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摘要：裂缝是梁体在实际施工过程中普遍会遇到的现象，梁体裂缝的出现将对桥梁结构物的使用功能和耐久性产生影响，裂缝问题引起了人们的广泛关注。因此，本文粤东某高速公路预制梁开裂为实例，探讨梁体预制时裂缝的产生原因和预防措施及其补救措施是很有必要的。
关键词：预制梁 裂缝 分析 处理
一、T梁开裂基本情况
粤东某高速公路在桥梁施工期间发现四片t梁先后出现裂缝。当时正直五月下旬，施工现场的最高气温超过30℃。第一片t梁出现裂缝是在浇注成型拆模后约4天；第二片是在浇注拆模后三天；第三片是在浇注拆模后约20个小时就发现裂缝。这四片t梁的裂缝位置都大致在梁体跨中5m范围内。裂缝形式为水平向裂缝,通过超声波检测裂缝宽度在0.1mm～0.2mm，深度10-30 mm。裂缝在梁体两测大致对称分布。
表1 20mT梁0.15mm及以上裂纹数量统计表
T梁编号 左、右侧 裂纹长度 备注
d1 、裂缝的性质
裂缝是混凝土结构普遍会遇到的现象，一类是由外荷载引起的裂缝，也称结构性裂缝，表示结构承载力可能不足或存在严重问题；另一类裂缝是由变形引起的，也称非结构性裂缝，指变形得不到满足，在构件内部产生自应力，当该自应力超过混凝土允许应力时，引起混凝土开裂。在上述两类裂缝中，变形裂缝约占80%。
从裂缝情况看，裂缝分布部位，裂缝方向、出现时间具有一定的规律性。裂缝分布在跨中处，只有腹板开裂，且两面对称，时间一般为拆模后两天左右。如果施工方案合理，施工工艺符合质量控制要求，混凝土配合比、坍落度满足要求，而现场地施工温度高达25℃以上，那么裂缝的主要原因是因温度应力引起的。
最后分析结果，该裂缝定性为混凝土收缩裂缝。
2 、裂缝产生原因
确定裂缝类型之后，对施工过程中的各個环节进行了分析，经过多次分析论证从以下几个方面找到了裂缝的产生的原因。
2.1 结构设计因素：
经过技术人员对设计图纸的分析，原设计图纸中梁体跨中20m范围内的水平构造钢筋配筋率为3‰，配筋率偏小，且分布间距偏大，梁端配筋率为6‰，混凝土收缩时所配钢筋不能完全消除混凝土的干缩变形所引起的内部应力时首先从薄弱部位开始出现裂缝。
2.2 施工原材料：
经过对施工所采用的各种原材料进行重新检验,发现存在以下情况:
（1）水泥采用塔牌p.Ⅱ42.5水泥，经检验符合规范要求，水泥安定性合格，裂缝也不具备粗大网状裂缝的特征。混凝土配合比在掺用外加剂的条件下，水灰比为0.40，水泥用量427kg/m3，均符合一般规定，且配料时各种材料有严格的自动计量、混凝土搅拌时间在2分以上，施工中对混凝土坍落度的检测记录说明混凝土和易性适宜(在50～70mm内)满足设计和施工要求，不存在产生裂缝的潜在因素。但施工人员反映，混凝土在硬化过程中，水泥水化放热，水化热热量大，从而使混凝土的温度收缩应力增大。
（2）碎石为石灰岩碎石，发现石灰岩碎石中的灰粉含量较大。灰粉在混凝土硬化凝结时吸收水分，可能引起混凝土凝缩。
（3）搅拌用水为枫江河河水，砂为潮州产中粗砂；减水剂为重庆久鑫混凝土外加剂厂生产jx-nno型高效减水剂，以上材料经检验均合格。
2.3 混凝土自身应力形成的裂缝：
混凝土收缩分为凝缩和干缩。混凝土的干燥过程是从表面逐步扩展到内部的，在混凝土内呈含水梯度。因此产生表面收缩大，内部收缩小的不均匀收缩，致使表面混凝土承受拉力，内部承受压力。当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。
2.4 模板及制梁台座：
制梁台座由c25级混凝土浇注而成，经过几次使用之后，局部表面已非常不光滑，模擦系数增大，摩阻力也相应增大,当摩阻力超过混凝土本身承受的拉力时,这个应力集中点就会产生裂缝。
2.5 施工工艺：
（1）混凝土的拌制：搅拌设备为500型强制式搅拌机，拌和时间为每盘料大约3分钟，拌和时间适中，坍落度为9-13cm，拌和过程中有不均匀现象。
（2）混凝土浇注：浇注过程中采用插入式振捣器为主，附着式震动器为辅（主要在梁端10米处使用）。浇注过程出现过震现象,致使混凝土表面粗细骨料离析,靠近模板表面的混凝土细骨料集中。
（3）由于梁体模板是用大块钢模板拼装而成，与混凝土面接触大，拆模时虽用倒链和辅以撬棍和锤敲，但拆模后多次观察，没有发现因拆模不当引起的裂缝。
（3）混凝土养生：由于当时白天气温大多超过30℃，最高气温达到35℃，梁体侧面不易吸附水分，气温过高加快了梁体水分的蒸发，致使表面产生干缩裂缝。
由以上分析可知：水平构造钢筋、施工原材料、混凝土自身应力、模板及制梁台座及施工工艺的缺陷都是混凝土收缩裂缝的形成原因。各种不利因素的叠加致使梁体产生收缩裂缝。
三、开裂问题的处理
1、 裂缝修补处理方法
收缩裂缝一旦产生，就会增加混凝土的渗透性，并使混凝土暴露于容易损伤环境的表面增加，使混凝土早期老化，裂缝的产生使混凝土渗水性增大，严重降低混凝土强度，从而影响其耐久性，缩短使用寿命，所以必须进行处理。毕可法灌注建筑胶是由日本建筑学者提出和推广应用的一项新型混凝土补强技术,现在国内建筑界已经接受了这种补强技术。
（1）施工工艺
混凝土结构若出现0.1～0.2mm的裂缝，就会对混凝土的受力结构和内部钢筋产生一定的损害和破坏，混凝土结构规范要求大于0.2mm的裂缝都必须进行密封处理。由于混凝土结构裂缝一般都会呈现v性的形态，一般裂缝深度都较深，甚至贯穿整个混凝土结构，特别是处于顶部和侧面的混凝土裂缝密封处理不易达到灌注胶液密实的要求，毕可法灌注是采用多点同时低压加压灌注，加压时间一般控制在10-20分钟，由于采用了低压多点的灌注方法，避免了胶液从v形裂缝表层串浆，加强了胶液向混凝土深层移动，并能保证胶液有足够的浸润时间。因此，恒压灌注法是一种灌注效果能够保证密封处理效果的灌注方法，也是国外现行的最先进的混凝土灌注方法。
（2）材料特性：
密封材料特性：快速、密封性好、有一定的力学强度。使用a-64快固高强胶粘剂，压缩强度≥60mpa，剪切强度≥3.5mpa（砼破坏）。
灌注材料特性：粘度小，可灌性强，较高的力学性能，一定的韧性。使用专用a71-1砼裂缝专用灌注胶，粘度200-400mpa.s，25℃时，压缩强度≥60mpa，剪切强度≥15mpa，与混凝土粘接力≥4mpa（砼破坏），断裂伸长率5-10%。
（3）灌注设备：专用配套恒压灌注法装备，包括注胶嘴、堵头、连接器、胶囊及注射器等。
（4）裂缝灌胶：裂缝灌胶分以下五步进行。
第一步 表面处理，用角磨机、凿子、砂纸沿裂缝方向除去表面油污，浮浆等杂物。
第二步 布设注胶嘴：根据裂缝情况，用a-64胶布设注胶嘴，每米约3～4个。
第三步 裂缝密封：用a-64胶沿裂缝方向对裂缝进行密封，保证在灌胶时不漏浆。
第四步 恒压灌注：用恒压灌注器进行灌胶，保证灌胶时间一般大于10分钟，使裂缝完全封闭。
第五步 后处理：除去注胶嘴，磨平，尽量使裂缝表面与混凝土外观保持颜色一致。
（5）、裂缝表面贴碳纤维
第一步 表面处理，用角磨机、凿子、砂纸沿裂缝方向两侧各大于50cm范围内除去表面油污，浮浆等杂物，表面清理干净并有一定粗糙度。
第二步 涂刷底层灌注胶，要求涂刷均匀。
第三步 粘贴碳纤维，将碳纤维粘贴在处理好的裂缝表面。
第四步 美化处理，在碳纤维表面用白水泥或其他材料修面，使之与梁体颜色尽量一致，以保持梁体外表的美观度。
2、 静载试验检验安全使用性能
2.1试验梁基本情况
为检验用于预制构件的结构性能是否满足设计及相关规范要求，并为工程验收和使用提供可靠的技术资料，根据设计单位提供的试验梁静载试验参数，对桥梁预制梁中裂缝最严重的一榀20m T梁进行静力荷载试验。试验观测内容主要包括试验梁在各级荷载作用下的挠度、跨中截面的应变情况、在设计最大荷载作用下的裂缝情况。
2.2试验情况及结果如下：
（1）观测点布设
图1挠度试验装置图
试验梁的跨中截面为最大弯矩截面，在该截面布置应变观测点，以反映在最大荷载作用下截面应变分布情况。各测点位置如图2所示，应变测试采用机械式应变计进行，并在旁边T梁的腹板处设置温度应变测点，以修正温度变化引起的应变。
图2跨中截面应变测点布置图（单位：cm）
（2）、试验梁整体挠度结果
在满荷载作用下，经过支座变形修正后，跨中挠度最大值为15.044mm，卸载后跨中的最大残余变形为2.783mm，挠度相对残余变形为18.5%<20.0%。在各级荷载作用下各测点的挠度值如表2所示，整体挠度曲线如图3、4所示，跨中测点的荷载-挠度曲线如图5所示。
表2 支座变形修正后各测点挠度值 单位：mm
测点号
挠
图3试验梁整体挠度曲线图（实测值）
图4跨中测点挠度曲线图
（3）、截面应变结果
根据图2所示的跨中截面应变测点布置图，经温度应变修正后在各级荷载作用下的应变如表3所示。其跨中截面的整体应变图如图6、7所示。试验梁在满荷载作用下，最大拉应变为307 ；卸载后应变残余变形为50 ，应变相对残余变形为16.29%<20.0%。梁体中性轴高度为90cm。
表3 跨中截面应变测试结果 （ ）
图5 跨中截面整体应变图（实测值）
（4）、裂缝情况
经检查，试验过程中，尤其在满荷载作用下，梁体未出现横向裂缝。
2.3试验结果评定
1、梁体刚度
由试验结果知，在设计荷载作用下，梁体的最大弹性变形为12.261 mm，小于挠度理论值15.164mm，说明梁体刚度满足设计要求。
2、截面受力特性
由图8得，该梁跨中截面在各级荷载作用下，其整体应变曲线基本上汇交于一处，即试验过程中截面的中性轴未发生变化，说明该梁基本上处于弹性工作状态。
3、抗裂性分析
根据试验结果表明，试验梁在试验过程中未出现开裂现象，梁体的抗裂性符合设计要求。
四 、結论与建议
混凝土T梁预制出现裂缝，无论建设单位、监理单位，还是施工单位，都不愿意看到，不仅给工程质量带来隐患，同时也带来不必要的经济损失，因此针对施工中的各个环节，采取有效的预防措施，把引起裂缝的因素事先排除，确保制梁的完整性与可靠性。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：预制梁 裂缝 分析 处理
一、T梁开裂基本情况
粤东某高速公路在桥梁施工期间发现四片t梁先后出现裂缝。当时正直五月下旬，施工现场的最高气温超过30℃。第一片t梁出现裂缝是在浇注成型拆模后约4天；第二片是在浇注拆模后三天；第三片是在浇注拆模后约20个小时就发现裂缝。这四片t梁的裂缝位置都大致在梁体跨中5m范围内。裂缝形式为水平向裂缝,通过超声波检测裂缝宽度在0.1mm～0.2mm，深度10-30 mm。裂缝在梁体两测大致对称分布。
表1 20mT梁0.15mm及以上裂纹数量统计表
T梁编号 左、右侧 裂纹长度 备注
d1 、裂缝的性质
裂缝是混凝土结构普遍会遇到的现象，一类是由外荷载引起的裂缝，也称结构性裂缝，表示结构承载力可能不足或存在严重问题；另一类裂缝是由变形引起的，也称非结构性裂缝，指变形得不到满足，在构件内部产生自应力，当该自应力超过混凝土允许应力时，引起混凝土开裂。在上述两类裂缝中，变形裂缝约占80%。
从裂缝情况看，裂缝分布部位，裂缝方向、出现时间具有一定的规律性。裂缝分布在跨中处，只有腹板开裂，且两面对称，时间一般为拆模后两天左右。如果施工方案合理，施工工艺符合质量控制要求，混凝土配合比、坍落度满足要求，而现场地施工温度高达25℃以上，那么裂缝的主要原因是因温度应力引起的。
最后分析结果，该裂缝定性为混凝土收缩裂缝。
2 、裂缝产生原因
确定裂缝类型之后，对施工过程中的各個环节进行了分析，经过多次分析论证从以下几个方面找到了裂缝的产生的原因。
2.1 结构设计因素：
经过技术人员对设计图纸的分析，原设计图纸中梁体跨中20m范围内的水平构造钢筋配筋率为3‰，配筋率偏小，且分布间距偏大，梁端配筋率为6‰，混凝土收缩时所配钢筋不能完全消除混凝土的干缩变形所引起的内部应力时首先从薄弱部位开始出现裂缝。
2.2 施工原材料：
经过对施工所采用的各种原材料进行重新检验,发现存在以下情况:
（1）水泥采用塔牌p.Ⅱ42.5水泥，经检验符合规范要求，水泥安定性合格，裂缝也不具备粗大网状裂缝的特征。混凝土配合比在掺用外加剂的条件下，水灰比为0.40，水泥用量427kg/m3，均符合一般规定，且配料时各种材料有严格的自动计量、混凝土搅拌时间在2分以上，施工中对混凝土坍落度的检测记录说明混凝土和易性适宜(在50～70mm内)满足设计和施工要求，不存在产生裂缝的潜在因素。但施工人员反映，混凝土在硬化过程中，水泥水化放热，水化热热量大，从而使混凝土的温度收缩应力增大。
（2）碎石为石灰岩碎石，发现石灰岩碎石中的灰粉含量较大。灰粉在混凝土硬化凝结时吸收水分，可能引起混凝土凝缩。
（3）搅拌用水为枫江河河水，砂为潮州产中粗砂；减水剂为重庆久鑫混凝土外加剂厂生产jx-nno型高效减水剂，以上材料经检验均合格。
2.3 混凝土自身应力形成的裂缝：
混凝土收缩分为凝缩和干缩。混凝土的干燥过程是从表面逐步扩展到内部的，在混凝土内呈含水梯度。因此产生表面收缩大，内部收缩小的不均匀收缩，致使表面混凝土承受拉力，内部承受压力。当表面混凝土所受的拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。
2.4 模板及制梁台座：
制梁台座由c25级混凝土浇注而成，经过几次使用之后，局部表面已非常不光滑，模擦系数增大，摩阻力也相应增大,当摩阻力超过混凝土本身承受的拉力时,这个应力集中点就会产生裂缝。
2.5 施工工艺：
（1）混凝土的拌制：搅拌设备为500型强制式搅拌机，拌和时间为每盘料大约3分钟，拌和时间适中，坍落度为9-13cm，拌和过程中有不均匀现象。
（2）混凝土浇注：浇注过程中采用插入式振捣器为主，附着式震动器为辅（主要在梁端10米处使用）。浇注过程出现过震现象,致使混凝土表面粗细骨料离析,靠近模板表面的混凝土细骨料集中。
（3）由于梁体模板是用大块钢模板拼装而成，与混凝土面接触大，拆模时虽用倒链和辅以撬棍和锤敲，但拆模后多次观察，没有发现因拆模不当引起的裂缝。
（3）混凝土养生：由于当时白天气温大多超过30℃，最高气温达到35℃，梁体侧面不易吸附水分，气温过高加快了梁体水分的蒸发，致使表面产生干缩裂缝。
由以上分析可知：水平构造钢筋、施工原材料、混凝土自身应力、模板及制梁台座及施工工艺的缺陷都是混凝土收缩裂缝的形成原因。各种不利因素的叠加致使梁体产生收缩裂缝。
三、开裂问题的处理
1、 裂缝修补处理方法
收缩裂缝一旦产生，就会增加混凝土的渗透性，并使混凝土暴露于容易损伤环境的表面增加，使混凝土早期老化，裂缝的产生使混凝土渗水性增大，严重降低混凝土强度，从而影响其耐久性，缩短使用寿命，所以必须进行处理。毕可法灌注建筑胶是由日本建筑学者提出和推广应用的一项新型混凝土补强技术,现在国内建筑界已经接受了这种补强技术。
（1）施工工艺
混凝土结构若出现0.1～0.2mm的裂缝，就会对混凝土的受力结构和内部钢筋产生一定的损害和破坏，混凝土结构规范要求大于0.2mm的裂缝都必须进行密封处理。由于混凝土结构裂缝一般都会呈现v性的形态，一般裂缝深度都较深，甚至贯穿整个混凝土结构，特别是处于顶部和侧面的混凝土裂缝密封处理不易达到灌注胶液密实的要求，毕可法灌注是采用多点同时低压加压灌注，加压时间一般控制在10-20分钟，由于采用了低压多点的灌注方法，避免了胶液从v形裂缝表层串浆，加强了胶液向混凝土深层移动，并能保证胶液有足够的浸润时间。因此，恒压灌注法是一种灌注效果能够保证密封处理效果的灌注方法，也是国外现行的最先进的混凝土灌注方法。
（2）材料特性：
密封材料特性：快速、密封性好、有一定的力学强度。使用a-64快固高强胶粘剂，压缩强度≥60mpa，剪切强度≥3.5mpa（砼破坏）。
灌注材料特性：粘度小，可灌性强，较高的力学性能，一定的韧性。使用专用a71-1砼裂缝专用灌注胶，粘度200-400mpa.s，25℃时，压缩强度≥60mpa，剪切强度≥15mpa，与混凝土粘接力≥4mpa（砼破坏），断裂伸长率5-10%。
（3）灌注设备：专用配套恒压灌注法装备，包括注胶嘴、堵头、连接器、胶囊及注射器等。
（4）裂缝灌胶：裂缝灌胶分以下五步进行。
第一步 表面处理，用角磨机、凿子、砂纸沿裂缝方向除去表面油污，浮浆等杂物。
第二步 布设注胶嘴：根据裂缝情况，用a-64胶布设注胶嘴，每米约3～4个。
第三步 裂缝密封：用a-64胶沿裂缝方向对裂缝进行密封，保证在灌胶时不漏浆。
第四步 恒压灌注：用恒压灌注器进行灌胶，保证灌胶时间一般大于10分钟，使裂缝完全封闭。
第五步 后处理：除去注胶嘴，磨平，尽量使裂缝表面与混凝土外观保持颜色一致。
（5）、裂缝表面贴碳纤维
第一步 表面处理，用角磨机、凿子、砂纸沿裂缝方向两侧各大于50cm范围内除去表面油污，浮浆等杂物，表面清理干净并有一定粗糙度。
第二步 涂刷底层灌注胶，要求涂刷均匀。
第三步 粘贴碳纤维，将碳纤维粘贴在处理好的裂缝表面。
第四步 美化处理，在碳纤维表面用白水泥或其他材料修面，使之与梁体颜色尽量一致，以保持梁体外表的美观度。
2、 静载试验检验安全使用性能
2.1试验梁基本情况
为检验用于预制构件的结构性能是否满足设计及相关规范要求，并为工程验收和使用提供可靠的技术资料，根据设计单位提供的试验梁静载试验参数，对桥梁预制梁中裂缝最严重的一榀20m T梁进行静力荷载试验。试验观测内容主要包括试验梁在各级荷载作用下的挠度、跨中截面的应变情况、在设计最大荷载作用下的裂缝情况。
2.2试验情况及结果如下：
（1）观测点布设
图1挠度试验装置图
试验梁的跨中截面为最大弯矩截面，在该截面布置应变观测点，以反映在最大荷载作用下截面应变分布情况。各测点位置如图2所示，应变测试采用机械式应变计进行，并在旁边T梁的腹板处设置温度应变测点，以修正温度变化引起的应变。
图2跨中截面应变测点布置图（单位：cm）
（2）、试验梁整体挠度结果
在满荷载作用下，经过支座变形修正后，跨中挠度最大值为15.044mm，卸载后跨中的最大残余变形为2.783mm，挠度相对残余变形为18.5%<20.0%。在各级荷载作用下各测点的挠度值如表2所示，整体挠度曲线如图3、4所示，跨中测点的荷载-挠度曲线如图5所示。
表2 支座变形修正后各测点挠度值 单位：mm
测点号
挠
图3试验梁整体挠度曲线图（实测值）
图4跨中测点挠度曲线图
（3）、截面应变结果
根据图2所示的跨中截面应变测点布置图，经温度应变修正后在各级荷载作用下的应变如表3所示。其跨中截面的整体应变图如图6、7所示。试验梁在满荷载作用下，最大拉应变为307 ；卸载后应变残余变形为50 ，应变相对残余变形为16.29%<20.0%。梁体中性轴高度为90cm。
表3 跨中截面应变测试结果 （ ）
图5 跨中截面整体应变图（实测值）
（4）、裂缝情况
经检查，试验过程中，尤其在满荷载作用下，梁体未出现横向裂缝。
2.3试验结果评定
1、梁体刚度
由试验结果知，在设计荷载作用下，梁体的最大弹性变形为12.261 mm，小于挠度理论值15.164mm，说明梁体刚度满足设计要求。
2、截面受力特性
由图8得，该梁跨中截面在各级荷载作用下，其整体应变曲线基本上汇交于一处，即试验过程中截面的中性轴未发生变化，说明该梁基本上处于弹性工作状态。
3、抗裂性分析
根据试验结果表明，试验梁在试验过程中未出现开裂现象，梁体的抗裂性符合设计要求。
四 、結论与建议
混凝土T梁预制出现裂缝，无论建设单位、监理单位，还是施工单位，都不愿意看到，不仅给工程质量带来隐患，同时也带来不必要的经济损失，因此针对施工中的各个环节，采取有效的预防措施，把引起裂缝的因素事先排除，确保制梁的完整性与可靠性。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。