混凝土桥梁病害诊断技术-刘仲训

混凝土桥梁病害诊断技术刘仲训同济大学2007.8第一章混凝土桥梁裂缝诊断技术☆引子•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。所有混凝土结构的裂缝都是由于混凝土中拉应变超过当时的混凝土极限拉应变而产生的，因此混凝土裂缝都是受力裂缝。为了与公路桥涵规范所述的裂缝类型相对应，裂缝所产生的原因分为两类：1、非荷载裂缝――由于材料自身内力引起裂缝，如材料自损和劣化；2、荷载裂缝――由于外荷载、预应力作用、温度变化、混凝土收缩、徐变及支座变位等引起的裂缝。※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1）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2）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析出水分蒸发，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混凝土的极限拉应变就会产生与拉应力方向相垂直的裂缝。1)混凝土构件表面收缩龟裂（图1）图1-a混凝土表面龟裂图1-b桥面铺装收缩裂缝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，岩石基础阻止墩身混凝土收缩而在横向产生拉应力，当该拉应变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岩石基础上混凝土桥台竖直裂缝②在先浇筑好的混凝土承台上再浇筑薄壁砼墙身（C30，水灰比达0.63，泵送砼）。由于第一次浇筑的混凝土龄期长些，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混凝土的后期收缩量，导致产生收缩差而裂缝（图3）。由于墙体薄，故裂缝一般贯通。图3在先浇注的混凝土承台上浇注桥台墙身的混凝土收缩裂缝③斜拉桥塔底段混凝土竖向收缩裂缝（图4）。这类裂缝的深度一般不深。图4斜拉桥塔底裂缝•维修方法：a、采用在裂缝内注入特种树脂胶，如壁可法。b、采用水泥基渗透结晶型浆料涂刷，如XYPEX（赛伯斯）。④预制T梁由于钢模拆除不及时，T梁混凝土收缩受到钢模板约束，造成最薄处的腹板竖向裂缝，图5为苏嘉杭高速公路T梁收缩裂缝。由于腹板较薄，这类收缩裂缝可能穿透腹板厚度，但对承载能力基本上无影响。图5钢模板拆模迟引起T梁腹板收缩裂缝•维修方法：封闭裂缝。3）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，即两端细，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：一是腹板纵向水平钢筋少；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6为苏式T梁裂缝状况。图6苏式T梁裂缝4）预制构件拼装湿接头收缩裂缝①拱片之间的横系梁、横隔板的两端湿接头产生收缩裂缝（图7-a、b）。图7-a图7-b刚架拱（苏州金鸡桥）横隔板湿接头收缩裂缝•危害性：a、产生横向摇摆b、荷载横向分布集中，降低承载能力。c、造成拱片顶部桥面顺桥向裂缝（图8）。图8刚架拱桥面纵向裂缝•维修要点：凿除横隔板两端开裂的湿接段，浇注钢筋混凝土围套。混凝土采用无收缩自流平砂浆。②空心板梁剪力铰铰缝混凝土因收缩产生缝隙后，相邻两榀空心板在荷载作用下产生挠度不连续，因此导致铺装混凝土产生S形弯曲，在挠度小的梁边产生负弯矩，当桥面铺装钢筋配筋率低时，易造成桥面沿梁长顺桥向裂缝（图9），由此降低横桥向整体性，使荷载横向分布集中，降低桥梁承载能力。图9空心板梁桥面纵缝图10空心板梁剪力铰收缩后桥面铺装混凝土裂缝分析•维修要点：方案一：a、桥面铺装重新修筑，采用钢筋钢纤维混凝土；b、原剪力铰凿除，采用比板梁混凝土强度高一级的铣削型钢纤维混凝土，含量为50Kg/m3；c、新桥面铺装与板梁之间结合面应种植结合面抗剪钢筋，两端密一些，中央疏一些；方案二：横桥向施加体外预应力。5）空心板梁封头板砂浆收缩裂缝引起渗水（图11），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小孔，出水量达0.6m3，对普通钢筋混凝土空心板梁的受荷裂缝在受荷时张开引起内部水逐渐渗出，导致底部钢筋锈蚀严重。图11空心板梁封头板砂浆收缩裂缝渗水6）空心板梁底面纵向裂缝（图12）图12①该处纵向裂缝是与空心板梁空腔最低处相对应，裂缝处有渗水痕迹，表明裂缝已贯通空腔底板厚度，裂缝宽度可由0.1mm～0.5mm左右。②其原因是混凝土收缩所造成。③对承载能力不影响，仅影响耐久性。•维修要点：a、封闭裂缝。b、若有渗水痕迹，应凿洞，把空腔内积水漏尽。7）中承式拱吊杆上端封锚混凝土因收缩裂缝渗水，通过锚头孔隙流入钢束而锈蚀。图13为合肥寿春桥吊杆上端封锚混凝土四周的收缩裂缝和积水。图14为寿春桥吊杆钢丝索严重锈蚀（采用黄油保护）。图13-a封锚混凝土周边收缩裂缝图13-b寿春路桥中承式拱吊杆顶端封锚处有5cm厚积水图14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8）预应力管道保护层方向裂缝①T梁腹板预应力管道保护层顺管道方向裂缝（图15）图15由于第2根波纹管边缘保护层较薄，粗骨料不易进入，因此易产生收缩裂缝②等截面箱梁底面沿波纹管方向裂缝（图16）图16薄处混凝土收缩大，厚处混凝土收缩小，并产生收缩应力集中而开裂该裂缝对承载能力没有影响，仅影响耐久性。•维修方法：封闭裂缝图17•后果：a、湿接段板由固端板变成简支板，跨中弯矩增大一倍；b、收缩裂缝常年渗水，钢筋锈蚀，甚至锈断；c、现浇湿接段翼板产生断裂、塌陷、坑洞。9）预制T梁翼板间后浇湿接段收缩裂缝（图17）•维修要点：a、凿除湿接段，重新布筋浇筑；b、新浇筑混凝土应采用补偿收缩混凝土，并加强养护；c、再浇筑一层桥面铺装混凝土覆盖湿接缝；d、增设防水层；e、沥青铺装。3、解决方法1）补偿收缩混凝土配制方法补偿收缩混凝土是在普通混凝土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。但一定要连续保湿三天以上，否则裂缝反而多。2）裂缝封闭方法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。10）混凝土沉落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18-a），或模板约束（图18-b），就会产生裂缝。图18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•原因：a、振捣不充分b、漏浆c、跑模d、模板刚度不够e、混凝土保护层太薄f、混凝土坍落度过大g、空心板梁空腔气囊漏气（图19）图19空心板浇筑混凝土初凝后因气囊漏气而产生裂缝•这类裂缝一般为表层裂缝，处理方法：a、沿裂缝凿U型槽，采用专用修补砂浆修补；b、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混凝土中钢筋产生锈蚀后，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，从而胀裂混凝土保护层。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）混凝土保护层碳化钢筋混凝土保护层起保护钢筋作用的机理是因为混凝土保护层具有弱碱性，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。但混凝土与空气中的二氧化碳CO2由水通过毛细孔与混凝土中氢氧化钙起作用（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混凝土由碱性变成中性，也即PH值由原来的13降低到8～10，这就是混凝土碳化，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，通过毛细孔渗入到钢筋表面而锈蚀，从而胀裂混凝土保护层，这是先锈后裂。2）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），当中含有氯离子（Cl-1）时，混凝土碱度虽然较高，钢筋周围的混凝土尚未碳化，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内掺型50年代冬季施工常用氯盐（氯化钙）掺加，防冻，造成钢筋锈蚀（图20）。图20钢筋周围混凝土未碳化，钢筋锈蚀是由于氯离子引起②外渗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混凝土保护层，也是先锈后裂类型。2、先裂后锈1)荷载裂缝的裂缝宽度过大，外界腐蚀物质有直接通道而锈蚀钢筋;2)酸雨腐蚀先腐蚀混凝土保护层继而锈蚀钢筋;3)骨料膨胀引起混凝土裂缝后再锈蚀钢筋。3、钢筋引起混凝土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层离裂缝起壳，然后凿开检查。1）纵筋锈蚀裂缝（图21）图21钢筋锈蚀引起顺筋向裂缝图22立柱锈胀裂缝图23双曲拱拱肋下缘钢筋锈胀图24-aT梁端部钢筋锈蚀图24-b锈蚀部分采用自流平砂浆修补2）箍筋锈蚀裂缝（图25），手摸裂缝边缘有突出高差感觉。图25箍筋锈蚀崩裂混凝土保护层图26盖梁箍筋锈蚀3）钢筋锈蚀后，内部混凝土产生层离状态见图27。图27钢筋锈蚀后，内部混凝土发生层离现象•这类因钢筋锈蚀后而产生的顺筋向裂缝，在评定时不能用规范中“对荷载裂缝的宽度限值”作为标准来评定。根据个人经验，当构件表面出现顺筋向裂缝，并确定是由于内部钢筋锈蚀所引起，即使表面顺筋向裂缝宽度小于受力裂缝宽度限制0.2mm，甚至在0.1mm以下时，也应及时予以维修。有起壳声者表明已层离，应及时凿除，用聚合物修补砂浆予以修补，并在混凝土表面涂刷渗透结晶型的浓缩剂浆料堵封混凝土毛细孔，防止外界腐蚀性物质通过水渗入，使钢筋进一步锈蚀。图28四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图28-a腹板钢筋锈蚀崩裂混凝土表面图28-b箱内顶板钢筋锈蚀成片顶裂混凝土保护层图29-a汉阳路桥桥面板钢筋锈损图29-b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，然后用混凝土包裹保护；②锈蚀钢筋应彻底除锈，用混凝土修补，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，采用XYPEX(赛伯斯)浓缩剂浆料涂刷封闭砼毛细孔，隔离水及腐蚀性物质，防止钢筋继续锈蚀；④渗入渗透型阻锈剂，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桥、上海嘉定区新泾桥和苏州唯定大桥相继发现，最近在上海内环线高架道路上又发现桥墩立柱和盖梁产生该病害。1、杭州清泰门立门桥骨料膨胀病害图30a~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30－a杭州清泰门立交桥西部第七孔和第八孔实景图30－b清泰门立交桥西部第七孔和第八孔之间伸缩缝西侧第