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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•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•①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•②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•（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•①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•②荷载横向分布集中，降低承载能力。•③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，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12～14％，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•①注入稀环氧树脂胶•②凿槽后采用无收缩水泥基专用修补砂浆修补•③裂缝较深者凿槽后采用高强度免振无收缩砂浆修补•④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：①振捣不充分②漏浆③跑模④模板刚度不够⑤砼保护层太薄⑥砼坍落度过大⑦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：①沿裂缝凿U型槽、采用专用修补砂浆修补②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。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。①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。氯离子来源：（1）内渗型50年代冬季施工常用氯盐（氯化钙）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。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）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2019年在杭州清泰门立交桥上发现，接着于2019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2019年在上海宝山区龙珍港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19a~f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19－a杭州清泰门立交桥西部第七孔和第八孔实景图19－b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19－c清泰门立交桥第七孔端横梁裂缝形态图19－d清泰门立交桥第八孔端横梁底裂缝形态图19－e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19－f清泰门立交桥第七孔端横梁内部层离状裂缝形态•图19－a显示清泰门立交桥为双箱并联连续箱梁桥•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19－e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，由于碱活性骨料多（弥漫型），故其内部裂缝呈层离状裂缝（图19－f）。•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1121～1123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20－a~d为空心板底崩裂裂缝和崩落后可见白色及姜黄色石子图20－a•图20－b图20－c•图20－d•图21－a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21－a•图21－b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21－b•图21－c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）•图21－c•图21－d上述膨胀骨料膨胀，不仅把混凝土胀裂，还把钢筋胀弯••图21－d•图21－e空心板梁底骨料膨胀崩落混凝土锥体图21－e黄兴路内环线高架空心板梁底骨料膨胀崩落混凝土锥体•对于空心板梁桥其只有一个临空面，可以直接观察，而侧面由于梁与梁之间并列靠紧无法检查裂缝，顶面由于沥青混凝土覆盖着，也无法检查裂缝，因此其内部裂缝目前还无直接观测方法，最近正在联系雷达检测。•如果腹板崩裂和顶板崩裂，其破坏的危害性更大，更突然，因此必须引起重视。•3、上海宝山龙珍港桥骨料膨胀病害•龙珍港桥建于1992年，为一座三孔钢筋混凝土空心板梁，跨径组成为8m＋10m＋8m（图22－a），桥宽29.5m，在2019年2月发现该桥北半桥中孔（图22－b）和边孔车行道桥面铺装碎裂（图22－c），进而发现空心板顶部碎裂（图22－d），对碎裂部分检查可发现白色、姜黄色骨•料，表面呈粉状（图22－e和22－f），不仅如此，还发现常有白色反应环的碎石（图22－g），这些均为膨胀骨料。•图22-a图22-b•图22-c•图22-d•图22-e图22-f图22-g•该空心板梁底也已全面被膨胀骨料所胀裂，由于与黄兴路高架相似，恕不复述。本节要说明的是空心板梁梁顶碎裂的危害性，以补充前述不足，由于空心板梁顶部处于受压区，如受压区碎裂到一定程度，则易导致空心板梁突