給排水混凝土構(gòu)筑物裂縫問題的成因及防治

楊 昕 宋紅玉 張東巖

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院給排水分院，天津 300051)

0 引言

近30年來，我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大，混凝土結(jié)構(gòu)憑借其用料省、施工快、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為建筑工程的主要結(jié)構(gòu)形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在我國每年工程建設(shè)用鋼筋超過1億t，混凝土20億m3，約占世界總量的一半，至2009年我國混凝土用量已達(dá)每人每年5．5 t的水平。但是，隨著混凝土結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用，其自身存在的一些問題也逐漸暴露出來，其中最為明顯的當(dāng)屬裂縫問題。

給排水構(gòu)筑物對裂縫尤為敏感，裂縫的存在不僅影響構(gòu)筑物的美觀，更重要的是威脅到構(gòu)筑物的安全，尤其在腐蝕性環(huán)境下，裂縫會導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對鋼筋進(jìn)行銹蝕，因此水工結(jié)構(gòu)的裂縫控制問題成為構(gòu)筑物能否正常使用、能否滿足耐久性要求所面對的主要問題。

1 混凝土破壞的損傷力學(xué)機(jī)理

混凝土試件在加—卸載試驗(yàn)過程中，縱向和橫向的彈性模量隨著荷載過程變化而變化，材料在循環(huán)加卸的荷載的反復(fù)作用下，每次荷載循環(huán)的力學(xué)響應(yīng)不同，說明材料內(nèi)部的損傷正在逐漸形成，而破壞正是由逐漸形成的損傷導(dǎo)致。其損傷模型有Loland損傷模型、Sidroff損傷模型、Krajcinovic損傷模型等。所以，導(dǎo)致混凝土破壞的裂隙是逐步發(fā)展累積的(見圖1)。

圖1 混凝土循環(huán)加載試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

依據(jù)損傷的發(fā)展過程混凝土的破壞可分為以下階段:第一階段是非荷載裂隙階段，這些非裂縫即為初始損傷，第二階段是裂隙擴(kuò)展階段。隨著荷載增加，界面裂縫長度、寬度都增加，當(dāng)達(dá)到85%極限荷載時(shí)，開始發(fā)生砂漿裂縫，砂漿裂縫溝通粗骨料的結(jié)合裂縫，然后再溝通細(xì)骨料的裂縫，在極限荷載下，形成與載荷作用方向平行的宏觀裂縫，最后發(fā)生劈裂形式的破壞。

所以裂縫的產(chǎn)生和控制是混凝土破壞過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 裂縫的產(chǎn)生

1)內(nèi)部條件。

從混凝土的內(nèi)部組成來看，它是由粗骨料、細(xì)骨料和水泥漿構(gòu)成的。細(xì)骨料和水泥漿又組成砂漿，將粗骨料粘結(jié)起來。混凝土是一種非均勻的多向水硬化介質(zhì)材料，在水硬化過程中，由于水分子和氣體的蒸發(fā)、遷移，使混凝土內(nèi)部形成各種形狀的孔隙?；炷猎谟步Y(jié)后，水泥漿中已水化部分、未水化部分的水泥顆粒及空氣和水等所占的比重隨齡期而變化，未水化部分逐漸減小而水化部分逐漸增多。水化的水泥漿由針狀和頁片狀纖維組成，纖維不是實(shí)心的，而是微管狀，所以水泥漿中孔隙率很高，達(dá)到30%左右。另外，混凝土在施工期間由于水化熱和質(zhì)量不均勻等原因，也產(chǎn)生和造成了細(xì)微裂縫和微孔隙，在外荷載和溫度變化等因素的作用下，部分微裂縫和孔隙將會擴(kuò)展并且匯集成核，連通形成宏觀裂隙，導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的改變和壽命下降?；炷磷鳛橐环N復(fù)合型建筑材料，本身具有不連續(xù)性，所以這是裂縫存在的必然性。

從混凝土材料的微觀結(jié)構(gòu)上看，是多種相態(tài)、多種物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)合體，同時(shí)由于攪拌、運(yùn)輸、泵送、振搗等引起混凝土拌合物的離析、泌水現(xiàn)象，混凝土中各種相態(tài)、各種物質(zhì)的分布完全可能是不均勻的。因此，混凝土結(jié)構(gòu)自澆筑成型后就存在裂縫。混凝土內(nèi)部骨料與水泥之間由于變形不一致積聚的拉應(yīng)力，是導(dǎo)致裂縫的內(nèi)部條件。

2)外部原因。

形成可見裂縫的外部原因有很多，從技術(shù)層面分析有以下幾個(gè)方面:

a．設(shè)計(jì)不當(dāng)。

混凝土結(jié)構(gòu)由于剛度不均勻，薄弱處未進(jìn)行加固引起裂縫;混凝土結(jié)構(gòu)由于地基不均勻沉降，引起的裂縫甚至斷裂;混凝土結(jié)構(gòu)超長，變形縫設(shè)計(jì)不當(dāng)，引起裂縫;受力敏感部位未采取構(gòu)造措施，導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫;配筋方式不當(dāng)導(dǎo)致裂縫;保護(hù)層厚度過厚或二次澆筑部分未配置構(gòu)造鋼筋等。

b．材料缺陷。

包括混凝土材料質(zhì)量不過關(guān)等因素。

c．施工不當(dāng)。

施工中攪拌、運(yùn)輸、澆筑時(shí)混凝土不均勻，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足，強(qiáng)度較低時(shí)就進(jìn)行施工，表面未及時(shí)進(jìn)行二次振搗或壓抹等。

d．使用不當(dāng)。

使用過程中的超載、使用功能以及設(shè)計(jì)功能不符等等所產(chǎn)生的裂縫。

e．防腐不當(dāng)。

無防腐蝕保護(hù)或保護(hù)失效時(shí)腐蝕性介質(zhì)對混凝土本身的腐蝕，對混凝土內(nèi)部鋼筋的腐蝕導(dǎo)致承載力下降，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，腐蝕進(jìn)一步增加的惡性循環(huán)。

3 裂縫的影響

裂縫影響程度可分為輕微裂縫、一般裂縫、嚴(yán)重裂縫三個(gè)等級。宏觀肉眼不易發(fā)現(xiàn)的細(xì)小裂縫稱之為輕微裂縫，為無害裂縫，基本不影響正常使用功能。一般裂縫為宏觀上肉眼明顯可辨的裂縫。嚴(yán)重裂縫是對結(jié)構(gòu)性能和使用功能造成了決定性的影響的裂縫，必須加以消除。

給排水結(jié)構(gòu)包括給水工程中的各種取水構(gòu)筑物和水處理廠內(nèi)的各類構(gòu)筑物、各種管材的地下管道，以及自承式架空管道。給排水結(jié)構(gòu)與水息息相關(guān)，對裂縫尤為敏感，一般要求裂縫控制在0．15 mm～0．30 mm。不影響結(jié)構(gòu)正常使用功能的裂縫，屬于無害裂縫和一般裂縫范疇，但超過這一范圍的裂縫出現(xiàn)后將會影響到結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度及耐久性，甚至發(fā)生漏水、跑水，必須及時(shí)進(jìn)行處理。

4 裂縫的處理

裂縫的處理方法大體分為以下幾類:掩飾裂縫、修補(bǔ)裂縫、封閉裂縫、結(jié)構(gòu)加固。

1)掩飾裂縫適用于輕微裂縫的處理，比如地上水池外露部分等。處理方法包括:結(jié)構(gòu)表面涂刷，后澆混凝土掩蓋，表面抹灰裝修，清水表面處理，建筑手法處理，目的是達(dá)到美觀的要求。

2)對于不影響安全和使用功能的較寬裂縫，應(yīng)進(jìn)行裂縫修補(bǔ)，處理的方法包括:鑿槽嵌補(bǔ)、扒釘控制裂縫、自行愈合、仿生自愈合法。

3)封閉裂縫，對于已構(gòu)成嚴(yán)重缺陷的裂縫，或?qū)挾群艽蟪^限值，但尚未構(gòu)成安全性問題的受力裂縫應(yīng)進(jìn)行封閉，包括壓力灌漿、抽吸灌漿、浸漬混凝土、鉆孔灌漿、補(bǔ)充加強(qiáng)筋。

4)加固處理，由于鋼筋變形、屈服而引起的裂縫，具有一定的延性性質(zhì)，而以混凝土破碎為特征的裂縫，則很容易迅速發(fā)展為壓潰而具有突然破壞的危險(xiǎn)。若經(jīng)過檢測和復(fù)核發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗力不足，且有作為破壞預(yù)兆標(biāo)志的裂縫，則要進(jìn)行加固處理。方法包括:增大截面面積、外包鋼材法、錨貼鋼板法、粘貼纖維法、外加預(yù)應(yīng)力法、混凝土置換法、改變傳力途徑法、基礎(chǔ)加固法。

5 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

裂縫是混凝土與生俱來的特點(diǎn)，是混凝土給排水構(gòu)筑物正常運(yùn)行與否的首要影響因素，設(shè)計(jì)中應(yīng)防患于未然，合理的設(shè)計(jì)指導(dǎo)嚴(yán)密的施工才是工程安全的保證?？偨Y(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如下:

1)防腐問題:一般污水處理設(shè)施及排水管網(wǎng)的盛水構(gòu)筑物的腐蝕來自兩個(gè)方面:內(nèi)在盛儲污水的侵蝕和外在腐蝕環(huán)境的侵蝕，這些都會對混凝土的耐久性產(chǎn)生影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求外還需進(jìn)行裂縫驗(yàn)算，裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度0．20 mm。根據(jù)GB 50046-2008工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范要求，在強(qiáng)腐蝕條件下，三級裂縫控制等級的最大裂縫寬度為0．15mm，依據(jù)腐蝕性的提高，混凝土的標(biāo)號、配比、保護(hù)層厚度等基本要求也不斷提高。環(huán)境及地下水對結(jié)構(gòu)的腐蝕性更不容忽視，因其埋于地下，一旦發(fā)現(xiàn)則大多已經(jīng)發(fā)生了破壞，所以防腐問題必須重視起來。

2)合理的基礎(chǔ)形式和地基處理:給排水構(gòu)筑物因其使用功能要求，各部分之間均存在一定形狀、高差的變化，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身沉降不均勻，地基土軟硬不均也是沉降不均勻的因素，因沉降不同產(chǎn)生的拉應(yīng)力造成結(jié)構(gòu)破壞的案例很多，必須在設(shè)計(jì)時(shí)得到充分的重視。

3)同時(shí)構(gòu)造措施也是不可忽視的部分。溫度構(gòu)造筋的布置;配筋較少的板類結(jié)構(gòu)采用小而密的鋼筋抗裂效果優(yōu)于粗而稀的鋼筋;結(jié)構(gòu)超長的構(gòu)筑物合理采用變形縫及加強(qiáng)帶進(jìn)行防裂處理等細(xì)節(jié)都是工程質(zhì)量保證的前提。

4)抗裂混凝土新材料的應(yīng)用也是應(yīng)對混凝土裂縫問題的一個(gè)途徑，工程實(shí)踐中，超長結(jié)構(gòu)往往因變形縫施工不過關(guān)而出現(xiàn)裂縫，保護(hù)措施反而成為隱患部位，在一定長度范圍內(nèi)，抗裂混凝土的應(yīng)用成為有效的防治方法。

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