常見(jiàn)混凝土病害及裂縫修復(fù)方法

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摘要：混凝土材料是當(dāng)今世界應(yīng)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(jiàn)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(jī)理及成因，并分析了幾種裂縫修復(fù)的方法。
　　關(guān)鍵詞：建筑材料；混凝土；病害；裂縫修復(fù)
　　1引言
　　混凝土材料具有抗壓強(qiáng)度高、耐火性好、施工方便、價(jià)格相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)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(wú)法替代的功能和作用。但是，作為無(wú)機(jī)非金屬材料，混凝土材料脆性大、抗拉強(qiáng)度小、易折損、易腐蝕，在服役期間，受內(nèi)部因素和外部環(huán)境的作用，容易產(chǎn)生局部損傷、裂縫、腐蝕、凍害、滲透、老化等病害，隨著時(shí)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(jié)構(gòu)的正常使用，縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命，重則發(fā)生災(zāi)難性事故，給人民的生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的損失。
　　我國(guó)的混凝土病害問(wèn)題十分突出，據(jù)調(diào)查顯示[1]，南方地區(qū)使用7~25年的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)施中，有89%發(fā)生了鋼筋銹蝕破壞；1986年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和建設(shè)部對(duì)全國(guó)城鄉(xiāng)28個(gè)省、市、自治區(qū)的323個(gè)城市及5000個(gè)鎮(zhèn)進(jìn)行普查，結(jié)果表明我國(guó)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(jìn)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(jīng)濟(jì)全球化的迅速發(fā)展和國(guó)家“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)對(duì)外承包工程規(guī)模日益擴(kuò)大，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力明顯增強(qiáng)。截至2006年10月底，我國(guó)對(duì)外承包工程累計(jì)完成營(yíng)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(guó)對(duì)外承包工程的主要市場(chǎng)，占我國(guó)對(duì)外承包工程總營(yíng)業(yè)額的70%左右，這些工程大多以道路、碼頭、水電站等基礎(chǔ)設(shè)施和體育場(chǎng)館、議會(huì)大廈、民用住宅等建筑為主，它們都離不開(kāi)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(shè)將遇到一系列傳統(tǒng)技術(shù)難以解決的復(fù)雜科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，為此，研究分析常見(jiàn)混凝土材料的病害機(jī)理及裂縫修復(fù)方法相當(dāng)重要，對(duì)促進(jìn)綜合國(guó)力的發(fā)展意義重大。
　　2常見(jiàn)混凝土結(jié)構(gòu)病害機(jī)理及成因
　　所謂混凝土結(jié)構(gòu)病害是指建筑工程質(zhì)量事故和質(zhì)量缺陷的總稱(chēng)，但并非是兩種概念的的簡(jiǎn)單歸納，而是理性的綜合。混凝土結(jié)構(gòu)病害的分類(lèi)有很多，可按病害原因，發(fā)生時(shí)期、造成危害等級(jí)，以及病害處理方法進(jìn)行分類(lèi)。按病害性質(zhì)可分為損傷、裂縫、腐蝕、凍害、滲透等[3]。
　　2.1損傷
　　混凝土結(jié)構(gòu)損傷通常是指在外力、環(huán)境作用或者周?chē)橘|(zhì)的侵蝕作用下而導(dǎo)致的性能的劣化。如強(qiáng)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(jié)構(gòu)的裂縫是個(gè)很普遍的技術(shù)問(wèn)題，工程的破壞和倒塌大多數(shù)是從裂縫擴(kuò)展開(kāi)始的，雖然有些裂縫沒(méi)有達(dá)到使建筑物倒塌的危險(xiǎn)程度，但結(jié)構(gòu)物的裂縫會(huì)引起滲漏、混凝土強(qiáng)度降低，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。
　　混凝土裂縫的形成主要受兩大類(lèi)荷載影響：其一是由外荷載應(yīng)力引起的裂縫；其二是由變形變化引起的裂縫：結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，只要機(jī)構(gòu)的拉應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度，或應(yīng)變超過(guò)極限變形值，結(jié)構(gòu)即會(huì)產(chǎn)生裂縫。
　　2.3腐蝕
　　混凝土材料的腐蝕由于腐蝕介質(zhì)與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土內(nèi)部Ca(OH)2晶體溶解,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)構(gòu)的疏松又加劇了這種腐蝕的進(jìn)行，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(guò)程中，為了得到必要的和易性等指標(biāo)，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(xì)孔，并占有一定的體積。這種毛細(xì)孔自由水是導(dǎo)致混凝土凍害的主要因素，因?yàn)樗隼浣Y(jié)冰后體積會(huì)膨脹，從而引起混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。混凝土凍害主要發(fā)生在混凝土養(yǎng)護(hù)前期，應(yīng)該特別注意養(yǎng)護(hù)溫度[4]。
　　2.5滲透
　　混凝土材料由于水灰比較大，或施工時(shí)振搗不密實(shí)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度不高，而成為一種多孔材料。這樣，水通過(guò)混凝土的孔隙進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，降低了混凝土孔隙水溶液的pH值，另外水?dāng)y帶者其他有害的離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致混凝土內(nèi)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(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀
　　混凝土材料的各種病害最終都將導(dǎo)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(jié)構(gòu)的破壞或倒塌一般都是從裂縫的擴(kuò)展開(kāi)始的，如強(qiáng)震后震區(qū)的建筑物上布滿(mǎn)了各種各樣的裂縫、荷載試驗(yàn)的鉀筋混凝土大梁上出現(xiàn)大量裂縫等等。因此，進(jìn)行混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)的研究亟不可待。
　　3.1混凝土裂縫修復(fù)方法
　　幾種比較常用的裂縫修復(fù)方法有：結(jié)構(gòu)加固法、灌漿法、表面處理法、填充法(嵌縫法)等。
　　3.1.1結(jié)構(gòu)加固法
　　結(jié)構(gòu)加固法是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件外部或結(jié)構(gòu)裂縫四周澆筑鋼筋混凝土圍套或包鋼筋、型鋼龍骨，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件箍緊，以增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力面積，提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力的一種結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)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(jié)構(gòu)相同的材料增大結(jié)構(gòu)的截面積從而提高結(jié)構(gòu)性能的加固方法。適用于梁、板、柱的結(jié)構(gòu)加固。加固時(shí)，原混凝土截面應(yīng)鑿毛洗凈，或?qū)⒅鹘铊彸觯翡摻钿P蝕嚴(yán)重，應(yīng)清除鋼筋表面的鐵銹，增配的鋼筋應(yīng)根據(jù)裂縫程度確定，澆筑前，模板與原結(jié)構(gòu)表面均應(yīng)充分濕潤(rùn)，然后用細(xì)石混凝土澆搗密實(shí)并養(yǎng)護(hù)[5]。這是一種比較傳統(tǒng)的加固方法，工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)面廣。
　　（2）外包鋼法。這是一種在混凝土構(gòu)件或砌體構(gòu)件四周包以型鋼、鋼板從而提高構(gòu)件性能的加固方法。該法基本不增加結(jié)構(gòu)的截面積，但卻可以很好的提高結(jié)構(gòu)的承受能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)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(gòu)件之間，用乳膠水泥、聚合物砂漿或環(huán)氧樹(shù)脂化學(xué)灌漿等方法粘結(jié)，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(gòu)件之間沒(méi)有粘結(jié)材料，為確保新舊材料能夠協(xié)同工作，應(yīng)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(jié)構(gòu)的加固如外包鋼筋混凝土套加固磚獨(dú)立柱和壁柱，增設(shè)鋼筋混凝土扶壁柱加固磚墻，增設(shè)鋼筋網(wǎng)混凝土或鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固磚墻。與外包鋼法相比，該法可更好的實(shí)現(xiàn)新舊材料的共同工作，可用于抗震砌體結(jié)構(gòu)的加固。
　�。�4）預(yù)應(yīng)力加固法。這是一種采用外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿或型鋼撐桿，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或整體進(jìn)行加固的方法，其原理是改變?cè)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，降低原結(jié)構(gòu)應(yīng)力，致使結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力應(yīng)變現(xiàn)象得以完全消除，減小構(gòu)件撓度，縮小混凝土構(gòu)件的裂縫寬度，提高構(gòu)件承載力。該法適用于大跨結(jié)構(gòu)，以及采用一般方法無(wú)法加固或加固效果很不理想的大型結(jié)構(gòu)的加固。
　　施工時(shí)，預(yù)應(yīng)力拉桿或撐桿的錨固件采用乳膠水泥或鐵屑砂漿，通過(guò)膨脹螺栓錨固在混凝土基層上，所以加固前結(jié)合面應(yīng)進(jìn)行粗糙和清潔處理，預(yù)應(yīng)力施加方法根據(jù)施工條件及預(yù)應(yīng)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(chēng)注入法，是將樹(shù)脂漿液、水泥漿液或聚合物水泥漿液等灌入裂縫內(nèi)部，達(dá)到恢復(fù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，補(bǔ)后防水性和耐久性可靠，修補(bǔ)質(zhì)量良好，但是國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)定型的灌漿設(shè)備，在一定程度上影響該技術(shù)的推廣與普及。
　　3.1.3表面處理法[6]
　　該法適用于對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響不大，但會(huì)使鋼筋銹蝕且有損美觀的表面及深進(jìn)微細(xì)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(dá)到回復(fù)其防水性和耐久性的目的。施工時(shí)，應(yīng)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(bǔ)混凝土的表面缺損。最后，采用縮選擇的材料涂覆，涂覆應(yīng)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(kāi)鑿成U型或V型槽，然后嵌填各種修補(bǔ)材料，達(dá)到恢復(fù)結(jié)構(gòu)防水性、耐久性和部分恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性的目的，主要適用于修補(bǔ)數(shù)量較少的寬裂縫和鋼筋銹蝕所產(chǎn)生的裂縫。該法所使用的嵌填材料視修補(bǔ)目的而定，常用的有環(huán)氧樹(shù)脂、環(huán)氧砂漿、聚合物水泥砂漿等。對(duì)于活動(dòng)性裂縫，應(yīng)采用極限變形較大的延伸性材料；對(duì)于銹蝕裂縫，應(yīng)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(fù)技術(shù)
　　混凝土裂縫自修復(fù)方法是近幾年來(lái)國(guó)外提出的混凝土修復(fù)方法，混凝土裂縫自修復(fù)是指混凝土在外部或內(nèi)部條件的作用下，釋放或生成新的物質(zhì)自行封閉、愈合其裂縫，主要包括：結(jié)晶沉淀法、結(jié)晶滲透法、聚合物固化法、電沉積修復(fù)技術(shù)等[8-9]。
　　3.2.1結(jié)晶沉淀法
　　結(jié)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(zhì)作用下，利用物理、熱學(xué)與力學(xué)過(guò)程對(duì)混凝土微細(xì)裂縫進(jìn)行自我修復(fù)的方法。主要過(guò)程是裂縫區(qū)形成中的CaCO3—CO2—H2O物質(zhì)體系與水泥漿體中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成難溶于水的CaCO3，然后CCaO3與Ca(OH)2結(jié)晶沉淀在裂縫中聚集、生長(zhǎng)，逐漸密封、愈合裂縫。
　　結(jié)晶沉淀修復(fù)過(guò)程是一個(gè)自然過(guò)程，根據(jù)修復(fù)機(jī)理，結(jié)晶沉淀技術(shù)進(jìn)行裂縫自修復(fù)的必要條件必須有水或足夠的濕度，在活動(dòng)縫、修復(fù)時(shí)有變位發(fā)生以及水流流過(guò)裂縫時(shí)(除非水流很慢，否則CaCO3沉淀會(huì)被溶解和沖洗)均不能發(fā)生。
　　3.2.2結(jié)晶滲透法
　　滲透結(jié)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(hù)條件下，以水為載體，通過(guò)滲透作用，使其特殊的活性化學(xué)物質(zhì)在混凝土的微孔及毛細(xì)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(jié)晶修復(fù)是一種主動(dòng)激發(fā)、自修復(fù)的過(guò)程。滲透結(jié)晶發(fā)生的必要條件是有水或足夠的濕度。裂縫自修復(fù)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(jié)構(gòu)等影響，對(duì)于較寬裂縫的修復(fù)效果不佳。
　　3.2.3聚合物固化法
　　聚合物固化法修復(fù)混凝土裂縫是充分模仿生物組織對(duì)受創(chuàng)傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到修復(fù)的方法。具體方法是，在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特殊組分或混凝土內(nèi)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(jié)構(gòu)中，當(dāng)基體開(kāi)裂時(shí)，液芯纖維或膠囊發(fā)生破裂使粘結(jié)液流出，深入裂縫內(nèi)部使其重新愈合。
　　聚合物裂縫固化法的難點(diǎn)是空心修復(fù)纖維如何在基體中的分布和隨后的化學(xué)修復(fù)劑的釋放，通過(guò)這些化學(xué)修復(fù)劑密封基體的微裂縫以及使損傷界面重新修復(fù)，通過(guò)這些達(dá)到控制開(kāi)裂的目的，對(duì)于某些關(guān)鍵性問(wèn)題的研究目前還存在一些問(wèn)題。
　　3.2.4電沉積修復(fù)法
　　電沉積方法修復(fù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫技術(shù)，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(lèi)礦物化合物（或加入合適的礦物質(zhì)）作為電解質(zhì)，并以混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋為陰極，在混凝土結(jié)構(gòu)附近設(shè)置一定面積的陽(yáng)極，而后在陰陽(yáng)兩極之間施加一定的電場(chǎng)，通過(guò)陰極電沉積作用,在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫內(nèi)和表面生長(zhǎng)并沉積一層化合物（如ZnO，CaCO3和Mg(OH)2等），從而填充、密實(shí)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(shù)[10-11]。
　　電沉積作用主要受溶液中所含的電解質(zhì)種類(lèi)及其特性、電流密度、混凝土電阻率及其微觀結(jié)構(gòu)等因素影響，特別適用于海工、水工混凝土裂縫的修復(fù)。
　　4結(jié)論
　　混凝土裂縫問(wèn)題是一項(xiàng)世界性的難題，探索出有效的裂縫控制措施和修復(fù)方法是很有意義的。目前，對(duì)于混凝土病害及加固措施的研究已經(jīng)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(wèn)題，不能從根本上解決問(wèn)題。對(duì)混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)的研究，雖然目前已取得了一些成果，但許多根本性問(wèn)題沒(méi)有解決，應(yīng)該繼續(xù)加大研究的力度。
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