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混凝土開裂原因及防治對策

信息來源:          發布日期:2020-06-24

01荷載引起的裂縫

混凝土在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫,歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫,次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。

荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出,如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫,往往是結構達到承載力極限的標誌,是結構破壞的前兆,其原因往往是截麵尺寸偏小。

02溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質,當外部環境或結構內部溫度發生變化,混凝土將發生變形,若變形遭到約束,則在結構內將產生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中,溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。

03收縮引起的裂縫

在實際工程中,混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中,塑性收縮和縮水收縮(幹縮)是發生混凝土體積變形的主要原因,另外還有自生收縮和炭化收縮。

塑性收縮,發生在施工過程中、混凝土澆築後4~5h左右,此時水泥水化反應激烈,分子鏈逐漸形成,出現泌水和水分急劇蒸發,混凝土失水收縮,同時骨料因自重下沉,因此時混凝土尚未硬化,稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大,可達1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截麵處如T梁、箱梁腹板與頂底板交接處,因硬化前沉實不均勻將發生表麵的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮,施工時應控製水灰比,避免過長時間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實,豎向變截麵處宜分層澆築。

縮水收縮(幹縮),混凝土結硬以後,隨著表層水分逐步蒸發,濕度逐步降低,混凝土體積減小,稱為縮水收縮(幹縮)。因混凝土表層水分損失快,內部損失慢,因此產生表麵收縮大、內部收縮小的不均勻收縮,表麵收縮變形受到內部混凝土的約束,致使表麵混凝土承受拉力,當表麵混凝土承受拉力超過其抗拉強度時,便產生收縮裂縫。混凝土硬化後收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構件(超過3%),鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯,混凝土表麵容易出現龜裂裂紋。

自生收縮,自生收縮是混凝土在硬化過程中,水泥與水發生水化反應,這種收縮與外界濕度無關,且可以是正的(即收縮,如普通矽酸鹽水泥混凝土),也可以是負的(即膨脹,如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。

炭化收縮,大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮隻有在濕度50%左右才能發生,且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。

混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表麵裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,成龜裂狀,形狀沒有任何規律。

04基礎變形引起的裂縫

由於基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移,使結構中產生附加應力,超出混凝土結構的抗拉能力,導致結構開裂。

05鋼筋鏽蝕引起的裂縫

由於混凝土質量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表麵,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由於氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表麵氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發生鏽蝕反應,其鏽蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2~4倍,從而對周圍混凝土產生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫,並有鏽跡滲到混凝土表麵。由於鏽蝕,使得鋼筋有效斷麵麵積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結構承載力下降,並將誘發其它形式的裂縫,加劇鋼筋鏽蝕,導致結構破壞。

要防止鋼筋鏽蝕,設計時應根據規範要求控製裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度(當然保護層亦不能太厚,否則構件有效高度減小,受力時將加大裂縫寬度);施工時應控製混凝土的水灰比,加強振搗,保證混凝土的密實性,防止氧氣侵入,同時嚴格控製含氯鹽的外加劑用量,沿海地區或其它存在腐蝕性強的空氣、地下水地區尤其應慎重。

06凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低於零度時,吸水飽和的混凝土出現冰凍,遊離的水轉變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產生膨脹應力;同時混凝土凝膠孔中的過冷水(結冰溫度在-78℃以下)在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強度降低,並導致裂縫出現。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重,成齡後混凝土強度損失可達30%~50%。冬季施工時對預應力孔道灌漿後若不采取保溫措施也可能發生沿管道方向的凍脹裂縫。

07施工材料質量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格,可能導致結構出現裂縫。

08施工工藝質量引起的裂縫

在混凝土結構澆築、構件製作、起模、運輸、堆放、拚裝及吊裝過程中,若施工工藝不合理、施工質量低劣,容易產生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表麵的、深進的和貫穿的各種裂縫,特別是細長薄壁結構更容易出現。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異。

普通混凝土裂縫的處理方法

1、表麵修複

常用的方法有壓實抹平,塗抹環氧粘結劑,噴塗水泥砂漿或細石混凝土,壓抹環氧膠泥,環氧樹脂粘貼下班絲布,增加整體麵層,鋼錨栓縫合等。

表麵塗抹和表麵貼補法表麵塗抹適用範圍是漿材難以灌入的細而淺的裂縫,深度未達到鋼筋表麵的發絲裂縫,不漏水的縫,不伸縮的裂縫以及不再活動的裂縫。表麵貼補(土工膜或其它防水片)法適用於大麵積漏水(蜂窩麻麵等或不易確定具體漏水位置、變形縫)的防滲堵漏。

2、局部修複法

常用的方法有充填法、預應力法,部分鑿除重新澆築混凝土等。

用修補材料直接填充裂縫,一般用來修補較寬的裂縫,作業簡單,費用低。寬度小於0.3mm,深度較淺的裂縫、或是裂縫中有充填物,用灌漿法很難達到效果的裂縫、以及小規模裂縫的簡易處理可采取開V型槽,然後作填充處理。

3、水泥壓力灌漿法

適用於縫補寬度≥0.5mm的穩定裂縫。

此法應用範圍廣,從細微裂縫到大裂縫均可適用,處理效果好。利用壓送設備(壓力0.2~0.4MPa)將補縫漿液注入砼裂隙,達到閉塞的目的,該方法屬傳統方法,效果很好。也可利用彈性補縫器將注縫膠注入裂縫,不用電力,十分方便效果也很理想。

4、化學灌漿

可灌入縫寬≥0.05mm的裂縫。

5、減少結構內力

常用的方法有卸荷或控製荷載,設置卸荷結構,增設支點或支撐。改簡支梁為連續梁等。

6、結構補強

常用的方法有增加鋼筋,加厚板,外包鋼筋混凝土,外包鋼,粘貼鋼板,預應力補強體係等。

因超荷載產生的裂縫、裂縫長時間不處理導致的混凝土耐久性降低、火災造成的裂縫等影響結構強度可采取結構補強法。包括斷麵補強法、錨固補強法、預應力法等混凝土裂縫處理效果的檢查包括修補材料試驗;鑽心取樣試驗;壓水試驗;壓氣試驗等。

7、改變結構方案,加強整體剛度

例如:框架裂縫采用增設隔板深梁法處理。

8、混凝土置換法

混凝土置換法是處理嚴重損壞混凝土的一種有效方法,此方法是先將損壞的混凝土剔除,然後再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有:普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。

9、電化學防護法

電化學防腐是利用施加電場在介質中的電化學作用,改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環境狀態,鈍化鋼筋,以達到防腐的目的。陰極防護法、氯鹽提取法、堿性複原法是化學防護法中常用而有效的三種方法。這種方法的優點是防護方法受環境因素的影響較小,適用鋼筋、混凝土的長期防腐,既可用於已裂結構也可用於新建結構。

10、仿生自愈合法

仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法,它模仿生物組織對受創傷部位自動分泌某種物質,而使創傷部位得到愈合的機能,在混凝土的傳統組分中加入某些特殊組分(如含粘結劑的液芯纖維或膠囊),在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經網絡係統,當混凝土出現裂縫時分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。

11、其它方法

常用方法有拆除重做,改善結構使用條件,通過試驗或分析論證不作處理等。

大體積混凝土裂縫產生的原因

大體積混凝土結構中,由於結構截麵大,水泥用量多,水泥水化所釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和收縮作用,由此形成的溫度收縮應力是導致鋼筋混凝土產生裂縫的主要原因。這種裂縫有表麵裂縫和貫通裂縫兩種。表麵裂縫是由於混凝土表麵和內部的散熱條件不同,溫度外低內高,形成了溫度梯度,使混凝土內部產生壓應力,表麵產生拉應力,表麵的拉應力超過混凝土抗拉強度而引起的。

貫通裂縫是由於大體積混凝土在強度發展到一定程度,混凝土逐漸降溫,這個降溫差引起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形,受到地基和其他結構邊界條件的約束時引起的拉應力,超過混凝土抗拉強度時所可能產生的貫通整個截麵的裂縫。這兩種裂縫不同程度上,都屬有害裂縫。

高強度的混凝土早期收縮較大,這是由於高強混凝土中以30%~60%礦物細摻合料替代水泥,高效減水劑摻量為膠凝材料總量的1%~2%,水膠比為0.25~0.40,改善了混凝土的微觀結構,給高強混凝土帶來許多優良特性,但其負麵效應最突出的是混凝土收縮裂縫幾率增多。高強混凝土的收縮,主要是幹燥收縮、溫度收縮、塑性收縮、化學收縮和自收縮。

混凝土初現裂紋的時間可以作為判斷裂紋原因的參考:塑性收縮裂紋大約在澆築後幾小時到十幾小時出現;溫度收縮裂紋大約在澆築後210d出現;自收縮主要發生在混凝土凝結硬化後的幾天到幾十天;幹燥收縮裂紋出現在接近1年齡期內。

01幹燥收縮

當混凝土在不飽和空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水時,就會產生幹縮,高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低,故幹縮率也低。

02塑性收縮

塑性收縮發生在混凝土硬化前的塑性階段。高強混凝土的水膠比低,自由水分少,礦物細摻合料對水有更高的敏感性,高強混凝土基本不泌水,表麵失水更快,所以高強混凝土塑性收縮比普通混凝土更容易產生。

03自收縮

密閉的混凝土內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低,稱為自幹燥。自幹燥造成毛細孔中的水分不飽和而產生負壓,因而引起混凝土的自收縮。高強混凝土由於水膠比低,早期強度較快的發展,會使自由水消耗快,致使孔體係中相對濕度低於80%,而高強混凝土結構較密實,外界水很難滲入補充,導致混凝土產生自收縮。

高強混凝土的總收縮中,幹縮和自收縮幾乎相等,水膠比越低,自收縮所占比例越大。與普通混凝土完全不同,普通混凝土以幹縮為主,而高強混凝土以自收縮為主。

04溫度收縮

對於強度要求較高的混凝土,水泥用量相對較多,水化熱大,溫升速率也較大,一般可達35~40℃,加上初始溫度可使最高溫度超過70~80℃。一般混凝土的熱膨脹係數為10×10-6/℃,當溫度下降20~25℃時造成的冷縮量為(2~2.5)×10-4,而混凝土的極限拉伸值隻有1~1.5×10-4,因而冷縮常引起混凝土開裂。

05化學收縮

水泥水化後,固相體積增加,但水泥-水體係的絕對體積則減小,形成許多毛細孔縫,高強混凝土水膠比小,外摻礦物細摻合料,水化程度受到製約,故高強混凝土的化學收縮量小於普通混凝土。

當混凝土發生收縮並受到外部或內部約束時,就會產生拉應力,並有可能引起開裂。對於高強混凝土雖然有較高的抗拉強度,可是彈性模量也高,在相同收縮變形下,會引起較高的拉應力,而由於高強混凝土的徐變能力低,應力鬆弛量較小,所以抗裂性能差。