水利工程大體積混凝土裂縫成因及修補(bǔ)技術(shù)

黃武敏 黃祖同

(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司海外事業(yè)部，福建 福州 350003)

0 引言

水利施工中產(chǎn)生的混凝土裂縫嚴(yán)重影響著混凝土結(jié)構(gòu)物的安全，破壞建筑物的整體性能，降低結(jié)構(gòu)物的耐久性能，從而影響結(jié)構(gòu)物的正常使用;嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)危及到結(jié)構(gòu)物的安全等。分析混凝土裂縫的形成原因以及裂縫的有效修補(bǔ)技術(shù)，對(duì)于有效控制裂縫的產(chǎn)生，正確治理已產(chǎn)生裂縫，確保構(gòu)筑物安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因及分類

混凝土裂縫是水利工程結(jié)構(gòu)物最常見的病害之一，對(duì)水工結(jié)構(gòu)物的安全和耐久性造成很大的隱患，造成裂縫的原因有自身因素，也有外部因素。因此，根據(jù)裂縫生成的原因，可以將裂縫分為兩大類。

1.1 混凝土自身因素引起的裂縫

1)沉縮裂縫。沉縮裂縫的產(chǎn)生主要原因是在混凝土配制過程中，配合比設(shè)計(jì)不合理，粗細(xì)骨料級(jí)配差，或者是用水量過大，構(gòu)件厚度大并且振搗不均勻。因?yàn)樯鲜鲈蚴够炷聊Y(jié)過程緩慢，從而使比重大的粗骨料下沉，而比重小的水泥漿上浮。粗骨料在下沉的過程中被鋼筋阻隔從而產(chǎn)生不均勻下沉，并最終使被阻隔部位出現(xiàn)裂縫。同時(shí)，水泥漿在上浮過程中，導(dǎo)致混凝土的收縮率增大，最終導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)裂縫。這些裂縫一般產(chǎn)生在混凝土初凝后、終凝前，沉縮量一般為構(gòu)件厚度的1%左右[1]。2)收縮裂縫?；炷猎诳諝庵杏不瘯r(shí)常常會(huì)由于水分蒸發(fā)造成混凝土的收縮變形，從而產(chǎn)生收縮性裂縫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致貫穿裂縫。故在配筋率較高的構(gòu)件中，常常容易引起構(gòu)件局部裂縫。另外新老混凝土的界面也容易產(chǎn)生收縮裂縫。3)混凝土塑性坍落引起的裂縫?；炷了苄蕴浒l(fā)生在混凝土澆筑后的前幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，在這段時(shí)間內(nèi)，混凝土還處于塑性狀態(tài)，當(dāng)混凝土出現(xiàn)滲水現(xiàn)象時(shí)，混合料中的固體顆粒在重力作用下就有向下沉移并向水浮動(dòng)的傾向。這種移動(dòng)在受到鋼筋骨架或者模板約束時(shí)，就容易在上部形成沿鋼筋長(zhǎng)度方向的裂縫。4)堿骨料反應(yīng)引起的裂縫堿骨料反應(yīng)主要有堿—硅酸反應(yīng)和堿—碳酸鹽反應(yīng)，當(dāng)發(fā)生反應(yīng)而生成吸水性較強(qiáng)的凝膠物質(zhì)，反應(yīng)物增加到一定數(shù)量，且有充足的水時(shí)，就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生較大的膨脹作用，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。這種裂縫形狀及分布與鋼筋限制有關(guān)，當(dāng)限制力很小時(shí)，常出現(xiàn)地圖狀裂縫，并在縫中伴有白色浸出物;當(dāng)限制力強(qiáng)時(shí)則出現(xiàn)順筋裂縫。

1.2 外界因素引起的混凝土裂縫

1.2.1 溫度變化引起的裂縫

大體積混凝土在硬化過程中，由于水化會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，這些水化熱如果不能及時(shí)散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度就會(huì)很快上升，使混凝土內(nèi)外溫差過大，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生形變，而混凝土在硬化初期，只有很低的抗拉強(qiáng)度，故當(dāng)混凝土的形變超過極限時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。另外鋼筋混凝土在受到外部因素影響比如陽光照射，大氣溫度變化等冷熱變化較大的時(shí)候，也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生溫度應(yīng)力而發(fā)生形變，一旦這種形變達(dá)到極限就會(huì)馬上產(chǎn)生裂縫。此外，混凝土在冬季施工或者蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，如防護(hù)措施不當(dāng)，驟冷驟熱，也會(huì)因?yàn)閮?nèi)外溫度不均而產(chǎn)生溫度裂縫。

1.2.2 沉陷裂縫

沉陷裂縫的產(chǎn)生主要是由于工程結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)較差，比如土質(zhì)不均勻或者土質(zhì)松軟，以及在回填土?xí)r沒有壓實(shí)，或是施工過程中浸水等原因，而使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降而產(chǎn)生的。其次，在模板剛度不足，模板支撐的間距過大或者支撐底部松動(dòng)的情況下，也會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生不均勻沉降而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉陷裂縫，特別是在冬季，模板是支撐在凍土上的，當(dāng)凍土凍化后更容易產(chǎn)生不均勻沉降從而形成裂縫。近年來，沉陷裂縫在多個(gè)凍區(qū)地區(qū)出現(xiàn)，通常與地面垂直或呈30°～45°方向，甚至建筑物錯(cuò)位[4]。

1.2.3 不利環(huán)境下鋼筋銹蝕導(dǎo)致的裂縫

水利工程中的鋼筋混凝土常常處于不利環(huán)境中，當(dāng)混凝土密實(shí)性不夠加之保護(hù)層厚度不足時(shí)，一旦環(huán)境中有氯化物浸入，氯化物中游離出來的氯離子就會(huì)和溶于水中的氧離子發(fā)生反應(yīng)，并進(jìn)一步導(dǎo)致鋼筋氧化，隨著鋼筋氧化物的堆積增厚，使得混凝土因氧化物的這種膨脹應(yīng)力、擠壓周邊的混凝土，最終形成裂縫。

1.2.4 預(yù)應(yīng)力張拉引起的裂縫

預(yù)應(yīng)力構(gòu)件常在上表面或端頭出現(xiàn)裂縫，板面裂縫多為橫向，在板角部分呈45°角;端橫肋靠近縱肋部位的裂縫，基本平行于肋高;縱肋端頭裂縫呈斜向。構(gòu)件的端頭錨固區(qū)，常出現(xiàn)沿預(yù)應(yīng)力筋方向的縱向裂縫。

2 水利工程混凝土已有裂縫的修補(bǔ)措施

水利工程混凝土裂縫修補(bǔ)既要恢復(fù)水工混凝土的防水性和耐久性，又要考慮結(jié)構(gòu)的安全性及美觀性。鑒于上述原則，當(dāng)前水工混凝土的修補(bǔ)方法主要有以下幾種。

2.1 裂縫表面修補(bǔ)法

表面修補(bǔ)法是最直接也是最簡(jiǎn)單的修補(bǔ)方法，對(duì)于處理那些對(duì)結(jié)構(gòu)承載力沒有明顯影響的表面裂縫或深度裂縫。因其修補(bǔ)工藝的不同，分為部分涂覆法和全部涂覆法兩種。對(duì)于部分涂覆法，主要是在裂縫表面涂上一層高強(qiáng)度的水泥漿、環(huán)氧膠泥等膠凝材料;對(duì)于全部涂覆法，主要是在整個(gè)混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料，也有采用811環(huán)氧封閉漆，其技術(shù)性能如表1所示。

表1 裂縫表面處理材料技術(shù)性能指標(biāo) MPa

2.2 灌漿嵌縫充填法

當(dāng)混凝土裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)物的承載力和安全性存在較大影響時(shí)，或者混凝土的防滲性有較大要求時(shí)，一般采用對(duì)裂縫灌漿嵌縫充填法，具體又可分為壓力注漿法、涂膜封閉法和開槽填補(bǔ)法等3種。

2.2.1 壓力注漿法

壓力注漿法適用于修補(bǔ)寬度為0.2 mm～0.3 mm的混凝土裂縫。修補(bǔ)工藝如下:

首先，清理混凝土表面尤其是裂縫周邊的雜物油脂，再將注漿嘴與封閉裂縫粘貼，進(jìn)行試漏檢查，再配置注漿液，然后使用壓力機(jī)進(jìn)行一次和二次注漿，注漿完畢，清理混凝土表面。

當(dāng)混凝土表面裂縫錯(cuò)密布、數(shù)量眾多時(shí)，則要采取特殊做法，如下:先在即將需要注漿的位置貼上白膠布，再用窄的毛刷沿裂縫來回涂刷封縫，使之封閉，約10 min后揭去膠布條，露出小縫，將注漿嘴與封閉裂縫粘貼，并用布包嚴(yán)。若固化后周邊有裂縫，必須反復(fù)補(bǔ)漿，以防止注漿時(shí)發(fā)生漏漿。注漿時(shí)，先用補(bǔ)縫器吸取適量的注漿液，插入注漿嘴，然后來回反復(fù)推動(dòng)補(bǔ)縫器的活塞，使?jié){液通過注漿嘴注入裂縫中，當(dāng)相鄰的嘴中有漿液流出時(shí)，就可以拔出補(bǔ)縫器。

常用的注漿材料技術(shù)性能指標(biāo)及注漿時(shí)嘴間距要求見表2，表3。

表2 注漿材料技術(shù)性能指標(biāo)

表3 注漿嘴間距要求

2.2.2 涂膜封閉法

當(dāng)裂縫寬度小于0.2 mm時(shí)，即為微細(xì)裂縫，也可用于裝飾混凝土外表面及其防水處理，并且能夠有效防止混凝土保護(hù)層的炭化和有害離子對(duì)混凝土的腐蝕。其主要操作如下:首先沿裂縫用鑿子和扁鏟開一個(gè)U形槽，槽深和槽寬均約30 mm～50 mm，然后用刷子在槽底和兩壁均勻涂刷一層界面處理漿，將拌制好的聚合物水泥砂漿在界面處理漿尚未硬化之前用抹刀壓入槽中，并壓實(shí)抹平。養(yǎng)護(hù)時(shí)，不得淋雨、日曬或風(fēng)吹，以覆蓋塑料薄膜養(yǎng)護(hù)為佳。

2.2.3 開槽填補(bǔ)法

當(dāng)結(jié)構(gòu)物可以允許在表面開槽或者是混凝土表面裂縫寬度較大且數(shù)量不多時(shí)，可以采取開槽填補(bǔ)法，其主要工藝是:先開槽，再涂刷界面處理漿，然后壓抹聚合物砂漿，最后養(yǎng)護(hù)。

2.3 結(jié)構(gòu)加固法

當(dāng)混凝土裂縫影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能時(shí)，就不能簡(jiǎn)單地修補(bǔ)下裂縫，而應(yīng)考慮對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。常用的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)就是一種比較好的方法，這種方法是利用高強(qiáng)高彈性模量的連續(xù)碳纖維用環(huán)氧樹脂浸漬之后形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合片材，然后將該片材用專用的環(huán)氧樹脂膠粘貼在混凝土表面裂縫處，固化后該片材就和混凝土結(jié)構(gòu)成為一體，從而降低了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)加固的效果。也可根據(jù)實(shí)際情況，加設(shè)鋼筋混凝土圍套、鋼套箍、增配鋼筋網(wǎng)片等。

2.4 混凝土置換法

當(dāng)混凝土裂縫過大，受到嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，通?？紤]采用混凝土置換法。該方法是將損壞的混凝土部分去掉，然后重新澆筑混凝土或者是其他膠結(jié)材料。

3 結(jié)語

水工建筑、構(gòu)筑物中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的安全和防滲起著重要的作用，因此，水工混凝土的質(zhì)量至關(guān)重要，如何減少和控制水利工程中混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，如何處理水利工程中已產(chǎn)生的混凝土裂縫，都是亟待解決的問題，這些問題的解決，對(duì)于提高水工混凝土質(zhì)量，進(jìn)而保證水工建筑物的安全具有重大的意義。

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