混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫(遼寧)

1、混凝土結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫分析損傷與裂縫分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 教授遼寧大通公路技朮公司 顧問張樹仁混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫分折 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指結(jié)構(gòu)對氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其它破壞過程的抵抗能力。 在役橋梁結(jié)構(gòu)隨著使用時(shí)間的延續(xù)，受結(jié)構(gòu)使用條件及環(huán)境侵蝕等因素的影響，加之設(shè)計(jì)和施工的不當(dāng)，將發(fā)生材料老化與結(jié)構(gòu)損傷，這是一個(gè)不可逆的過程，這種損傷的累積將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化，承載力下降和耐久性降低。混凝土結(jié)構(gòu)損傷與裂縫分析 外界環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)物理化學(xué)作用的結(jié)果。環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞主要有： 混凝土碳化； 氯離子侵蝕； 堿骨料反應(yīng)； 凍

2、融循環(huán)破壞； 鋼筋腐蝕。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷1、混凝土的碳化混凝土碳化是指混凝土中的氫氧化鈣（Ca(OH)2）與滲透進(jìn)混凝土中的二氧化碳（CO2）或其他酸性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程?；炷撂蓟捎孟铝谢瘜W(xué)式表示：CO2+H2OH2CO3Ca(OH)2+H2CO3CaCO3+2H2O （1）一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 碳化的實(shí)質(zhì)是混凝土的中性化。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土內(nèi)部的孔隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其pH值為1213。在這樣高的堿性環(huán)境中埋置的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使鋼筋表面生成一層難溶的三氧化二鐵（Fe2O3）和四氧化三鐵（Fe3O4），通常稱為鈍化膜

3、，能夠阻止混凝土中鋼筋的腐蝕。當(dāng)有二氧化碳和水氣從表面通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部時(shí)，和混凝土中的堿性物質(zhì)中和，會(huì)導(dǎo)致混凝土的pH值降低。當(dāng)pH值小于9時(shí)，埋置于混凝土中的鋼筋表面的鈍化膜被逐漸破壞，在水分和其它有害介質(zhì)侵入的情況下，鋼筋就會(huì)發(fā)生腐蝕。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 混凝土碳化特征曲線是表征混凝土碳化深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。國內(nèi)外大量的研究資料表明，在非侵蝕性介質(zhì)的正常大氣條件下，混凝土碳化特征曲線可用冪函數(shù)方程表示。 （2）式中：D混凝土碳化深度； t混凝土碳化齡期； 碳化速度系數(shù)。Dt一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 混凝土碳化深度測量是橋梁檢測的重要工作內(nèi)容之一，通常采用在混凝

4、土表面點(diǎn)滴1%的酚酞溶液的方法測試，未碳化的混凝土與酚酞液反量呈粉紅色。 在實(shí)際工作中，可通過對使用若干年后結(jié)構(gòu)大量的實(shí)測碳化深度的統(tǒng)計(jì)分析，推算鋼筋的混凝土保護(hù)層完全（或部分）碳化的時(shí)間，預(yù)測鋼筋可能產(chǎn)生銹腐的時(shí)間，為結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估提供必要的基礎(chǔ)資料。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷2、氯離子侵蝕混凝土是一種耐久性較好的建筑材料，但在化學(xué)侵蝕介質(zhì)的作用下，它保持自身能力是較差的。對橋梁及港工結(jié)構(gòu)而言，最危險(xiǎn)的化學(xué)侵蝕是氯離子的侵蝕。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷2.1 氯離子存在的廣泛性 一般硅酸鹽水泥本身只含有少量的氯化物。若在混凝土拌制時(shí)加入了含氯化物的減水劑，摻入用海水淬冷的高爐礦

5、渣或使用海水排濕的粉煤灰等，均可能會(huì)使混凝土含有相當(dāng)多的氯化物。就大多數(shù)情況而言，氯化物對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕是氯離子從外界環(huán)境侵入已硬化的混凝土造成的。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 海水是氯離子的主要來源，海水中通常含有3%的鹽，其中主要是氯離子。海風(fēng)、海霧中也含有氯離子，海砂中更含有一定量的氯離子。我國的海岸線長，大規(guī)?；窘ㄔO(shè)多集中在沿海地區(qū)，尤其是海洋工程，如碼頭、護(hù)坡和防堤等由氯離子侵入引起的鋼筋腐蝕破壞是十分突出的。同時(shí)，沿海地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)河砂匱乏的情況，不經(jīng)技術(shù)處理就使用海砂的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。國外的工程經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明，海水、海風(fēng)和海霧中的氯離子和不合理地使用海砂是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性

6、的重要原因之一。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 近半個(gè)世紀(jì)以來，世界各國公路交通發(fā)展迅猛，為了保證交通暢通，冬季向道路、橋梁橋面撒鹽化雪除冰，使得氯離子滲透到混凝土之中，引起鋼筋腐蝕。我國北方地區(qū)大量使用氯化鈉、氯化鈣化雪除冰，由于氯離子除冰性能好，價(jià)格便宜，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，短時(shí)期內(nèi)很難取消使用撒鹽除冰的方法，不少地方還將繼續(xù)使用。對此類人為造成的氯離子環(huán)境的腐蝕危害，必須采取防鹽腐蝕的技術(shù)措施。2.2 氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的危害 氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的危害是多方面的，但最終表現(xiàn)為鋼筋的腐蝕。 我國早期修建的港工和橋梁結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)低、抗?jié)B性差，由于氯化物侵蝕造成鋼筋蝕腐破壞的情況是觸目驚

7、心的?；炷猎馐苈然锏那治g，形成大量可溶性鹽類，并在混凝土的孔隙和毛細(xì)孔中反復(fù)積聚，引起膨脹性反應(yīng)，使混凝土的孔隙加大，或出現(xiàn)裂縫。加大了氯化物滲入混凝土內(nèi)部的通道，導(dǎo)致鋼筋腐蝕。鋼筋腐蝕后出現(xiàn)銹脹裂縫又會(huì)進(jìn)一步加大氯離子侵入混凝土內(nèi)部的通道，導(dǎo)致鋼筋腐蝕加劇，如此惡性循環(huán)，最終造成鋼筋的嚴(yán)重腐蝕破壞。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 對橋梁結(jié)構(gòu)特別是城市立交而言，來自海洋環(huán)境和除冰鹽的氯化物侵蝕而引起的鋼筋腐蝕是嚴(yán)重威脅混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要和最普遍的病害，已造成了巨大的損失，應(yīng)引起設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)管理部門極大的重視。 鋼筋周圍混凝土未碳化，鋼筋銹蝕是由于氯離子引起3、混凝土的堿骨料反應(yīng)3

8、.1 堿骨料反應(yīng)作用機(jī)理 堿骨料反應(yīng)是指混凝土中某些活性礦物骨料與混凝土孔隙中的堿性溶液之間發(fā)生的反應(yīng)。堿骨料反應(yīng)的類型與骨料活性成份有關(guān)，最常見的是堿 硅酸反應(yīng)。 堿 硅酸反應(yīng)是二氧化硅在骨料顆粒表面溶解，逐漸形成硅酸鹽凝膠。硅酸鹽凝膠具有粘性，吸水后體積膨脹3-4倍，將引起混凝土開裂破壞。3.2 堿骨料反應(yīng)的破壞特征 堿骨料反應(yīng)破壞的最重要特征之一是混凝土表面開裂。堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的裂縫形態(tài)與結(jié)構(gòu)中鋼筋形成的限制和約束狀態(tài)有關(guān)。鋼筋限制約束力強(qiáng)的混凝土，堿骨料反應(yīng)形成的裂縫為順筋裂縫；限制約束作用弱的混凝土，堿骨料反應(yīng)形成的裂縫為網(wǎng)狀或地圖狀裂縫。另外，堿骨料反應(yīng)引起混凝土開裂的同時(shí)出現(xiàn)局部

9、膨脹，以至使裂縫邊緣出現(xiàn)不平的錯(cuò)臺(tái)狀態(tài)，這是堿骨料反應(yīng)裂縫所特有的現(xiàn)象。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 在工程病實(shí)診斷時(shí)，應(yīng)注意堿骨料反應(yīng)裂縫與混凝土收縮裂縫的區(qū)別?；炷恋氖湛s也會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫，但出現(xiàn)的時(shí)間較早；堿骨料反應(yīng)裂縫出現(xiàn)較晚，多數(shù)在施工后數(shù)年甚至十幾年后出現(xiàn)。收縮裂縫和堿骨料反應(yīng)裂縫均與環(huán)境溫度有關(guān)：環(huán)境越干燥收縮裂縫越大，而堿骨料反應(yīng)裂縫則是隨著環(huán)境濕度的增大而發(fā)展。堿骨料反應(yīng)裂縫首先出現(xiàn)在同一工程相同混凝土的潮濕部位，而干燥部位卻安然無恙，這是堿骨料反應(yīng)裂縫與其他原因裂縫最明顯的外觀特征差別之一。 杭州清泰門立門橋骨料膨脹病害 杭州清泰門立交橋端橫隔板由于堿 活性骨料膨脹引起

10、的裂縫形態(tài)。 杭州清泰門立交橋西部第七孔和第八孔實(shí)景 清泰門立交橋西部第七孔和第八孔之間伸縮縫西側(cè)第七孔端 橫梁底裂縫 清泰門立交橋第七孔端橫梁裂縫形態(tài) 清泰門立交橋第八孔端橫梁底裂縫形態(tài) 清泰門立交橋第七孔端橫梁鑿入內(nèi)部發(fā)現(xiàn)堿骨料反映 特征變質(zhì)輝綠巖外圈產(chǎn)生白色反應(yīng)環(huán) 清泰門立交橋第七孔端橫梁內(nèi)部層離狀裂縫形態(tài) 空心板梁梁底因骨料膨脹而產(chǎn)生沖剪裂縫形態(tài)，放射形裂縫交點(diǎn)內(nèi)部有一膨脹源（膨脹骨料） 3.3 堿骨料反應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)的危害 堿骨料反應(yīng)引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)展速度和破壞程度，比其他耐久性破壞更快、更嚴(yán)重。混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)時(shí)，一般不到兩年就會(huì)出現(xiàn)明顯開裂。出現(xiàn)裂縫后，空氣、二氧化碳

11、的侵入會(huì)使混凝土碳化和鋼筋腐蝕速度加快。在寒冷地區(qū)，混凝土出現(xiàn)裂縫后，又會(huì)使凍融破壞加速，這樣就造成混凝土工程的綜合性破壞。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 堿骨料反應(yīng)是導(dǎo)致混凝土耐久性能喪失的一項(xiàng)重要因素，它與其他破壞因素如凍融，干濕交替，鋼筋腐蝕等因素形成的危害往往同時(shí)發(fā)生。堿骨料反應(yīng)造成的最大危害是推波助瀾，助長其他耐久性破壞作用加速，產(chǎn)生破壞的協(xié)同效應(yīng)。堿骨料反應(yīng)一旦發(fā)生，就很難控制，還會(huì)加速其他耐久性破壞過程，所以，有時(shí)也稱堿骨料破壞是混凝土結(jié)構(gòu)的“癌癥”。3.4 堿骨料的防止 對付堿骨料反應(yīng)重在預(yù)防，因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)一旦發(fā)生堿骨料破壞，目前還沒有什么可靠的修補(bǔ)措施。 防止混凝土堿骨料

12、反應(yīng)應(yīng)采用綜合手段，從根本上加以解決； 選用含堿量低的水泥，水泥的含堿量不應(yīng)大于0.6%； 不使用堿活性大的骨料； 在混凝土中摻入適量的火山灰活性細(xì)摻料； 選用不含堿或含堿量低的化學(xué)外加劑； 通過各種措施，保證混凝土的總含堿量不大于3kg/m3； 提高混凝土密實(shí)度或采用復(fù)合纖維混凝土，增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性，阻止水分的侵入。4、混凝土的凍害 混凝土早期受凍使混凝土表面爆裂，強(qiáng)度損失嚴(yán)重，對結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性影響很大。處于寒冷潮濕環(huán)境的混凝土在凍融循環(huán)的反復(fù)作用下，將引起混凝土表層剝落和開裂，對結(jié)構(gòu)的耐久性危害很大。北方地區(qū)公路撒鹽除冰，由于鹽類化合物與凍融循環(huán)共同作用引起的鹽凍破壞是一種最嚴(yán)重的凍

13、融破壞，共破壞程度和速率比普通凍融破壞要大得變。4.1 混凝土凍融破壞機(jī)理 由于混凝土凍害的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外對混凝土凍融破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠統(tǒng)一。一般認(rèn)為水泥漿體中的孔隙水結(jié)冰膨脹是引起混凝土凍害破壞的根本原因。水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生9%的體積膨脹，如果混凝土的孔隙中完全充滿水，這么大的膨脹足以使混凝土開裂破壞。4.2 混凝土凍融破壞的特征 凍融破壞的特征是混凝土剝落，在混凝土表面出現(xiàn)粒徑23mm的小片剝落，隨著使用年限的增加，剝落量及剝落粒徑增大，剝落由表及里。剝落一經(jīng)開始，發(fā)展的速度是很快的。最典型的凍融破壞實(shí)例如黑龍江省某電廠的冷卻塔，從建成到發(fā)現(xiàn)混凝土表層小顆粒剝落只有12年，從小顆粒剝落到大

14、顆粒剝落乃至整個(gè)保護(hù)層破壞，完全喪失承載能力也只有2年左右。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 北方地區(qū)處于水位變化處的混凝土橋墩，凍融破壞較為普遍，表層混凝土剝落，剝蝕破壞由表及里，發(fā)展很快，減小了截面尺寸，影響結(jié)構(gòu)安全?；炷羶鋈谄茐陌l(fā)展速度快，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)凍融剝落，必須密切注意剝蝕的發(fā)展情況，及時(shí)采取修補(bǔ)和補(bǔ)強(qiáng)措施。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 鹽凍破壞主要出現(xiàn)在道路和橋梁工程中，根據(jù)大量的現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，鹽凍破壞區(qū)別于其他破壞形式的主要特征是： 表面分層剝落，骨料暴露，但剝落層下面的混凝土完好，傳統(tǒng)的鉆芯取樣實(shí)測強(qiáng)度不低； 破壞速率快，對未采用防鹽凍措施而使用除冰鹽者，少則一冬

15、，多則數(shù)冬，即可產(chǎn)生嚴(yán)重鹽凍破壞； 在沒有干擾的剝蝕表面或裂縫中可見到白色鹽結(jié)晶體（以氯鹽為主）。河北保津高速公路大清河大橋橋面鋪裝層破壞情況（鋪裝層混凝土表層剝落，鋼筋外露，腐蝕嚴(yán)重）4.3 采用引氣混凝土技術(shù)是提高混凝土抗凍耐 久性的重要措施 國內(nèi)外大量的研究表明，摻入引氣劑的混凝土抗凍耐久性明顯提高，這是因?yàn)橐龤鈩┬纬傻幕ゲ贿B通的微細(xì)氣孔在混凝土受凍初期能使毛細(xì)孔中的靜水壓力減小。在混凝土受凍結(jié)冰過程中，這些孔隙可以阻止或抑制水泥漿中微小冰體的形成。 引氣混凝土是成熟技術(shù)，國外已廣泛采用，我國水工和港工結(jié)構(gòu)引氣混凝土的應(yīng)用較多。 我國在應(yīng)用引氣混凝土技術(shù)方面與國外差距較大，是造成混凝土結(jié)

16、構(gòu)耐久性差的主要原因之一。特別是在北方寒冷地區(qū)的道路與橋梁工程，盡快推廣使用引氣混凝土，對提高結(jié)構(gòu)的抗凍耐久性具有十分重要的意義。5 鋼筋腐蝕 大量的工程實(shí)踐表明，鋼筋的腐蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。處于干燥環(huán)境下，混凝土碳化速度緩慢，具有良好保護(hù)層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般不會(huì)發(fā)生鋼筋腐蝕；而處于潮濕的或有侵蝕介質(zhì)（例如氯離子）的環(huán)境中，混凝土將加速碳化，鋼筋鈍化膜逐漸破壞，鋼筋將逐漸腐蝕,最終將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。鋼筋腐蝕伴隨有體積膨脹，使混凝土表面出現(xiàn)順筋裂縫（爆裂），造成鋼筋與混凝土之間粘著力的破壞，鋼筋截面面積減少，構(gòu)件承載力降低，變形和裂縫增大等一系列不良后果，并隨著時(shí)間的推

17、移，腐蝕會(huì)逐漸惡化，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的完全破壞。5.1 影響鋼筋腐蝕的因素 混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕受許多因素影響，其中主要包括：混凝土的液相組成（pH值及Cl含量）、混凝土密實(shí)度、保護(hù)層厚度及完好性和外部環(huán)境等。 混凝土液相pH值 鋼筋腐蝕速度與混凝土液相pH值有密切關(guān)系，當(dāng)pH值大于10時(shí)，鋼筋腐蝕速度很??；當(dāng)pH值小于4時(shí)，鋼筋腐蝕速度急劇增加。 混凝土中氯離子Cl含量 混凝土中氯離子Cl含量對鋼筋腐蝕的影響極大。一般情況下，鋼筋混凝土中氯鹽摻量應(yīng)少于水泥重量的1%，摻氯鹽的混凝土必須振搗密實(shí)，且不宜采用蒸汽養(yǎng)護(hù)。 混凝土的密實(shí)度和保護(hù)層厚度 混凝土對鋼筋的保護(hù)作用包括兩個(gè)方面：一是混凝土

18、的高堿性使鋼筋表面形成鈍化膜；二是保護(hù)層對外界腐蝕介質(zhì)、氧氣和水分等滲入的阻止。后一種作用主要取決于混凝土的密實(shí)度及保護(hù)層厚度。 混凝土保護(hù)層的完好性 混凝土保護(hù)層的完好性是指混凝土是否開裂，有無蜂窩、孔洞等?；炷亮芽p對鋼筋腐蝕有明顯影響，特別是對處于潮濕環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中的混凝土影響更大。許多調(diào)查表明，在潮濕環(huán)境中使用的混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫寬度達(dá)0.2mm時(shí)，即可引起鋼筋腐蝕。 粉煤灰等摻合料的數(shù)量 粉煤灰等礦物摻合料能降低混凝土的堿性，從這種意義上講可能會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。但是，國內(nèi)外許多研究表明，在摻有優(yōu)質(zhì)粉煤灰等摻合料時(shí)，在降低混凝土堿性的同時(shí)，能提高混凝土的密實(shí)度，改變混凝土內(nèi)部孔

19、隙結(jié)構(gòu)，從而能阻止外界腐蝕介質(zhì)、氧氣和水分的滲入，這無疑對防止鋼筋腐蝕是十分有利的。近年來，我國的研究工作還表明，摻入粉煤灰可以增強(qiáng)混凝土抵抗雜散電流對鋼筋的腐蝕作用。因此，綜合考慮上述效應(yīng)，可以認(rèn)為在混凝土中摻入符合標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰，不但不會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，有時(shí)反而會(huì)提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。 環(huán)境條件 環(huán)境條件如溫度、濕度及干濕交替作用、海水飛濺、海鹽滲透等是引起鋼筋腐蝕的外在因素，對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕有明顯影響。特別是混凝土自身保護(hù)能力不合要求或混凝土保護(hù)層有裂縫等缺陷時(shí)，外界因素的影響更為突出。許多實(shí)際調(diào)查表明，混凝土在潮濕及腐蝕介質(zhì)中的使用壽命要比干燥環(huán)境及無腐蝕介質(zhì)情況下減少

20、23倍。一、環(huán)境因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)損傷 鋼筋應(yīng)力狀態(tài) 鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)對其腐蝕的影響很大，應(yīng)力腐蝕比一般腐蝕更危險(xiǎn)。鋼筋的應(yīng)力腐蝕一般是先形成腐蝕坑，造成應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋源，進(jìn)一步發(fā)展造成裂紋尖端部位材料的脆化，引起裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼筋斷裂。鋼筋應(yīng)力越高，應(yīng)力腐蝕的敏感性越大。 四川路橋箱體腹板和頂板鋼筋大面積銹蝕而崩裂混凝土保護(hù)層 腹板鋼筋銹蝕崩裂混凝土表面 蓋梁箍筋銹蝕 立柱銹脹裂縫 二 、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 1、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型和成因混凝土結(jié)構(gòu)裂縫類型和成因 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。引起裂縫的原因很多，可歸納為兩大類： 第一類：由外荷載引起的裂縫

21、，稱為結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱為荷載裂縫），其裂縫的分布及寬度與外荷載有關(guān)。 第二類：由變形引起的裂縫，稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫（又稱非荷載裂縫），如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結(jié)構(gòu)變形受到限制時(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)，變形得到釋放，自應(yīng)力也就消失了。二、 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 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)兩類裂縫融在一起。對裂縫原因的分析是裂縫危害性評(píng)定、裂縫修補(bǔ)和加固的依據(jù)，若對裂縫不經(jīng)分析研究就盲目進(jìn)行處理，不僅達(dá)不

22、到預(yù)期的效果，還可能潛藏著突發(fā)性事故的危險(xiǎn)。1.1 結(jié)構(gòu)性裂縫（荷載裂縫） 結(jié)構(gòu)性裂縫是由于結(jié)構(gòu)受到外荷載的作用，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的極限拉強(qiáng)度，使混凝土產(chǎn)生的裂縫。 對于橋梁工程中大量采用受彎構(gòu)件而言，結(jié)構(gòu)性裂縫主要表現(xiàn)為彎曲裂縫和剪切裂縫兩種形式。二、 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 1.1.1彎曲裂縫 彎曲裂縫是指在彎短作用下，因拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的裂縫。一般出現(xiàn)在承受彎矩較大梁段的受拉區(qū)，如簡支梁跨中梁段下緣受拉區(qū)，連續(xù)梁跨中梁段下緣和支座處上緣的受拉區(qū)。對縱向受力鋼筋配置較少的個(gè)別部分，也有可能因拉應(yīng)力過大產(chǎn)生彎曲裂縫。二、 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 對板梁橋（實(shí)心板梁，空心板梁）而言

23、，由拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的彎曲裂縫，一般表現(xiàn)為在板的跨中梁段底面出現(xiàn)若干條大致平行分布的橫橋向裂縫。對T梁橋（或箱梁橋）而言，由拉應(yīng)力過大而產(chǎn)生的彎曲裂縫，一般表現(xiàn)為在梁的跨中梁段的腹板（梁肋）上出現(xiàn)若干條大致平行布置，且與底面貫通的豎直裂縫。豎直裂縫在腹板（梁肋）上的延伸長度一般不超過梁高的一半。 圖3 所示為鋼筋混凝土簡支梁的典型結(jié)構(gòu)性裂縫分布示意圖。圖中所示的跨中截面附近下緣受拉區(qū)由拉應(yīng)力引起的豎向裂縫，是最常見的結(jié)構(gòu)彎曲性裂縫。在正常設(shè)計(jì)和使用情況下，裂縫寬度不大，間距較密，分布均勻。212 預(yù)加應(yīng)力不足引起裂縫預(yù)加應(yīng)力不足引起裂縫 預(yù)加應(yīng)力不足，會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)提前出現(xiàn)裂縫，圖為上海中山

24、西路三號(hào)橋由于對箱梁剪滯效應(yīng)估計(jì)不足，而導(dǎo)致預(yù)加應(yīng)力不足，由此產(chǎn)生正截面裂縫。 上海中山西路三號(hào)橋由于預(yù)加應(yīng)力不足引起箱梁底板下緣裂縫 1.1.2 剪切裂縫 剪切裂縫是指在剪力或剪力與彎矩共同作用下，因主拉應(yīng)力過大在腹板（梁肋）兩側(cè)產(chǎn)生的斜裂縫，一般出現(xiàn)在承受剪力較大的支點(diǎn)附近截面及同時(shí)承受剪力和彎矩均較大的梁段。另外，梁的抗剪配筋薄弱處也可能出現(xiàn)剪切斜裂縫。圖3中為簡支T梁橋腹板出現(xiàn)的剪切斜裂縫。二、 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 剪切斜裂縫的特征是在腹板（梁肋）兩側(cè)基本上對稱布置，傾斜角度為30- 50，傾斜方向與主壓應(yīng)力跡線方向一致（即與斜筋布置方向相垂直）。大致在梁高一半處裂縫寬度最大?？拷c(diǎn)

25、附近截面的斜裂縫向下延伸長度不大，一般不與底面貫通?？鐝絻?nèi)梁段受彎矩的影響較大，斜裂縫向下延伸長度較大，有可能與底面貫通，形成彎剪斜裂縫。 預(yù)應(yīng)力混凝土錨下應(yīng)力集中引起裂縫預(yù)應(yīng)力混凝土錨下應(yīng)力集中引起裂縫 由于預(yù)應(yīng)梁在張拉時(shí)，若混凝土強(qiáng)度未達(dá)到一定要求，或錨下配置抗應(yīng)力集中鋼筋不足時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)距錨具一定距離產(chǎn)生順應(yīng)力鋼筋方向的縱向裂縫。 某橋預(yù)應(yīng)力橫梁端部產(chǎn)生明顯的錨下應(yīng)力集中裂縫1.2 非結(jié)構(gòu)性裂縫 混凝土的非結(jié)構(gòu)性裂縫根據(jù)其形成的時(shí)間可分為：混凝土硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完全硬化后裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生受混凝土材料組成、澆筑方法、養(yǎng)護(hù)條件和使用環(huán)境等多種因素影響。1.2.1收縮裂縫 在

26、混凝土凝固過程中，混凝土中多余水分蒸發(fā)，體積縮小稱為干燥收縮（干縮）。同時(shí)，水泥和水發(fā)生水化作用逐漸硬化而形成的水泥骨架不斷緊密，體積縮小，稱為塑性收縮（凝縮）。收縮中以干縮為主，占總收縮量的8090。收縮量隨時(shí)間增長而不斷加大，初期收縮較快，爾后日趨緩慢。普通混凝土在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的極限收縮變形約為0.0000324。1.2.1.1 塑性收縮裂縫 塑性收塑裂縫是指混凝土澆筑后，在硬化前由于塑性收縮導(dǎo)致的裂縫。 塑性收縮裂縫產(chǎn)生的原因在于混凝土表面干燥速度遠(yuǎn)大于內(nèi)部，面層混凝土迅速失水結(jié)硬，收縮大，變形受到內(nèi)部約束時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力導(dǎo)致混土開裂。因此，塑性收縮裂縫均在表面出現(xiàn)，裂縫形狀不規(guī)則，多為橫向

27、，長度在50-1000mm之間，間距50-90mm,寬度在0.5-2mm左右，細(xì)而多且互不貫通。二、 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 混凝土塑性收縮裂縫在體表比小的板式結(jié)構(gòu)中最為普遍，天氣炎熱、蒸發(fā)量大或混凝土本身水化熱高都是產(chǎn)生塑性裂縫的直接原因。實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)混凝土拌和物表面失水速度大于0.5kg/m3.h時(shí)，極易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。實(shí)際施工中，加強(qiáng)覆蓋，及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，都可有效減少塑性收縮裂縫的產(chǎn)生。采取二次搓毛壓平措施，對已形成的塑性收縮裂縫有良好的愈合作用。1.2.1.2 干燥收縮裂縫 干燥收縮裂縫是指混凝土干燥收縮變形導(dǎo)致的裂縫。 干燥收縮變形是混凝土凝結(jié)硬化后由于含水孔隙失水導(dǎo)致的體積收縮，混

28、凝土內(nèi)部和環(huán)境之間存在的濕度梯度是水分遷移的驅(qū)動(dòng)力。 混凝土成形后，表面水份蒸發(fā)，這種水份蒸發(fā)總是由表及里逐步發(fā)展，截面上濕度形成梯度，內(nèi)外干縮量不一樣，當(dāng)混凝土表面收縮變形受到混凝土內(nèi)部約束或其他約束限制時(shí)，即在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的極限拉強(qiáng)度時(shí)，即出現(xiàn)干燥收縮裂縫。二 、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 普通混凝土干燥收縮隨時(shí)間的發(fā)展存在一定規(guī)律，通常半個(gè)月可完成收縮終值的10%-25%；3個(gè)月完成50%-60%；1年完成75%-80%，因此，混凝土結(jié)構(gòu)的干燥收縮裂縫通常在1年左右開始出現(xiàn)。混凝土結(jié)構(gòu)的干燥收縮裂縫總是在拉應(yīng)力集中部位或結(jié)構(gòu)最薄弱部位首先出現(xiàn)，并與拉應(yīng)力聚集的方向垂直。

29、二 、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 視結(jié)構(gòu)約束條件以及配筋形式的不同，干燥收縮裂縫一般有兩種形狀：一種為不規(guī)則龜紋狀或放射狀裂縫；另一種為每隔一段距離出現(xiàn)1條的裂縫，其中以后者居多，多為棗核形，最初表現(xiàn)為不貫穿的表面裂縫，隨后大部分裂縫都將逐漸演化為貫穿型裂縫。裂縫寬度通常在0.1-0.5mm，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)0.5-1.5mm。實(shí)際工程中，這種干燥收縮裂縫多出現(xiàn)于縱向長度較大或體積表面積比較大的結(jié)構(gòu)。二 、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析圖圖4：深圳泥崗立交匝道橋腹板收縮裂縫示意圖：深圳泥崗立交匝道橋腹板收縮裂縫示意圖 1.2.2 溫度裂縫 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著溫度變化將產(chǎn)生熱脹冷縮變形，這種溫度變形受到約束時(shí)，在混凝土內(nèi)

30、部就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)此拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，即會(huì)引起混凝土裂縫。這種裂縫稱為溫度裂縫。按結(jié)構(gòu)的溫度場不同、溫度變形、溫度應(yīng)力不同，溫度裂縫可分為三種類型：1.2.2.1 截面均勻溫差裂縫一般橋梁結(jié)構(gòu)為桿件體系長細(xì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度變化時(shí)，構(gòu)件截面受到均勻溫差的作用，可忽略橫截面兩個(gè)方向的變形，只考慮沿梁長度方向的溫度變形，當(dāng)這種變形受到約束時(shí)，在混凝土內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，出現(xiàn)裂縫。例如：連續(xù)梁預(yù)留伸縮縫的伸縮量過小或有施工散落的混凝土碎塊等雜物嵌入伸縮縫或堆集于支座處的雜物沒有及時(shí)清理，使伸縮縫和支座失靈等，當(dāng)溫度急劇變化時(shí)，結(jié)構(gòu)伸長受到約束，就會(huì)出現(xiàn)這種截面均勻溫差裂縫，嚴(yán)重者還可能

31、造成墩臺(tái)的破壞。1.2.2.2 截面上、下溫差裂縫 以橋梁結(jié)構(gòu)中大量采用的箱形梁為例，當(dāng)外界溫度驟然變化時(shí)，會(huì)造成箱內(nèi)外的溫度差，考慮到橋梁為長細(xì)結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為在沿梁長方向箱內(nèi)外的溫差是一致的，沿橫向也沒有溫差。將三維熱傳問題簡化為沿梁的豎向溫度梯度來處理，一般假設(shè)梁的截面高度方向、溫差呈線性變化。二 、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫分析 在這種溫差作用下，梁不但有軸向變形，還伴隨產(chǎn)生彎曲變形。梁的彎曲變形在超靜定結(jié)構(gòu)中不但引起結(jié)構(gòu)的位移，而且因多余約束存在，還要產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力。當(dāng)上、下溫差變形產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限值時(shí)，混凝土就要出現(xiàn)裂縫，這種裂縫稱為截面上、下溫差裂縫。1.2.2.3截面內(nèi)外溫差裂縫 水泥在水化過程中產(chǎn)生一定的水化熱，其大部分熱量是在水泥澆注后3天以內(nèi)放出的。大體積混凝土產(chǎn)生的大量水化熱不容易散發(fā)，內(nèi)部溫度不斷上升，而混凝土表層散熱較快，使截面內(nèi)部產(chǎn)生非線性溫度差。另外，預(yù)制構(gòu)件采用蒸氣養(yǎng)生時(shí)，由于混凝土升溫或降溫過快，致使混凝土表面劇烈升