水工混凝土結構裂縫預防與修補技術綜述

王勝群 孔令華

裂縫是水工混凝土澆筑物中最常見的一種病害,沒有發生裂縫的混凝土建筑物很少見,并且混凝土裂縫通常是許多種因素共同作用的結果。裂縫對水工建筑物造成的危害程度不一,嚴重的裂縫不僅危害建筑物的整體性和穩定性,而且還會產生大量的漏水,使閘壩及其他水工建筑物的安全運行受到嚴重威脅。另外,裂縫會引起其他病害的發生與發展,如滲漏溶蝕、環境水侵蝕、凍融破壞及鋼筋銹蝕等等。這些病害與裂縫形成惡性循環,會對水工混凝土建筑物的耐久性產生很大的危害。

1 裂縫的成因及類型[1,2]

1.1 裂縫的成因

水工混凝土體積龐大,受自身和周圍介質的影響,在濕度、溫度變化和周邊基礎約束的作用下,會產生很大的約束應力,容易產生裂縫。但是引起裂縫的原因是非常復雜的,客觀誘發因素很多。一般來說,裂縫成因主要有以下幾個方面:1)施工材料不合格,混凝土原材料砂、石、含泥量超標;級配較差;水泥安定性存在問題,引起混凝土開裂并且嚴重影響其強度。2)施工質量存在問題。在施工過程中,養護時間不足、脫模過早。需回填土的結構未能及時回填、酷熱時施工表面水分蒸發過快、水泥用量過大、大體積混凝土澆筑未采用緩慢降溫等原因造成混凝土裂縫。3)溫差。水工建筑物混凝土體積大,澆筑過程中產生溫度裂縫的主要原因是內外溫差。4)基礎不均勻沉降。解決方法有控制施工順序、減輕結構自重、結構形式合理等。單純提高結構剛度來減小不均勻沉降,其結果是結構自重增大,柔韌性變小,適應不均勻沉降能力隨之減弱。在工程實踐中,避免不均勻沉降應采取整體剛性抵抗變形,分縫和增強剛柔性來適應變形。5)結構設計不合理。有些早期興建的工程,由于當時設計理論的局限,存在結構形式和尺寸擬定不合理、空間各向剛度分配不協調等問題。另外一些結構設計上的疏忽也可能造成裂縫。6)鋼筋銹蝕以及混凝土化學成分不協調造成的堿活性骨料反應等,易形成裂縫。7)建筑物接口處處理不當。8)管理、運用不善。9)地震。

1.2 裂縫的類型

當混凝土結構由于溫度的變化、地基的不均勻沉降及其他原因引起的應力和變形超過了混凝土的強度和抵抗變形的能力時將產生裂縫,裂縫按其產生的原因不同,可分為五類:1)沉陷裂縫。由地基的不均勻沉降引起,屬于貫穿性裂縫,縫寬受溫度變化影響較小,往往引起錯距。2)干縮裂縫。由混凝土干縮引起,屬于表面性裂縫,走向縱橫交錯,無一定規律,形似龜紋,裂縫的寬度和長度都很小,如同發絲。3)溫度裂縫。由混凝土固結時的水化作用或外界溫度變化引起,裂縫可以是表層的、深層的或貫穿的。表層裂縫無一定走向,深層或貫穿性裂縫一般與主鋼筋方向平行或大致平行,沿裂縫方向無多大變化。裂縫受溫度變化影響,有較明顯的熱脹冷縮現象。4)應力裂縫。由應力過大引起,常屬于深層或貫穿性裂縫。走向與主鋼筋方向垂直或大致垂直,縫寬沿長度方向和深度方向變化較大。受溫度變化影響較小。5)施工裂縫。由于施工縫位置不當或處理不完善引起,裂縫屬于深層或貫穿性的,走向與工作縫面一致。豎直施工縫開裂較大,一般大于0.5 mm,水平施工縫開裂較小。

2 裂縫的預控措施[3-6]

2.1 合理設計混凝土結構尺寸

大量統計表明,其他條件相同時,當混凝土結構或構件尺寸小于10 m時,很少出現裂縫;當結構最大尺寸介于15 m～18 m之間時,一般在長邊中部出現一條裂縫;20 m～25 m時,通常出現兩條裂縫,分別位于三分點上。也就是說,在一定范圍內,隨著結構尺寸的增加,出現裂縫的幾率大幅度增加。

2.2 控制原材料

為了最大限度的控制混凝土的最高溫度,應盡可能選擇發熱量低的中熱硅酸鹽水泥和低熱硅酸鹽水泥。同時,在滿足混凝土各項設計指標的條件下,盡量采用加大骨料粒徑、改善骨料配合比等措施來減小膠凝材料的用量,從而減小水化熱引起的混凝土的溫升。還應該嚴格控制砂石骨料的泥塊含量、含泥量以及針片狀石子的含量,以提高混凝土的抗裂能力。

2.3 控制施工措施

施工過程中,需要注意以下幾點:

盡可能的降低混凝土的入模溫度。在炎熱的夏季處于高溫地區澆混凝土時,首先應將混凝土的骨料、砂和拌合水進行降溫處理。砂、石料場搭設防曬棚,采用冰水拌和混凝土,使拌和后的混凝土入模溫度降低。保證施工質量進行嚴格的溫度控制。混凝土的澆筑溫度和最高溫升均應滿足設計要求,除采用中低熱水泥和減少水泥用量來控制溫升外,夏季施工時還可以用溫水、加冰和搭設涼棚等措施減小混凝土溫度。

3 裂縫的處理措施[4-8]

處理裂縫是為了恢復和加強混凝土結構的整體性,保持混凝土的強度、耐久性以及延長建筑物的使用壽命。因此裂縫的處理必須與裂縫的類型、產生的原因、裂縫的寬度、深度及所在的位置等相對應,采取不同的處理措施。

裂縫的處理方法一般分為以下三大類。

3.1 表面處理法

表面處理法的目的是進行縫口封閉,以防止滲漏和鋼筋銹蝕,對于有抗沖耐磨要求的過流面裂縫,表面處理法可以增強抗沖耐磨能力。表面處理法包括沿縫口鑿槽嵌縫、貼橡皮法、設置防滲層(澆瀝青防滲層)、貼環氧玻璃絲以及高分子聚合物縫口浸漬等。

3.2 填充法

填充法是用修補材料直接填充裂縫,一般用來修補較寬的裂縫,如寬度小于0.3 mm,深度較淺的裂縫,或者縫中有填充物,用灌漿法很難達到效果的裂縫。該法多采取V形槽,然后作填充處理。其特點是作業簡單,費用低。

3.3 注入法(灌漿法)

注入法主要適用于對結構整體有影響或者有防滲要求的混凝土裂縫的修補。注入法分壓力注入法與真空吸入法兩種。壓力注入法適用于較深較細裂縫,在水工建筑物裂縫修補中應用較廣泛;真空吸入法則是用真空泵使縫內形成真空,將漿材吸入縫內,該法適用于各種表面裂縫的修補。灌漿材料有水泥漿材、普通環氧漿材、彈性環氧漿材、彈性聚氨酯漿材、水熔性聚氨酯漿材等。

實踐證明,在對水工混凝土建筑物裂縫進行調查與檢測、成因分析、危害評估的基礎上,采取相應的修補措施,可以將病害控制在安全范圍內。

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