混凝土结构裂缝产生的原因分析以及防治、修补措施

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  【摘要】混凝土结构裂缝发生的原因很复杂也是不可避免的,本文通过对裂缝产生的原因及形态进行分析,并给出常见预防措施,这样才有可能最大程度减少混凝土结构裂缝的产生,把裂缝宽度控制在设计范围内,减少裂缝造成的危害。
  【关键词】混凝土;裂缝;原因;形态分析;预防措施
  随着混凝土结构的大量应用,其自身存在的一些问题也逐渐暴露出来,其中最明显的当属裂缝的问题,这里所说的裂缝指的是宏观裂缝,其宽度在0.05mm以上。裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀,降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力,影响建筑物的外观、使用寿命,严重的将威胁到人民的生命、财产安全。
  1. 混凝土裂缝产生的原因
  1.1微观裂缝。混凝土的微观裂缝一般是混凝土所固有的,因为混凝土是由水泥浆体遇水化硬化后的水泥石、砂和石骨料组成,它们的物理力学性能并不一致。水泥浆体硬化后的干缩较大,而混凝土中的骨料则限制了水泥浆体的自由收缩,这种约束的作用使混凝土内部从硬化开始就在骨料和水泥浆体的粘结面上出现了微裂缝。即使没有外部荷载作用或者混凝土发生体积变化时没有受到外部约束,混凝土内部已经有微裂缝,但这些微裂缝在不大的外力或者变形作用下是稳定的。当外力或者变形作用较大时,这些粘结面上的裂缝就会发展,甚至扩展穿过硬化后的水泥石,逐渐发展成可见的宏观裂缝。许多微小的宏观裂缝,对结构的承载力、使用功能和耐久性不会有太大的影响,只是有损结构的外观,引起对工程质量的疑虑,当可见的宏观裂缝较宽、较深的时候,就会影响结构的安全性。
  1.2宏观裂缝。混凝土结构宏观裂缝的产生原因不外乎是由于混凝土原材料质量低劣,配合比选用不当;施工过程中施工方法有误或者工艺欠佳;设计有误;对温度变化或者混凝土收缩产生的拉应力估计不足;混凝土已遭受腐蚀或者重大损伤,结构存在严重薄弱环节,成为结构面临破坏的前兆等。所以必须采取有效措施预防或者减少宏观裂纹的产生,一旦产生,就必须分析其原因,并采取适当修补措施。
  2. 裂缝的形态分析
  2.1荷载裂缝。 荷载裂缝又称受力裂缝,是外荷载作用下产生的结构裂缝。这种裂缝规律性极强,一般通过计算分析可以得出确切的结论。跨中为正截面受弯裂缝,垂直于梁轴,下大上小;端部为斜截面受剪裂缝,起始于支座,指向梁顶集中荷载。裂缝沿柱轴纵向分布,中间稍密。裂缝集中在最大弯矩部位,受拉面裂缝为水平走向,外大内小,垂直于柱轴;临近极限状态,受压面混凝土有压碎现象。板面裂缝成环状,沿框架梁边分布;板底裂缝成十字或米字,集中于跨中。裂缝分布于板面,垂直于长轴,由板面向下延伸。转角阳台或挑檐板裂缝位于板面,起始于墙板交界,以角点为中心成米字形向外延伸。
  2.2温度收缩裂缝。 温度收缩裂缝是建筑物最常见的一种裂缝,主要是由于结构温度变形及材料收缩变形受阻及应力超标所致。据调查,收缩裂缝与原材料品质、施工质量及结构类型较为密切,一般,现浇结构或超静定结构较装配式结构或静定结构收缩裂缝多;平面尺寸大、施工质量差的房屋收缩裂缝相对较多。典型的现浇楼板收缩裂缝主要集中于房屋中部,沿楼层方向没有明显差异,裂缝形态为枣核状,中间粗两端细,绝大部分止于梁、墙边。
  2.3碳化锈蚀裂缝。 我国《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》关于钢筋混凝土结构耐久性给定了评估方法,该方法主要建立在混凝土碳化及钢筋锈蚀的基础上,认为混凝土碳化到钢筋部位,钢筋失去了混凝土钝化膜保护,会逐渐生锈,钢筋生锈后体积膨胀,会引起混凝土沿钢筋开裂;混凝土裂缝的开展,反过来又促使钢筋更快锈蚀,尤其是当环境湿度较大,周围存在有害介质时,这种恶性循环速度显著加快。因此,碳化锈蚀裂缝,必须给予高度重视。碳化锈蚀裂缝的特征是,裂缝沿钢筋分布,系由膨胀铁锈向外将混凝土胀开,裂缝周围混凝土发酥,高出原有混凝土表面,并附着有褐色锈渍渗出物。
  2.4反复冻融产生的裂缝。 验研究表明,长期与水接触的混凝土,当温度为-4~-20°C时,表现为“冷胀热缩”。寒冷地区的外露混凝土结构,年复一年地遭受雨雪浸蚀,长期处于干湿交替、反复冻融的状态下,当混凝土密实度较差、空隙率较大时,容易产生冻胀裂缝,造成结构表面混凝土酥松、剥落,引起钢筋锈蚀。
  2.5沉缩裂缝。 混凝土在硬化过程中,因塑性下沉、收缩所产生的裂缝称为沉缩裂缝。沉缩裂缝一般在混凝土浇筑后1~3小时发生,主要出现在结构变截面处、梁板交接处、梁柱交接处及顺钢筋部位。沉缩裂缝形态与收缩裂缝相似,为水平分布,呈两端细中间粗的枣核状。引起混凝土沉缩的主要原因是水灰比及混凝土流动性过大,致使混凝土产生泌水下沉;或水分蒸发过快,使混凝土结硬时下沉加大;或振捣不充分,混凝土未沉实或沉实不均匀。沉缩变形比收缩变形大数十倍。沉缩裂缝一般可通过初凝前的二次抹面-收水压实处理克服。
  3. 混凝土裂缝常见预防措施
  3.1塑形沉降裂缝预防措施。此类裂缝预防的措施如下:
  (1)在满足泵送和施工的前提下尽可能减小混凝土塌落度。
  (2)保证混凝土均质性,搅拌运输卸料前先高速运转20~30秒,然后反转卸料。
  (3)施工过程中应经常观察模板的位移和混凝土浇捣的密实情况,不能漏振、过振使混凝土离析分层。
  (4)施工过程中严禁随意加水。
  3.2塑性收缩裂缝预防措施此类裂缝预防的措施如下:
  (1)施工单位在浇注混凝土后要及时覆盖养护,增加环境湿度。
  (2)商品混凝土公司在满足可泵性、和易性的前提下尽量减小出机塌落度、降低砂率、严格控制骨料的含泥量。
  3.3温度应力裂缝预防措施此类裂缝预防措施如下:
  (1)降低混凝土发热量。选用水化热低、凝结时间长的水泥,以降低混凝土的温度;掺加缓凝剂或高效减水剂,以提高混凝土强度并减少用水量及水泥用量,延长混凝土达到最高温度时间,减少干缩;尽可能选用最大粒径较大,颗粒形状好且级配良好的粗骨料,避免砂量过多以减少水泥用量及用水量;在满足泵送和施工的前提下用低流动性混凝土,严格控制水灰比,减少单位体积混凝土用水量。   (2)降低混凝土浇筑温度。在高温季节要降低原材料温度,在环境温度较低的早晚浇筑;避免吸收外部环境热量,运输工具、泵送管路尽量遮荫,防止混凝土升温;埋设冷却水管,通入冷水降温。
  (3)分层分块浇筑。
  (4)表面保温与保湿。要尽量长时间地保温和保持混凝土表面湿润,让其表面慢慢冷却、干燥,使混凝土能够增长强度以抵抗开裂拉应力。主要有蓄水养护和覆盖洒水养护两种方式,养护时间一般不少于14d。
  3.4施工方面原因造成的裂缝预防措施。此类裂缝预防措施如下:
  (1)加强模板施工的过程管理。模板及其支架必须有足够的承载能力、刚度和稳定性,在振捣过程中派专人进行看模,防止松扣下沉现象发生;试块强度达到设计允许值时方能拆模。
  (2)混凝土的成品保护。对浇筑好的板面,必须在混凝土强度达到1.2N/mm2 后方可上人。
  (3)钢筋绑扎施工加强对负弯矩筋的管理。加密支撑马凳的间距、确保板面负弯矩筋的保护层厚度。
  (4)振捣方式方法必须正确。振捣易快插、慢拔。振捣时间过短,混凝土不均匀;时间过长,易导致严重浮浆。
  4. 混凝土裂缝几种常用的修补措施
  裂缝修补之前,应对裂缝进行初步调查和详细调查。初步调查包括:裂缝现状调查,主要调查裂缝产生的原因、宽度、长度及形状,是否贯通,缝内有无异物及钢筋是否锈蚀等情况,并绘制裂缝在结构中的分布图;对裂缝周边附近混凝土表面的干湿状态、污垢、剥离及剥落等情况进行调查;对已开裂的部位,观察其有无漏水、钢筋有无外露等情况;调查施工记录,包括混凝土的原材料及配合比,混凝土浇筑、养护等;调查在结构投入使用过程中实际作用荷载,特别是调查是否超过设计荷载。根据初步调查的结果,再进行裂缝的详细调查,其内容包括:对混凝土温度碳化深度、氯化物含量、配合比成分等进行试验分析:调查钢筋保护层厚度、钢筋位置、钢筋含量及锈蚀情况,钢筋有锈蚀就必须校核该结构的承载力;调查基础不均匀缺陷、侧向位移等情况;结构使用条件及环境调查、主要结构的荷载条件、干湿条件、盐分环境、冻融情况,荷载条件主要调查温度变化、干缩、化学变化的应力,因冲击等瞬间荷载所产生的应力,因冻害、化学侵蚀等不利外力引起的应力,因共振产生的非正常荷载以及由疲劳荷载产生的应力。根据调查分析结果,对不同形式的裂缝采取不同的修补措施,主要措施如下:
  4.1表面修补法。表面修补法是一种简单、常见的修补方法,它主要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝及大面积细裂缝的处理。通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料,在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂,通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。
  4.2灌浆、嵌缝封堵法。
  (1)灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补,它是利用压力设备(压力0.2~0.4mpa)将胶结材料压入混凝土的裂缝中,胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体,从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氯酯等化学材料。
  (2)嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法,它通常是沿裂缝凿槽,在槽中嵌填塑性或刚性止水材料,以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等;常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。该方法属传统方法,应用范围广,效果很好。
  4.3结构加固法。它主要适用于对结构整体性、承载能力有较大影响的深进及贯穿性裂缝的加固处理。常用的主要有以下几种方法:加大混凝土结构的截面面积、在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。
  4.4混凝土置换法。它是处理混凝土严重损坏的一种有效方法,此方法是先将损坏的混凝土剔除,然后再置换新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有:普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。
  4.5电化学防护法。电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用,改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态,钝化钢筋,以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的三种方法。
  4.6仿生自愈合法。仿生自愈合法是一种新型的裂缝处理方法,它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质,而使创伤部位得到愈合的机能,在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分,如含粘结剂的液芯纤维或胶囊,在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统,当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。
  5. 结束语
  混凝土结构裂缝发生的原因很复杂也是不可避免的,混凝土裂缝的防治重点在于“防”,而不在于“治”。关键是通过合理设计建筑结构、正确选用原材料、合理设计配合比、加强施工监控、严格遵守施工技术规程、提高施工技术水平,这样才有可能最大程度减少混凝土结构裂缝的产生,把裂缝宽度控制在设计范围内,减少裂缝造成的危害。
  [文章编号]1006-7619(2013)04-15-310
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