混凝土桥梁裂缝检测及修补技术

四川建筑　第25 卷2 期　200514 混凝土桥梁裂缝检测及修补技术 樊辉明1 , 姚昌荣2 , 李亚东2 (11中铁二局集团公司, 四川成都610032; 21西南交通大学土木工程学院, 四川成都610031) 　　【摘　要】　详细地分析了混凝土桥梁常见裂缝的成因和种类,并总结了混凝土裂缝检测与监测的方法, 最后介绍了桥梁裂缝的修补及加强技术。 　　【关键词】　桥梁; 　裂缝; 　成因; 　检测; 　修补【中图分类号】　U44517　【文献标识码】　B 　　混凝土是当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。 但许多混凝土结构在建设过程和使用过程中出现了不同程 度、不同形式的桥梁裂缝, 这是一个相当普遍的现象。近代科 学关于混凝土强度的细观研究以及大量工程实践所提供的 经验都说明: 混凝土结构物的桥梁裂缝是不可避免的。裂缝是 一种人们可以接受的材料特征[ 1 ]。 近年来, 随着我国交通事业的飞速发展, 修建了大量 的大跨度混凝土桥梁。在桥梁的修建和运营过程中, 从桥 梁的基础到桥面铺装层混凝土开裂的问题, 经营困扰着工 程技术人员。本文详细分析了混凝土桥梁裂缝的成因, 介 绍了桥梁裂缝检测的主要技术手段, 并提出预防桥梁裂缝的措施以 及裂缝的修补和加强, 以期对工程技术人员作参考, 在工 程实践过程中防患于未然。

1　混凝土桥梁裂缝的特点及预防措施 111　混凝土裂缝的成因 由于混凝土的组成材料、施工工艺以及环境等, 都会 对混凝土的结构性能产生影响, 因此混凝土裂缝的表现形 态多种多样, 其成因也是由于多种因素所影响。按裂缝起 因可以概括为如下几种: 原生微裂缝、约束变形的桥梁裂缝、 化学反应桥梁裂缝、结构受力桥梁裂缝、塑性裂缝以及由于施工工 艺引起的裂缝。 112　混凝土桥梁常见裂缝特点 混凝土是当今桥梁结构中使用最广泛、应用量最大的 一种材料。因为它可以配制成不同强度、不同性能和不同 形状的各种混凝土结构物, 并有较好的耐久性, 除非受到 侵蚀性环境的化学腐蚀或者遭到物理破坏, 混凝土几乎具 有无限的生命潜力。以上分析研究了普通混凝土结构物的桥梁 裂缝产生的原因, 而混凝土桥梁裂缝的类型和成因也有 其普遍性和特殊性。作者之一姚昌荣、李亚东将发表专文 对此详加论述。 113　裂缝的预防措施 11311　结构设计措施 (1) 在结构设计方面, 不仅要避免运营荷载下的桥梁裂缝 产生, 还要避免施工荷载下的裂缝产生。在结构设计时, 往往对运营荷载下的安全较为重视, 而忽视了施工阶段的 验算。计算表明, 在一些特殊的施工阶段, 结构应力较运 营阶段应力更为不利。因此设计计算时, 应对重要的或特 殊的施工阶段进行计算, 确保施工阶段结构的安全性。 (2) 在考虑梁体结构整体安全的同时, 不能忽略梁体 局部的应力分析。因为局部应力集中往往造成混凝土开裂, 因此要加强对局部应力的分析和试验。 (3) 大跨径混凝土连续梁, 在配置竖向预应力筋的同 时, 也应布置一定数量的竖弯纵向束。由于竖向预应力筋 较短, 实际预应力损失过大, 斜截面抗剪不足, 从而导致 腹板开裂。

(4) 平面计算模型只适宜于结构初步设计阶段以及无 横向偏载作用的计算。使用阶段结构验算应按空间模型进 行计算[ 2 ]。 (5) 结构设计时, 结构形式要合理, 应特别注意腹板 和底板厚度的合适, 以免造成混凝土结构开裂甚至断裂。 11312　施工措施 (1) 在混凝土原材料方面要求严格选材。选用干缩性 较小的水泥, 注意骨料的化学性质, 选用不含碱性的骨料; 合理制定混凝土配合比。 (2) 严格遵循设计规定的施工工况进行施工。在设计 的施工工况中,每一个工况都经过了设计验算。如果随意改 变施工方案,这样施工荷载发生变化时,其内力也发生改变。 当因施工荷载变化引起应力超出混凝土抗拉强度时,混凝土 就会开裂。因此在改变施工方案时,一定要重新进行验算。 (3) 对于现浇部分的脚手支架, 在施工前要仿施工步 骤进行超载预压。施工脚手支架在安装完后, 由于支架本 身存在弹性及非弹性变形, 另外地基也存在不均匀沉降, 如果在施工前不进行预压, 容易造成梁体因支架不均匀下 沉而发生混凝土开裂。 (4) 孔道摩阻试验要随时进行并及时调整张拉力, 以 避免欠张拉。预应力孔道的摩阻力施工前是根据理论计算 的, 往往与实际情况有一定出入, 如果实际孔道摩阻力大 于理论计算值, 易使梁体张拉的预应力小于设计值, 即欠张 [收稿日期] 2004 - 10 - 21 [作者简介] 樊辉明, 男, 工程师。 114 　· 施工技术·　 四川建筑　第25 卷2 期　200514 拉。因此, 首次张拉前, 应对孔道的摩阻力进行测定, 以 确定预应力损失。

2　裂缝的危害性 　　一般情况下, 裂缝宽度较小时, 裂缝对使用无多大危 害, 但是裂缝宽度较大时, 对结构有很大危害, 危害主要 表现在以下几个方面: 211　加速混凝土碳化 混凝土裂缝的存在, 使空气中的CO2 极易渗透到混凝 土内部, 在潮湿的环境下CO2 能与水泥中的氢氧化钙、硅 酸三钙、硅酸二钙相互作用并转化成碳酸盐, 中和水泥的 基本碱性, 使混凝土的碱度降低, 导致钢筋的纯化膜遭受 破坏, 易引起锈蚀。同时由于混凝土碳化会加剧混凝土收 缩开裂, 导致桥梁结构破坏。 212　降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀性能力 (1) 溶蚀型混凝土腐蚀。即当水通过裂缝渗入混凝土 内部或是软水与水泥石作用时, 将一部分水泥的水化产物 (如氢氧化钙) 溶解并流失, 引起混凝土破坏。这种腐蚀在 桥墩上表现突出。 (2) 盐酸(酸性液体) 腐蚀和镁盐腐蚀。这类腐蚀的 主要生成物不具有胶凝性, 且易被水溶解的松软物质。这 些物质能被通过裂缝或孔隙渗透入混凝土内部的水所能溶 蚀, 使混凝土中的水泥石遭受破坏。 (3) 结晶膨胀型腐蚀。它是混凝土受硫酸盐的作用, 在裂缝和硅孔隙中形成低溶解度的新生物, 逐步积累后将 产生巨大的应力使混凝土遭受破坏。 213　影响混凝土结构物的结构强度和稳定性 混凝土裂缝直接影响混凝土结构物的结构强度和整体 稳定性。轻则会影响桥梁结构的外观、正常使用和耐久性, 严重的贯穿性裂缝可能导致桥梁的完全破坏。 214　冰冻的影响 混凝土裂缝因裂缝水的冻融循环, 使裂缝逐渐加宽, 造成混凝土结构寿命降低。

3　裂缝的无损检测与监测技术 311　超声波检测 超声波法用于非破损检测, 就是以超声波为媒介, 获 得物体内部信息的一种方法。目前超声法己应用于医疗诊 断、钢材探伤、鱼群探测等许多领域。在这些领域里, 由 于组成颗粒小密度大, 密度分部也很均匀, 所以声波能很 好地传播, 对其内部缺陷及其位置等都能准确地检测出来。 掌握混凝土表面产生的裂缝深度, 对耐久性诊断和研 究修补、加固对策有重要意义。测定裂缝深度, 基本上都 是将发射探头和接收探头, 布置在混凝土同一面上的裂缝 附近, 但由于所选用的波形种类(纵波、横波及表面波) 和声学参数(声速、频率、相位等) 的不同, 已有许多种 具体方法。 312　冲击弹性波法 一般把弹性体内传播的波总称为弹性波。用人工发射 弹性波到弹性体内, 探测弹性体内的状态, 是广义的弹性 波探测法。冲击弹性波法与超声波法的原理是一样的, 但 远比超声波测定的裂缝深度深。冲击弹性波法只能检测扩 展方向与表面成直角, 没有分支的单纯裂缝。 313　声发射(AE) 检测法 声发射(Acoustic Emmission) 法[ 3 ]也是利用弹性波进 行声学检测的具体检测方法。用AE检测裂缝, 和其它方法 最大的不同是只能检测正在发生的裂缝, 不能检测已发生 的旧裂缝。对正在发生的裂缝可检测裂缝发生的位置(声 发射源定位) , 裂缝的大小、扩展情况和种类, 以及裂缝的 深度等。 314　摄影检测法 摄影检测法主要用作调查混凝土表面的裂缝。摄影法 包括普通照相机、录象机、放射线、红外线摄影等进行检 测。 315　传感仪器监测 利用埋设在混凝土中的仪器进行裂缝监测。常规技术 是利用卡尔逊式或弦式测缝计, 其控制范围仅0 12～1 m, 属点式检测。由于裂缝出现的空间随机性, 因此往往漏检。 为了及时、无遗漏地监测裂缝, 必须实施大范围的、连续、 分布式监测, 即所谓全分布监测。 316　光纤传感网络监测 在各国竞相开发的结构监测高科技领域里, 光纤传感 以其独特优势居于中心地位。它灵巧、精度高、抗电磁干 扰, 且可靠耐久、易于光纤传输组成自动化遥测系统。光 纤传感应用于结构工程监测始于20世纪90年代初, 如航 空航天器、桥梁等的温度、振动、应变检测等。 裂缝的发生可以用埋设在混凝土中光纤的光强变化监 测, 而裂缝的定位可用多模光纤在裂缝处的光强突然下降 或OTDR诊断完成。通过OTDR衰减曲线上的裂缝损耗突 变点, 可以准确地确定裂缝的位置。针对混凝土裂缝检测 的特点, 研制出基于光时域反射技术的光纤裂缝传感网络, 可实现桥梁混凝土结构的分布检测, 凡裂缝与光纤传感网 络相交, 均可感知, 并可定宽、定位、定向[ 4 ]。

4　裂缝修补 411　表面封闭法 (1) 表面涂抹。通常是在混凝土表面沿宽度较小的裂 缝涂抹树脂保护膜, 在裂缝宽度有可能变动时, 可采用具 有跟踪性的焦油环氧树脂等材料。在裂缝多而且密集或者 混凝土老化、砂浆离析的结构物上也可大面积涂抹保护膜。 (2) “V”形或“U”形槽口充填修补。在表面涂抹处 理不能充分修补的场合, 可采用如下方法: 在混凝土表面 沿裂缝凿出“V”形或“U”形槽口, 然后用树脂砂浆充填 修补。 (3) 凿深槽嵌补[ 5 ]。先沿裂缝凿一条深槽, 槽形根据 裂缝位置和填补材料而定, 然后在槽内嵌补各种粘结材料, 如环氧砂浆、沥青、甲凝等。 (4) 表面喷浆。喷浆修补是在经凿毛处理的裂缝表面, 喷射一层密实而且强度高的水泥砂浆保护层来封闭裂缝的 一种修补方法。根据裂缝的部位、性质和修补要求与条件, 115 　· 施工技术·　 四川建筑　第25 卷2 期　200514 图1　注入法施工粘贴钢板 图2　压粘施工法粘贴钢板 可采用无筋素喷浆, 或挂网喷浆结合凿槽嵌补等修补方法。 (5) 打箍加固封闭法。当钢筋混凝土产生主应力裂缝 时, 可采用在裂缝处加箍使裂缝封闭的方法。箍可用扁钢 焊成或圆钢制成, 可以直箍也可以斜箍, 其方向应和裂缝 方向垂直。墩、台或桩基等下部结构承载能力不足, 出现 裂缝时也可以采取这种方法。 412　灌浆法 先将结构物的裂缝或孔隙与外界封闭, 仅留出进浆口 及排气孔, 然后将较低粘度的浆液通过压浆泵以一定的压 力将浆液压入缝隙内并使其扩散、胶凝固化, 以达到恢复 整体性、强度、耐久性及抗渗性的目的。浆液主要有: 水 泥浆、水泥- 水玻璃、环氧糠酮、聚氨脂、丙凝和甲凝等。 后几种方法都属于化学灌浆法, 其强度高效果好。

413　粘贴加固法 近年来, 国内外对用化学粘贴剂从结构的外部粘贴补 强材料(钢板、钢筋、玻璃钢、碳纤维布、芳纶纤维布等) 加固混凝土桥梁进行了大量研究。 41311　注入法粘贴钢板 这种方法是在混凝土表面与钢板之间加垫块等使两者 之间保持一定空隙, 并用环氧树脂胶泥封闭四周, 而后从 注入口注入环氧树脂, 同时排出空隙中的空气。由于是从 一方注入因而容易残留气泡, 施工时一般用木槌随时敲打 钢板来确定是否灌实。这种施工法虽然费时, 但即使混凝 土表面不平整也可进行施工(图1) 。宜宾马鸣溪拱桥对开 裂立柱即采用此方法进行加固。 41312　压粘法粘贴钢板[ 6 ] 这种施工方法是在混凝土表面及钢板表面各涂上1 ～2 mm 厚的环氧树脂, 然后利用已固定在混凝土中的锚杆把钢板 压紧在混凝土面上, 随着环氧树脂被挤出, 粘贴面之间的 空气也被排出。用这种方法几乎不会残留气泡, 粘结效果 也好。此法适用于混凝土表面平整的场合(图2) 。 41313　粘贴碳纤维布[ 6 ] 粘贴碳纤维布修补技术是一种新型的技术, 它是利用 树脂类粘结材料将碳纤维布粘贴于混凝土表面, 利用其良 好的抗拉性能达到修补加强的目的。这种修补方法, 基本 不增加原结构的自重及尺寸。 414　混凝土损伤自愈合 模仿动物骨组织结构, 并基于生物组织对受创伤部位 能自愈合的机理, 在混凝土材料中复合具有特殊修复功能 的材料, 在混凝土内部形成仿生自愈合的网络系统[ 7 ]。当 混凝土出现裂缝时, 损伤部位的粘结材料被释放流出并深 入微裂缝, 使裂缝重新愈合, 恢复甚至提高混凝土材料的 性能。目前, 此种方法尚处于研究开发阶段, 今后将会是 混凝土智能材料的发展方向。

5　结束语 　　近年来, 混凝土桥梁的结构设计出现了较大变化, 跨 度也越来越大, 截面变化也越来越复杂, 但逐步暴露出来 的混凝土开裂问题也同样不容忽视。防止混凝 土桥梁的开裂, 对设计与施工都提出了更高的 要求, 因此必须从设计和施工两个方面共同提 高技术水平, 针对结构特点结合施工方法采取 相应技术措施。今后在科学技术进步的基础 上, 将研究出一些更好的设计和施工方法, 以 有效地防止混凝土结构裂缝的产生。本文对混 凝土桥梁裂缝的成因及其危害进行了初步探 讨, 并结合实践经验, 提出了混凝土修补及加 强的技术措施。 参考文献 [ 1 ] 　王铁梦. 工程结构裂缝控制[M ]. 北京:中国建筑 工业出版社, 1997. [ 2 ] 　彭卫,施颖,张新军. 预应力混凝土连续箱梁桥 裂缝控制[ J ]. 混凝土, 2002 (5) . [ 3 ] 　侯宝隆,蒋之峰. 混凝土的非破损检测[M ]. 北 京:地震出版社, 1992. [ 4 ] 　刘浩吾,谢玲玲. 桥梁裂缝监测的光纤传感网络 [ J ]. 桥梁建设, 2003 (2). [ 5 ] 　黄波. 龙门大桥裂缝成因分析及整治对策[ J ]. 公路交通科技, 2002 (4) . [ 6 ] 　王有志,王广洋,任锋. 桥梁的可靠性评估与加 固[M ]. 北京:中国水利水电出版社, 2002. [ 7 ] 　姚武,吴科如. 水泥基材料损伤自愈合的理论与 方法[ R ]. 第七届后张预应力学术交流会. 116 　· 施工技术·

需要此文献的朋友，请加微信号:18672350758联系客服，免费发送。