护层全被碳化，也就是失去碱性保护，在钢筋表面不能继续生成钝化膜，当外界有腐蚀物质时，通过毛孔渗入到钢筋表面而锈蚀，从而胀裂砼保护层先锈后裂 。
(2)氯离子锓蚀引起锈蚀
氯离子（Cl－1）存在于盐中，如Nacl（氯化纳）Cacl（氯化钙），当砼中含有氯离子（Cl－1）时，砼碱度虽然较高，钢筋周围的砼尚未碳化，此时钢筋也会出现锈蚀，这是因为氯离子半径小，活性大，具有很强穿透钝化膜的能力，氯离子首先吸附在钝化膜有缺陷处，使氢氧化铁反应成易溶的氯化铁，使钝化膜局部破坏，产生坑蚀。
2.2.2先裂后锈
(1)受力裂缝的裂缝宽度过大，外界腐蚀物质有直接通道而锈蚀筋。
(2)酸雨腐蚀先腐蚀砼保护层继而锈蚀钢筋。
(3)骨料膨胀引起砼裂缝后再锈蚀钢筋。
2.3 骨料膨胀引起的裂缝
2.3.1 骨料膨胀病害种类
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第一类：“碱骨料反应”引起骨料膨胀，破坏砼。
第二类：含有氧化镁骨料、硫酸盐骨料或生石灰缓慢水化膨胀而破坏混凝土。这类病害的进展是由表及里的，这是与外界潮气由表面通过毛细孔逐渐渗入有关。
2.3.2 骨料膨胀病害产生条件
其中发生所谓“碱骨料反应”产生的条件有三点：
(1)混凝土骨料中含有一定量的碱活性二氧化硅，例白云石、蛋白石、玻璃质二氧化硅，结晶不完整的二氧化硅矿物等，当含量大于5％时，对混凝土构件可能会产生损害。
(2)混凝土中碱含量超过一定量（一般控制在3kg/m3之内）。
(3)水
前二点是发生“碱骨料反应”的必要条件，后一点水是充分条件。
对于第二类骨料膨胀的充分条件也是水，它们膨胀后体积可达原体积的2～4倍，相当可观。一般产生这类病害是在结构竣工数年（一般在五年后）后发生。
2.3.3 危害性
这类材料自损现象危害很大，当在一处首先发现发现这类病害时，应把它当作一个信号，很可能在其它部位也会相继出现此种病害。
骨料膨胀病害的危害性：
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(1)骨料膨胀裂缝后使截面削弱。
(2)裂缝处易渗水，锈蚀钢筋。
(3)受压区因骨料膨胀而损坏，达到一定程度后，可能会出现突然破坏。
(4)梁端因骨料膨胀而损坏，有可能产生斜压破坏形态。
综上所述，对骨料膨胀病害必须予以重视，应该在施工前，对骨料进行检验，对水泥及添加剂的碱含量加以控制，做好防水隔离。对于已建结构，必须发现一处及时进行有效修补一处，同时作好砼毛细孔封闭工作，隔绝水分或潮气浸入，若发现已较严重，则应拆除重建。
2.3.4 骨料膨胀裂缝的辨别方法
(1)膨胀骨料在构件浅层，一般呈网状及放射形裂缝，裂缝交点处为膨胀骨料所在位置。
(2)当膨胀骨料在钢筋背后，则骨料膨胀后，会把钢筋顶弯，此时有可能产生顺钢筋裂缝，但其长度不长，同时可能出现砼被冲剪破裂，其裂缝为周边一圈。
(3)砼冲剪锥体边缘裂缝的二侧有高差。
(4)若内部膨胀骨料为弥漫性分布，其内部可能产生层理状千层饼似的裂缝。
(5)与网状收缩裂缝的区别有二点：一是收缩裂缝一般发生时间较早，多在施工后即发生，而骨料膨胀裂缝均在几年之后发生；二是收缩裂缝二侧无高差，而骨料膨胀裂缝二侧有高差。
2.3.5 骨料膨胀类型判别
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(1)石子周围有白色反应环者，多为碱活性骨料所产生。
(2)裂缝中渗出乳白色，黄褐色，咖啡色，甚致黑色的碱硅凝胶，用湿布不易擦掉，多为碱骨料反应。
(3)膨胀源呈白色粉团、姜黄色石子和多为含氧化镁石子及生石灰吸潮膨胀所致。
2.4 钢管拱桥裂缝
2.4.1 钢管混凝土拱拱脚构造裂缝
钢管混凝土拱的拱脚与系梁连接处若采用钢筋混凝土连接构在拱脚处易出现裂缝。产生这类裂缝的根本原因是由于钢管拱的钢管导热系数高，而混凝土的导热系数低，在日照作用下，钢管温度比混凝土高，以致钢管膨胀量比混凝土大，从而胀裂外包混凝土，虽然混凝土内部已布置了非常多的钢筋，但效果甚少。
2.4.2 钢管与核心混凝土粘结脱壳
其主要原因是日照后，钢笔钢管温度高于核心混凝土所产生。
2.5大体积混凝土水化热引起的裂缝
大体积混凝土浇筑过程中，由于水泥水化过程中会产生大量热量，导致内外温差而产生裂缝，一般在浇筑过程中，应采取措施控制内外温差。一般在浇筑过程中，应采取措施控制内外差不超过25℃;但往往由于管理不善，保温措施不力而裂缝。
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3 荷载裂缝常见形式及成因
荷载裂缝是由于外力、轴线变形或支承变位引起的裂缝，属于外力裂缝。
3.1 正截面裂缝
所谓正截面裂缝是指垂直于构件轴线的截面在正弯矩或负弯矩作用下产生的裂缝，这类裂缝一般垂直于构件轴线方向。
3.2 斜截面裂缝
在梁端的剪力作用下，当主拉应力超过混凝土抗拉强度，即为产生斜截面裂缝，对于箱梁，在扭矩作用下，也会产生斜截面裂缝。
3.3 组合结构裂缝
在装配组合式结构中，往往由于结合面强度不足，并在结合面未予配筋而在结合面受剪较大处及结合面受拉较大处产生裂缝
这类裂缝必须引起重视，由于结合面裂缝后，会造成截面承载能力极度降低，在作荷载试验时，一般应该检测截面整体性检验 。
3.4 预加应力不足引起裂缝
预加应力不足，会导致混凝土结构提前出现裂缝，图36为上海中山西路三号桥由于对箱梁剪滞效应估计不足，而导致预加应力不足而产生正截面裂缝。
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3.5 预应力混凝土锚下应力集中引起裂缝
由于预应梁在张拉时，若混凝土强度未达到一定要求，或锚下配置抗应力集中钢筋不足时，就会出现距锚具一定距离产生顺应力钢筋方向的纵向裂缝。
桥梁中段图1 锚下混凝土应力分布示意图
由图1可知在锚具处作用局部的集中力后，在锚具下一定范围内是处于横向受压状态，但过后即产生横向受拉状态，当其拉应力大于当时混凝土抗拉强度，即会沿预应方向裂缝。
压拉
3.6 混凝土受压裂缝
钢筋混凝土拱桥由于拱脚过大水平位移或船撞，往往引起拱脚下缘处于较高压应力状态，当压应力超过其抗压强度，就会产生沿受压方向的裂缝而破坏。
4 结语
裂缝作为混凝土桥梁病害表现的最终形式，如果能充分的了解这些常见裂缝的表现形式及形成机理，就能为桥梁的对症养护加固提供依据，保证桥梁结构的安全可靠使用。
参考文献
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1 王铁梦.工程结构裂缝控制.北京：中国建筑工业出版社.1997.
2 刘仲训.混凝土桥梁病害诊断及维修加固技术.同济大学
3 肖玉辉，沈立宏.混凝土桥梁病害成因分析及对策研究.中外公路2004.2
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