常見混凝土病害及裂縫修復方法
摘要：混凝土材料是當今世界應用最廣、用量最大的建筑材料之一，但由于其脆性大，易被腐蝕，在其服役期間容易受到各種病害，而影響其使用壽命。本文主要討論幾種常見的混凝土病害，包括損傷、裂縫、腐蝕、凍害、滲透等，分析了其病害機理及成因，并分析了幾種裂縫修復的方法。
關鍵詞：建筑材料；混凝土；病害；裂縫修復
1引言
混凝土材料具有抗壓強度高、耐火性好、施工方便、價格相對較低等優(yōu)點，是當今世界上用途最廣、用量最大的建筑材料之一，發(fā)揮著其他材料無法替代的功能和作用。但是，作為無機非金屬材料，混凝土材料脆性大、抗拉強度小、易折損、易腐蝕，在服役期間，受內部因素和外部環(huán)境的作用，容易產生局部損傷、裂縫、腐蝕、凍害、滲透、老化等病害，隨著時間的推移，病害逐步加重，使得混凝土材料的性能不斷下降，輕則影響結構的正常使用，縮短結構的使用壽命，重則發(fā)生災難性事故，給人民的生命財產和國民經濟帶來巨大的損失。
我國的混凝土病害問題十分突出，據調查顯示[1]，南方地區(qū)使用7~25年的鋼筋混凝土結構設施中，有89%發(fā)生了鋼筋銹蝕破壞；1986年國家統(tǒng)計局和建設部對全國城鄉(xiāng)28個省、市、自治區(qū)的323個城市及5000個鎮(zhèn)進行普查，結果表明我國現(xiàn)有城鎮(zhèn)房屋建筑面積約50億m2，占全部房屋建筑面積的60%，其中約23億m2需分批進行鑒定加固，近10億m2急需維修加固后才能正常使用[2]。
目前，隨著經濟全球化的迅速發(fā)展和國家“走出去”戰(zhàn)略的實施，我國對外承包工程規(guī)模日益擴大，國際競爭力明顯增強。截至2006年10月底，我國對外承包工程累計完成營業(yè)額1590億美元，簽訂合同額2317.3億美元。亞洲和非洲一直是我國對外承包工程的主要市場，占我國對外承包工程總營業(yè)額的70%左右，這些工程大多以道路、碼頭、水電站等基礎設施和體育場館、議會大廈、民用住宅等建筑為主，它們都離不開混凝土，由于各地地理、氣候、濕度、沙石（原材料含土量）的不同，這些工程的建設將遇到一系列傳統(tǒng)技術難以解決的復雜科學技術問題，為此，研究分析常見混凝土材料的病害機理及裂縫修復方法相當重要，對促進綜合國力的發(fā)展意義重大。
2常見混凝土結構病害機理及成因
所謂混凝土結構病害是指建筑工程質量事故和質量缺陷的總稱，但并非是兩種概念的的簡單歸納，而是理性的綜合�；炷两Y構病害的分類有很多，可按病害原因，發(fā)生時期、造成危害等級，以及病害處理方法進行分類。按病害性質可分為損傷、裂縫、腐蝕、凍害、滲透等[3]。
2.1損傷
混凝土結構損傷通常是指在外力、環(huán)境作用或者周圍介質的侵蝕作用下而導致的性能的劣化。如強度降低，耐久性下降等。
2.2裂縫
裂縫是固體材料中的某種不連續(xù)的現(xiàn)象。結構的裂縫是個很普遍的技術問題，工程的破壞和倒塌大多數(shù)是從裂縫擴展開始的，雖然有些裂縫沒有達到使建筑物倒塌的危險程度，但結構物的裂縫會引起滲漏、混凝土強度降低，影響結構的使用壽命。
混凝土裂縫的形成主要受兩大類荷載影響：其一是由外荷載應力引起的裂縫；其二是由變形變化引起的裂縫：結構由溫度、收縮和膨脹、不均勻沉降等因素而引起的裂縫。但不論那種荷載作用于結構，只要機構的拉應力超過其極限強度，或應變超過極限變形值，結構即會產生裂縫。
2.3腐蝕
混凝土材料的腐蝕由于腐蝕介質與水泥的水化產物發(fā)生化學反應，使混凝土內部Ca(OH)2晶體溶解,導致混凝土結構疏松，結構的疏松又加劇了這種腐蝕的進行，形成惡性循環(huán)，最終導致結構的破壞。
2.4凍害
混凝土材料凍害是指由于混凝土在拌制過程中，為了得到必要的和易性等指標，加入的拌合水量總要多余水泥水化所需的用水量，這部分多余的水便以游離水的形式滯留在混凝土中，形成連通的毛細孔，并占有一定的體積。這種毛細孔自由水是導致混凝土凍害的主要因素，因為水遇冷結冰后體積會膨脹，從而引起混凝土內部結構的破壞。混凝土凍害主要發(fā)生在混凝土養(yǎng)護前期，應該特別注意養(yǎng)護溫度[4]。
2.5滲透
混凝土材料由于水灰比較大，或施工時振搗不密實，導致混凝土內部結構密實度不高，而成為一種多孔材料。這樣，水通過混凝土的孔隙進入到混凝土內部，降低了混凝土孔隙水溶液的pH值，另外水攜帶者其他有害的離子進入混凝土內部，導致混凝土內部鋼筋銹蝕，最終引起混凝土脹裂直至破壞。
3混凝土裂縫修復技術研究現(xiàn)狀
混凝土材料的各種病害最終都將導致混凝土性能的下降，最直接的表現(xiàn)就是生成裂縫，然而結構的破壞或倒塌一般都是從裂縫的擴展開始的，如強震后震區(qū)的建筑物上布滿了各種各樣的裂縫、荷載試驗的鉀筋混凝土大梁上出現(xiàn)大量裂縫等等。因此，進行混凝土裂縫修復技術的研究亟不可待。
3.1混凝土裂縫修復方法
幾種比較常用的裂縫修復方法有：結構加固法、灌漿法、表面處理法、填充法(嵌縫法)等。
3.1.1結構加固法
結構加固法是在結構構件外部或結構裂縫四周澆筑鋼筋混凝土圍套或包鋼筋、型鋼龍骨，將結構構件箍緊，以增加結構構件受力面積，提高結構的剛度和承載力的一種結構補強加固方法[5]。常用的加固方法[6]有：
�。�1）增大截面法。這是一種用與原結構相同的材料增大結構的截面積從而提高結構性能的加固方法。適用于梁、板、柱的結構加固。加固時，原混凝土截面應鑿毛洗凈，或將主筋鑿出，若鋼筋銹蝕嚴重，應清除鋼筋表面的鐵銹，增配的鋼筋應根據裂縫程度確定，澆筑前，模板與原結構表面均應充分濕潤，然后用細石混凝土澆搗密實并養(yǎng)護[5]。這是一種比較傳統(tǒng)的加固方法，工藝簡單，適應面廣。
�。�2）外包鋼法。這是一種在混凝土構件或砌體構件四周包以型鋼、鋼板從而提高構件性能的加固方法。該法基本不增加結構的截面積，但卻可以很好的提高結構的承受能力，增強結構的剛度和延性。外包鋼加固分濕式和干式兩種，濕式是鋼材與原構件之間，用乳膠水泥、聚合物砂漿或環(huán)氧樹脂化學灌漿等方法粘結，使兩者之間具有良好的協(xié)同工作能力；而干式的鋼材與原構件之間沒有粘結材料，為確保新舊材料能夠協(xié)同工作，應使鋼套箍與混凝土表面緊密接觸。
�。�3）外包混凝土法。該法主要用于磚柱、磚墻結構的加固如外包鋼筋混凝土套加固磚獨立柱和壁柱，增設鋼筋混凝土扶壁柱加固磚墻，增設鋼筋網混凝土或鋼筋網水泥砂漿加固磚墻。與外包鋼法相比，該法可更好的實現(xiàn)新舊材料的共同工作，可用于抗震砌體結構的加固。
（4）預應力加固法。這是一種采用外加預應力鋼拉桿或型鋼撐桿，對結構構件或整體進行加固的方法，其原理是改變原結構內力分布，降低原結構應力，致使結構中的應力應變現(xiàn)象得以完全消除，減小構件撓度，縮小混凝土構件的裂縫寬度，提高構件承載力。該法適用于大跨結構，以及采用一般方法無法加固或加固效果很不理想的大型結構的加固。
施工時，預應力拉桿或撐桿的錨固件采用乳膠水泥或鐵屑砂漿，通過膨脹螺栓錨固在混凝土基層上，所以加固前結合面應進行粗糙和清潔處理，預應力施加方法根據施工條件及預應力值大小確定。
此外，還有粘碳纖維法、粘鋼法、噴混凝土法等加固方法。
3.1.2灌漿法[7]
灌漿法又稱注入法，是將樹脂漿液、水泥漿液或聚合物水泥漿液等灌入裂縫內部，達到恢復結構整體性、耐久性和防水性的目的，適用于寬度較大、深度較深的裂縫，尤其是受力裂縫。該法不損傷原有結構，補后防水性和耐久性可靠，修補質量良好，但是國內目前尚無定型的灌漿設備，在一定程度上影響該技術的推廣與普及。
3.1.3表面處理法[6]
該法適用于對結構的強度影響不大，但會使鋼筋銹蝕且有損美觀的表面及深進微細裂縫的治理，具體操作是采用彈性涂膜防水材料、聚合物水泥膏及滲透性防水劑等，涂刷于裂縫表面，達到回復其防水性和耐久性的目的。施工時，應先用鋼絲刷將混凝土表面刷毛，清楚表面附著的污物，用水沖洗干凈。待干燥后，先用環(huán)氧膠水泥、乳膠水泥等修補混凝土的表面缺損。最后，采用縮選擇的材料涂覆，涂覆應均勻，不可有氣泡。
3.1.4填充法[6]
填充法是沿裂縫將混凝土開鑿成U型或V型槽，然后嵌填各種修補材料，達到恢復結構防水性、耐久性和部分恢復結構整體性的目的，主要適用于修補數(shù)量較少的寬裂縫和鋼筋銹蝕所產生的裂縫。該法所使用的嵌填材料視修補目的而定，常用的有環(huán)氧樹脂、環(huán)氧砂漿、聚合物水泥砂漿等。對于活動性裂縫，應采用極限變形較大的延伸性材料；對于銹蝕裂縫，應先加寬、加深鑿槽，直至完全露出鋼筋生銹的部位，清理銹蝕部分，涂抹防銹劑，再注入嵌填材料。
3.2混凝土裂縫自修復技術
混凝土裂縫自修復方法是近幾年來國外提出的混凝土修復方法，混凝土裂縫自修復是指混凝土在外部或內部條件的作用下，釋放或生成新的物質自行封閉、愈合其裂縫，主要包括：結晶沉淀法、結晶滲透法、聚合物固化法、電沉積修復技術等[8-9]。
3.2.1結晶沉淀法
結晶沉淀的基本原理是裂縫中的碳酸鈣晶體的沉淀。它是一種在水流或水介質作用下，利用物理、熱學與力學過程對混凝土微細裂縫進行自我修復的方法。主要過程是裂縫區(qū)形成中的CaCO3—CO2—H2O物質體系與水泥漿體中的Ca(OH)2發(fā)生反應生成難溶于水的CaCO3，然后CCaO3與Ca(OH)2結晶沉淀在裂縫中聚集、生長，逐漸密封、愈合裂縫。
結晶沉淀修復過程是一個自然過程，根據修復機理，結晶沉淀技術進行裂縫自修復的必要條件必須有水或足夠的濕度，在活動縫、修復時有變位發(fā)生以及水流流過裂縫時(除非水流很慢，否則CaCO3沉淀會被溶解和沖洗)均不能發(fā)生。
3.2.2結晶滲透法
滲透結晶法是利用在混凝土中摻入活性外加劑或在外部涂敷一層含有活性外加劑涂層，在一定的養(yǎng)護條件下，以水為載體，通過滲透作用，使其特殊的活性化學物質在混凝土的微孔及毛細孔中傳輸，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥顆粒繼續(xù)發(fā)生水化，形成不溶性的晶體的方法[9]。
滲透結晶修復是一種主動激發(fā)、自修復的過程。滲透結晶發(fā)生的必要條件是有水或足夠的濕度。裂縫自修復的效果主要受裂縫的大小、涂層中活性成分以及混凝土的孔隙率及孔結構等影響，對于較寬裂縫的修復效果不佳。
3.2.3聚合物固化法
聚合物固化法修復混凝土裂縫是充分模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質，而使創(chuàng)傷部位得到修復的方法。具體方法是，在混凝土傳統(tǒng)組分中復合特殊組分或混凝土內部形成智能型仿生自愈合系統(tǒng)，如采用液芯纖維或膠囊植入混凝土結構中，當基體開裂時，液芯纖維或膠囊發(fā)生破裂使粘結液流出，深入裂縫內部使其重新愈合。
聚合物裂縫固化法的難點是空心修復纖維如何在基體中的分布和隨后的化學修復劑的釋放，通過這些化學修復劑密封基體的微裂縫以及使損傷界面重新修復，通過這些達到控制開裂的目的，對于某些關鍵性問題的研究目前還存在一些問題。
3.2.4電沉積修復法
電沉積方法修復鋼筋混凝土結構裂縫技術，指充分利用環(huán)境水和鋼筋混凝土的特性，以溶在水或海水中的各類礦物化合物（或加入合適的礦物質）作為電解質，并以混凝土結構中的鋼筋為陰極，在混凝土結構附近設置一定面積的陽極，而后在陰陽兩極之間施加一定的電場，通過陰極電沉積作用,在混凝土結構裂縫內和表面生長并沉積一層化合物（如ZnO，CaCO3和Mg(OH)2等），從而填充、密實混凝土的裂縫，封閉混凝土的表面，以降低混凝土的滲透性的技術[10-11]。
電沉積作用主要受溶液中所含的電解質種類及其特性、電流密度、混凝土電阻率及其微觀結構等因素影響，特別適用于海工、水工混凝土裂縫的修復。
4結論
混凝土裂縫問題是一項世界性的難題，探索出有效的裂縫控制措施和修復方法是很有意義的。目前，對于混凝土病害及加固措施的研究已經比較成熟，但是傳統(tǒng)的混凝土加固方法只能從表面上解決混凝土裂縫問題，不能從根本上解決問題。對混凝土裂縫自修復技術的研究，雖然目前已取得了一些成果，但許多根本性問題沒有解決，應該繼續(xù)加大研究的力度。
參考文獻:
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