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1、混凝土桥梁病害诊 断及维修加固技术同济大学刘仲训 第一章 混凝土桥梁病害诊断技术 混凝土桥梁病害的主要表现形式： 1、 裂缝 2、 变形（变位） 3、 腐蚀 对混凝土结构而言，其病害的最终形式是裂 缝。 裂缝可分为两类： 1、 非荷载裂缝材料自损、劣化 （由于材料自身内力引起裂缝） 2、 荷载裂缝外力裂缝 （由于外力、轴线变形或支承变位引起的裂 缝） 虽然裂缝在规范里是作为正常使用状态中耐 久 性来评价，但结构损坏乃致倒塌往往是从裂 缝的扩展开始的，由安全状态随着时间的延 伸而逐渐转化为不安全状态，因此结构耐久 性问题实质也是安全问题，必须引起重视。 第一节 非荷载裂缝 一、 混凝土收缩裂缝
2、1、 混凝土收缩原因 混凝土组成： 粗骨料 细骨料胶结料：水泥水水化水泥凝胶体水泥 石 混凝土收缩实为水泥石收缩，有三种原因： 1） 化学收缩水化过程中体积缩小 2）物理收缩自由水蒸发、干燥引起体积缩 小 3）碳化收缩空气中CO2与混凝土中Ca(OH)2 发生化学反应，产生CaCO3折出水分蒸发， 促使体积缩小。 2、混凝土收缩裂缝的原因自由收缩受到约 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（图1）图1 混凝土表面龟裂 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
3、深度不超过钢筋保护层厚度 。 2） 墩台混凝土的竖向收缩裂缝 在岩石基础上浇筑的墩台混凝土，混凝土 墩身要收缩，岩石基础不收缩，由此产生收 缩 差，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段的混凝土极 限拉应变就会产生竖向裂缝，这类墩身、台 身的竖向裂缝为下宽上细，当台身较厚，由 于表层收缩大、内部收缩小，因此显示表层 裂缝宽些、内部裂缝细些，一般不贯通（图2 ）。图2 岩石基础上砼桥台竖直裂缝 在先浇筑好的砼承台上再浇筑薄壁砼墙身 （C30，水灰比达0.63，泵送砼）。由于第一 次浇筑的砼龄期长些，其收缩已完成一部分， 后期收缩要小一些，但后浇的薄壁墙身收缩显 然要大于
4、先浇部分砼的后期收缩量，导致产生 收缩差而裂缝（图3）。由于墙体薄，故裂缝 贯通。图3 在先浇注的砼承台上浇注桥台墙身的砼收缩裂缝 3) 预制T梁由于钢模拆除不及时，造成腹板竖 向裂缝，图4为苏嘉杭高速公路T 梁收缩裂缝 。图4 钢模板拆模引起T梁收缩裂缝 4） 老桥混凝土腹板的碳化收缩现象 如苏式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，图5为苏式T梁裂缝状况。图5 苏式T梁裂缝 5） 预制构件拼装湿接头收缩裂缝的危害
5、（1）拱片之间的横系梁、横隔板的湿接头产 生收缩裂缝后，大大减弱桥梁横向整体性（ 图6）。图6 刚架拱（苏州金鸡桥）横隔板湿接头收缩裂缝 造成拱片顶部桥面顺桥向裂缝（图7）。图7 刚架拱桥面纵向裂缝 荷载横向分布集中，降低承载能力。 产生横向摇摆。 （2）空心板梁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。 6）空心板梁封头板砂浆收缩裂缝引起渗水（图 8），使空腔内聚积大量水，曾经在一块空心板 梁的空腔底部钻一孔， 出水量达0.6m3，对普 通钢筋砼空心板梁的受力裂缝在受荷时张开内 部水渗出
6、，导致钢筋锈蚀严重。图8 空心板梁封头板砂浆收缩裂缝渗水 7）中层式拱吊杆上端封锚砼因收缩裂缝渗水， 通过锚头孔隙流水钢束而锈蚀。图9图10为合 肥寿春桥吊杆上端封锚砼四周的收缩裂缝和积 水。图11为寿春桥吊杆钢丝索严重锈蚀（采用 黄油保护）。图9 寿春路桥中承式拱吊杆顶端封锚砼周边收缩裂缝图10 寿春路桥中承式拱吊杆顶端 封锚处有5cm厚积水图11寿春路桥吊杆钢管内部黄油由于钢丝锈蚀物混合成咖啡渣状并含水份 3、 解决方法 1） 采用补偿收缩砼 补偿收缩砼是在普通砼中按规定比例掺加有 效膨胀剂，如UEA用量为水泥用量的1214 ，可防止产生收缩裂缝。 2） 收缩裂缝，一般采用裂缝封闭方法解决
7、 注入稀环氧树脂胶 凿槽后采用无收缩水泥基专用修补砂浆修 补 裂缝较深者凿槽后采用高强度免振无收 缩砂浆修补 涂抹渗透结晶型水泥基浆料，封闭裂缝 。 由于混凝土刚浇筑、振捣，抹面压光后，混凝 土在自重作用下仍有继续沉缩趋势，此时受到 钢筋阻碍（图12-a），或模板约束（图12-b） ，就会产生裂缝。 图12 混凝土沉落裂缝 a钢筋阻碍的沉落裂缝 b模板阻碍的沉落裂缝 1、原因： 振捣不充分 漏浆 跑模 模板刚度不够 砼保护层太薄 砼坍落度过大 空心板梁空腔气囊漏气（图13）图13 空心板浇筑砼初凝后因气 囊漏气而产生裂缝2、后果：这类裂缝一般为表层裂缝。 3、处理： 沿裂缝凿U型槽、采用专用
8、修补 砂浆修补 这类裂缝较密时可整片凿 除混凝土保护层，采用免振自流平砂浆修 补。 三、钢筋锈蚀引起的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24 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。 1) 先锈后裂 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 CO2CaCO3 H2O转化为中性的碳 酸钙和水使这部分砼由碱性变成中性，
9、也即PH 值由原来的13降低到810，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 。氯离子锓蚀引起锈蚀氯离子（Cl1）存在于盐中，如Nacl（ 氯化纳）Cacl（氯化钙），当砼中含有氯离 子（Cl1）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。氯离子来源：（1） 内渗型50年代冬季施工常用氯盐（氯化
10、钙）掺加，防冻，造成钢筋锈蚀。（2） 外掺型化工厂海边地区结构物北方桥面化冰盐等由氯离子引起钢筋锈蚀而胀裂砼保 护层，也是先锈后裂类型。 2、先裂后锈 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。 酸雨腐蚀先腐蚀砼保护层继而锈蚀钢筋。 骨料膨胀引起砼裂缝后再锈蚀钢筋。3、钢筋引起砼崩裂的形态钢筋锈蚀引起裂缝形态一般是顺筋向的 。对先锈后裂的混凝土构件，实际上在钢筋 锈蚀早期，构件内部已有层离裂缝存在，但 外部还尚未裂缝，此时可用小锤轻敲听声， 有空壳声表示内部已有裂缝起壳，然后凿开 检查。 1）纵筋锈蚀裂缝（图14）图14 钢筋锈蚀引起顺筋向裂缝 2）箍筋锈蚀裂缝（图15），手摸
11、裂缝边缘有突 出高差感觉。 图15 箍筋锈蚀崩裂混凝土保护层 3） 钢筋锈蚀后，内部混凝土产生层离状态 （图16）图16 钢筋锈蚀后，内部砼发生层离现象 图17 四川路桥箱体腹板和顶板钢筋大面积锈蚀 而崩裂混凝土保护层a 腹板钢筋锈蚀崩裂混凝土表面b 箱内顶板钢筋锈蚀成片顶裂混凝土保护层 图17 四川路桥箱内腹板和顶板钢筋锈蚀裂缝 图18 汉阳路桥桥面板钢筋锈损图18 汉阳路桥边桥面板钢筋严重锈蚀4） 钢筋锈蚀的危害1、 粘结力减弱，降低承载能力2、 钢筋截面减小，降低承载能力3、 钢筋锈蚀后易产生应力集中，增加脆性4、 预加应力钢筋锈蚀后，在高应力作用下会 加快锈蚀，即所谓应力腐蚀现象。5）
12、 维修加固方法 1、 锈蚀钢筋彻底除锈，补焊钢筋，弥补钢筋 锈损，然后用砼包裹保护。 2、 锈蚀钢筋，彻底除锈，砼补强，外粘贴钢 板或碳纤维布，补充钢筋截面损失。 3、 保护层混凝土已全面碳化，不防锈，采取 封闭砼毛细孔，隔离水及腐蚀性物质，防止 钢筋 继续锈蚀。 4、 渗入阻锈剂，防止钢筋锈蚀。四、骨料膨胀引起的裂缝 （一）概况这是近年来遇到的机率逐渐增多的一种病害， 就我个人而言，自1984年首先在房屋建筑中发 现，继而在桥梁领域中发现。在桥梁方面首先 于1995年在杭州清泰门立交桥上发现，接着于 1999年在上海内环线高架道路黄兴路段空心板 梁上发现，继而于 2001年在上海宝山区龙珍港
13、 桥和上海嘉定区新泾桥和苏州唯定大桥发现， 最近在上海内环线高架道路上又发现桥墩立柱 产生该病害。 1、杭州清泰门立门桥骨料膨胀病害 图19af为杭州清泰门立交桥端横隔板由于碱 活性骨料膨胀引起的裂缝形态图19a 杭州清泰门立交桥西部第七孔 和第八孔实景图19b 清泰门立交桥西部第七孔和第八孔之间 伸缩缝西侧第七孔端横梁底裂缝图19c 清泰门立交桥第七孔端横梁裂缝形态图19d 清泰门立交桥第八孔 端横梁底裂缝形态图19e 清泰门立交桥第七孔端横梁凿入内部 发现碱骨料反映特征变质辉绿岩外圈产生白 色反应环19f 清泰门立交桥第七孔端横梁 内部层离状裂缝形态 图19a显示清泰门立交桥为双箱并联连续
14、箱 梁桥 图19-b为清泰门立交桥西部第七孔与第八孔之 间伸缝西侧第七孔端横梁底面裂缝状况 由该图显示该横梁北端底面龟裂，在底面和 侧面用手指触摸，可明显感觉裂缝两侧有高 差，表明一侧“凸出”必然有膨胀源膨胀所致， 经凿除松散碎块后可发现横梁底粗钢筋被向 外顶弯弯曲，在横梁顶部有一横向裂缝，仔 细用手触摸，该缝可明显感觉到裂缝下侧相 对于上侧凸出10mm，这些均表明混凝土内部 有多个膨胀源顶出所致。 图19e为清泰门立交桥第七孔端横梁凿入内 部 发现变质岩碎石外圈产生白色反应环，这是明 显的弥漫性碱活性骨料所起化学反应的结果， 白色反应环为碱活性骨料在碱和水的作用下产 生的反应物，为吸潮膨胀物
15、，由于碱活性骨料 多（弥漫型），故其内部裂缝呈层离状裂缝（ 图19f）。 骨料膨胀先引起端横隔板与板底结合面裂缝后 ，由于伸缩缝处漏水不断，导致端横隔板箍筋 在该裂缝处全锈断，这也是先裂后锈的主要表 现。 2、上海内环线高架道路空心板梁骨料膨胀病 害 上海内环线高架道路黄兴路11211123墩之间 二孔跨径为22m的先张法预应力空心板梁于 2000年发现梁底多处产生混凝土保护层崩裂和 崩落， 幸好未伤人。 图20ad为空心板底崩裂裂缝和崩落后可见白 色及姜黄色石子图20a 图20b图20c 图20d 图21a为空心板梁梁底因骨料膨胀而产生冲 剪裂缝形态，放射形裂缝交点内部有一膨胀源 （膨胀骨料） 图21a 图21b为空心板梁底因骨料膨胀的冲剪裂缝 一侧凸，有高差，表明被胀出 图21b 图21c为空心板梁底因骨料膨胀的被冲剪部分 的锥状体凿除后，可见潮湿姜黄色石子膨胀骨 料膨胀源（直径约11cm）
