浅析混凝土桥梁裂缝的物理成因
关键词：桥梁裂缝，物理，荷载
造成混凝土桥梁裂缝种类繁多，不同的裂缝对桥梁的危害各有轻重。混凝土桥梁裂缝按产生原因分物理类裂缝和化学类裂缝，而物理类裂缝是最常见而且最难预防和控制的。正确地分析裂缝出现的原因，是克服和控制裂缝、保证桥梁正常使用的关键。物理类裂缝是因为温度荷载、梯度、收缩、变形、约束等各种因素，导致混凝土内部或表面产生应力和应力变化，同时与混凝土增长中的强度之间不相适应而产生和发育的。本文具体分析了桥梁混凝土裂缝的物理成因。
一、荷载裂缝
在工程实践中，由荷载引起的裂缝占总混凝土桥梁裂缝的20%左右。荷载裂缝是混凝土桥梁在静、动荷载及次应力作用下产生的裂缝，主要分直接应力裂缝和次应力裂缝。直接应力裂缝是指混凝土桥梁在外荷载引起的直接应力产生的裂缝；次应力裂缝是指混凝土桥梁由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。
荷载裂缝产生的原因主要有：在设计计算阶段，计算模型不合理；设计断面不足；结构计算时部分荷载漏算；构造处理不当，钢筋设置偏少或布置错误；设计图纸交代不清等。在施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，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。在桥梁使用阶段，超出设计载荷的重型车辆频繁过桥；受船舶撞击等。
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，仅是按常规一般不计算，但目前次应力裂缝也是可以做到合理验算的。在设计上，应注意避免结构突变(或断面突变)，当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。混凝土桥梁的荷载裂缝特征依荷载不同而呈现不同特点，其分布规律是沿主拉应力方向开展，其走向与主拉应力方向垂直。荷载裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。如受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，即表明混凝土桥梁达到承载力极限，其原因多是截面尺寸偏小。根据混凝土桥梁结构的不同受力方式，产生的裂缝特征主要有中心受拉、中心受压、受弯、大偏心受压、小偏心受压、受剪、受扭、受冲切和局部受压。
二、、温度裂缝
温度裂缝区别于其他裂缝最主要的特征是随温度变化而扩张或合拢。因此研究引起混凝土桥梁温度变化的因素，对减少温度裂缝至关重要。引起混凝土桥梁温度变化的主要因素有：年温差、日照、骤然降温、水化热、蒸汽养护或冬季施工措施不当等。其中日照和骤然降温是导致混凝土桥梁温度裂缝的最常见原因。尤其对大体积混凝土桥梁施工中的温度监控，是控制温度裂缝产生的关键。混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或内部温度发生变化，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。在某些大跨径混凝土桥梁中，温度应力可以达到甚至超出荷载应力。
三、收缩裂缝
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。塑性收缩发生在施工过程中、混凝土浇注后4～5h左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，此时混凝土尚未硬化。塑性收缩所产生量级可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。在构件竖向变截面处如T梁、箱梁腹板与顶底板交接处，因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。缩水收缩。混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的，也可以是负的。另外，当大气中的CO2与水泥的水化物发生化学反应引起的炭化收缩。。
四、地基变形裂缝由于地基不均匀沉降或水平方向位移，使混凝土桥梁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。地基不均匀沉降的主要原因有：地质勘察精度不够、试验资料不准；地基地质差异太大；结构荷载差异太大；结构基础类型差别大；分期建造的基础；地基冻胀；桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质；桥梁建成以后，原有地基条件变化。对于拱桥等产生水平推力的结构物，对地质情况掌握不够、设计不合理和施工时破坏了原有地质条件是产生水平位移裂缝的主要原因。
五、钢筋锈蚀裂缝
由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受CO2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，混凝土中钢筋的锈蚀主要是电化学过程。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。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。
六、冻胀裂缝
大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水因结冰使其体积增大9%，使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≤-78℃)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，导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失可达30%～50%。冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施，也可能发生混凝土沿管道方向的冻胀裂缝。
七、施工裂缝
在混凝土桥梁结构浇注、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型的有：混凝土保护层过厚，或乱踩已绑扎的上层钢筋，使承受负弯矩的受力筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝。混凝土浇注过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇注数小时后发生裂缝，即塑性收缩裂缝。混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土坍落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。
工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土桥梁均是带缝工作的，只是有些裂缝很细，甚至肉眼看不见(<0.05mm)，一般对混凝土桥梁的危害很小，可以不处理；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，严重时甚至发生混凝土桥梁坍塌事故，危害混凝土桥梁的正常使用，所以，必须加强对桥梁混凝土裂缝的研究，严格控制此类裂缝的产生和扩展。
参考文献：
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