混凝土開裂及維護(hù)綜述

梁少陽(yáng)

（寧夏大學(xué) 土木與水利學(xué)院 寧夏 銀川 750021）

混凝土開裂及維護(hù)綜述

梁少陽(yáng)

（寧夏大學(xué) 土木與水利學(xué)院 寧夏 銀川 750021）

混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工民建筑、橋隧、海港等工程中，而其卻有易開裂的缺點(diǎn)。相對(duì)大體積混凝土來(lái)說，即使有嚴(yán)格的裂縫控制措施，這些混凝土結(jié)構(gòu)仍然會(huì)有裂縫。近幾年，混凝土開裂機(jī)理及其對(duì)結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定性的影響已然成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。

混凝土裂縫；成因；控制；維護(hù)

0 前言

混凝土材料誕生至今，因具有堅(jiān)固耐久性和良好耐火性、可模性等優(yōu)點(diǎn)而成為各種工程建設(shè)中不可或缺的建筑材料。然而，由于混凝土材料固有的力學(xué)特性，它具有易開裂的缺點(diǎn)，一般混凝土結(jié)構(gòu)使用過程都是帶有裂縫的。裂縫的存在和發(fā)展，不僅僅影響了建筑物的外觀，當(dāng)微觀裂縫逐漸變成了宏觀裂縫，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力受到相應(yīng)削弱，危及建筑物的正常使用，甚至直接導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)喪失承載能力。有些特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件如核電站的混凝土安全殼、混凝土水池、地下混凝土結(jié)構(gòu)等對(duì)裂縫有著嚴(yán)格要求，防裂工作顯得尤為重要。因此，裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中不可避免的不利因素之一?；炷潦且环N多相的復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生、發(fā)展至結(jié)構(gòu)破壞，整個(gè)過程是相當(dāng)復(fù)雜的[1]。對(duì)于裂縫控制等級(jí)高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件來(lái)說，了解混凝土開裂的原因，掌握其開展過程，將有助于采取相應(yīng)措施把裂縫寬度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

1 混凝土裂縫類型及產(chǎn)生成因

混凝土是一種復(fù)雜非均質(zhì)多相復(fù)合材料，在其微觀結(jié)構(gòu)相組成間主要結(jié)合力是范德華力，因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫[2]?；炷两Y(jié)構(gòu)開裂成因繁多且復(fù)雜。據(jù)研究[3]，裂縫的類型主要分為兩大類：結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫。

外部荷載引起的裂縫，叫做結(jié)構(gòu)性裂縫。混凝土自身應(yīng)力引起的裂縫，叫做非結(jié)構(gòu)性裂縫。調(diào)查資料[4]表明，建筑結(jié)構(gòu)中只有 20%的裂縫源于荷載，而另外80%的裂縫卻是由于溫度、收縮、不均勻等變形變化引起的。對(duì)裂縫原因和類型進(jìn)行分析，可對(duì)其修復(fù)和危害性評(píng)定提供依據(jù)，確定裂縫修補(bǔ)加固方案，可有效地避免突發(fā)性事件發(fā)生。

1.1 結(jié)構(gòu)性裂縫(受力裂縫)

結(jié)構(gòu)性裂縫，其分布和寬度與外荷載有關(guān)。包括由外荷載作用下結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫和外荷載直接應(yīng)力引起的裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫一旦產(chǎn)生，就標(biāo)志結(jié)構(gòu)承載力可能不足或有嚴(yán)重問題，也可能是由設(shè)計(jì)缺陷或施工方法不當(dāng)引起的。

直接應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生的原因有：①在設(shè)計(jì)階段，計(jì)算模型不合理；②在施工階段，不加考慮堆放機(jī)具、材料；③在使用階段，超出了設(shè)計(jì)使用載荷。

次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。產(chǎn)生的原因有：①在設(shè)計(jì)外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)與理論計(jì)算有偏差或計(jì)算時(shí)未考慮到，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生；②結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞等，在理論計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力筋。如果處理不當(dāng)，在構(gòu)件形狀突變處、轉(zhuǎn)角處或受力筋截?cái)嗵幰踩菀组_裂[3]。結(jié)構(gòu)受力形式不同，裂縫特征也不同，如有：彎曲裂縫、拼接裂縫、剪切裂縫、局部承壓縫、差動(dòng)裂縫。

1.2 非結(jié)構(gòu)性裂縫

由變形引起的裂縫，叫做非結(jié)構(gòu)性裂縫，主要有收縮裂縫、溫度裂縫、鋼筋銹蝕裂縫等幾類[3]，下面分別進(jìn)行介紹。

1.2.1 收縮裂縫

混凝土凝固過程中，體積縮小，稱為凝縮；另外，混凝土中多余水分蒸發(fā)，使體積縮小，稱為干縮。凝縮與干縮合稱為收縮。收縮過程主要是干縮 ，約占總收縮量的 85%，混凝土成形時(shí)，其干燥過程是由外到內(nèi)的，由于截面上存在溫度差，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，當(dāng)表面收縮受到約束時(shí)，混凝土中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)所受拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫。收縮裂縫常常是因?yàn)樵缙陴B(yǎng)護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的。

在實(shí)際工程中，最常見的是收縮裂縫。在混凝土收縮種類中，體積變形的主要原因是縮水收縮和塑性收縮，另外還有碳化收縮和自生收縮。碳化收縮裂縫是碳化作用所產(chǎn)生的游離態(tài)水蒸發(fā)，引起的漿體收縮所致。碳化作用是指大氣中的二氧化碳和水與水化產(chǎn)物作用生成鋁膠、硅膠、碳酸鈣和游離水，這部分水蒸發(fā)引起混凝土體積收縮，其實(shí)質(zhì)是碳酸對(duì)水泥石的腐蝕。自生收縮裂縫是由于水泥熟料在水化反應(yīng)過程中，反應(yīng)后的生成物平均密度變小而引起體系體積收縮所致，與外界濕度變化無(wú)關(guān)。所以，水泥水化產(chǎn)物中化學(xué)結(jié)合水量的多少?zèng)Q定了自生收縮量的大小。

1.2.2 溫度裂縫

當(dāng)溫度變化時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)將發(fā)生變形，如果變形受到了約束，就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土即會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫最典型的特征是可隨溫度的改變而擴(kuò)張或合攏。溫度裂縫按結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、溫度變形及溫度應(yīng)力的不同，可分為三種類型：①截面上下溫差裂縫；②截面內(nèi)外溫差裂縫；③截面均勻溫差裂縫。

1.2.3 鋼筋銹蝕裂縫

混凝土質(zhì)量差或者保護(hù)層厚度不足，都會(huì)導(dǎo)致 CO2侵蝕碳化到鋼筋表面，使其周圍混凝土堿度減小或氯離子含量增多，最終導(dǎo)致鋼筋表面氧化膜破壞，此后，進(jìn)入的氧氣和水與鋼筋發(fā)生銹蝕反應(yīng)，使鋼筋周圍混凝土膨脹，導(dǎo)致保護(hù)層開裂或剝落，從而使得混凝土與鋼筋之間的握裹力削弱，承載力下降，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

1.3 其它分類方法

1.3.1 按裂縫產(chǎn)生的時(shí)間劃分

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，有：①施工期間出現(xiàn)的裂縫，有塑性收縮裂縫、干燥收縮裂縫、沉降收縮裂縫、溫度裂縫、自身收縮裂縫、早期凍脹作用裂縫、施工操作不當(dāng)裂縫以及不規(guī)則裂縫等。②使用期間出現(xiàn)的裂縫，有鋼筋銹蝕膨脹裂縫、凍融循環(huán)裂縫、堿骨料反應(yīng)裂縫、鹽堿類介質(zhì)及酸性侵蝕氣液的裂縫以及循環(huán)動(dòng)荷載作用下?lián)p傷累積裂縫等。

1.3.2 按裂縫的形狀劃分

裂縫按形狀可分為：①橫向裂縫，主要由溫差、荷載等引起；②縱向裂縫，主要由鋼筋的銹蝕引起；③剪切裂縫，主要由震動(dòng)位移或豎向荷載引起；④斜向裂縫、“八”字裂縫，主要由地基不均勻沉降引起； ⑤“X”形裂縫，主要由地震作用或瞬間撞擊作用引起；⑥各種不規(guī)則裂縫。

2 混凝土裂縫的維護(hù)

針對(duì)裂縫國(guó)內(nèi)外一般都采用3類修補(bǔ)材料：①無(wú)極修補(bǔ)材料，主要用來(lái)修補(bǔ)用普通水泥或特種水泥配置的水泥基材料；②有機(jī)材料和無(wú)機(jī)復(fù)合材料；③有機(jī)高分子材料，如環(huán)氧樹脂等。

具體處理方法[5]有：①表面處理法：又稱表面封閉法，是使用無(wú)機(jī)膠凝材料,合成樹脂材料及防水材料，涂抹在表面上的裂紋，以恢復(fù)其耐水性和耐久性的一種常見的裂紋修復(fù)方法。這個(gè)方法操作簡(jiǎn)單，但涂料不能深入到裂縫深部。適用于修補(bǔ)寬度不大于0.2mm的微細(xì)裂縫?；谘娱L(zhǎng)耐久性，應(yīng)選擇較高的結(jié)合強(qiáng)度和抗老化性能較好的合成樹脂或無(wú)機(jī)膠凝材料；基于防滲目的的裂縫修復(fù)，應(yīng)選擇極限延伸率較大的彈性材料。②灌漿法：是為使結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性和耐水性得到恢復(fù)，并在一定時(shí)間內(nèi)，給以防水劑或膠粘劑一定壓力，將其灌注到裂縫深部，達(dá)成修復(fù)裂縫目的。這種方法適用于縫深較深、裂縫寬度不小于0.3mm的裂縫修補(bǔ)。灌漿材料的選擇根據(jù)不同的修復(fù)目的而有區(qū)別，當(dāng)裂縫修補(bǔ)更加注重防水時(shí)，建議采用水溶性聚氨醋、改性丙烯酸醋等抗?jié)B性好和延伸率大的材料，活動(dòng)性裂縫除填充彈性材料外還需在表面粘貼纖維布。比較看重耐久性和承載力時(shí)，應(yīng)選用丙烯酸甲醋、聚氨醋等粘結(jié)力強(qiáng)、強(qiáng)度高的材料；對(duì)某一寬度的裂縫也可通過水泥漿進(jìn)行修補(bǔ)。③填充密封法：沿裂縫走向鑿出寬b≥15mm、深d≥20mm的“U”形溝槽，用彈性填縫材料，并在外面用纖維復(fù)合材料封閉填縫表面；這個(gè)方法適宜用于處理W＞O.5mm的裂縫。待填充完畢后，在其外表面做好防護(hù)層。

3 結(jié)論與展望

近來(lái)有很多科學(xué)家專注于裂縫的維護(hù)修復(fù)，如生物沉積自修復(fù)混凝土裂縫的方法，利用細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣晶體在混凝土表層沉積的晶相、微觀形貌及生物沉積對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)：混凝土的裂縫被生物沉積修復(fù)以后，抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著縫深增加而增大，最大增加了15.3%；梁試件跨中極限荷載隨裂縫深度增加而減小，極限荷載最大增加了8.5%，淺層裂縫恢復(fù)效果較深層裂縫明顯。

前文描述的是一些混凝土裂縫的成因和人工修復(fù)及維護(hù)，但針對(duì)裂縫問題，專家提出了材料損傷自診斷和自我修復(fù)概念。創(chuàng)造一個(gè)自我修復(fù)的材料，并延長(zhǎng)其生命的想法。研究開發(fā)新型混凝土自修復(fù)技術(shù)、找到適應(yīng)混凝土特性的修復(fù)材料，可以主動(dòng)、自動(dòng)對(duì)部位進(jìn)行損傷修復(fù)并改善混凝土性能已成為混凝土結(jié)構(gòu)和功能一體化的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]賈君玉.混凝土裂縫擴(kuò)展仿真系統(tǒng)研究[D].大連理工大學(xué),2012.

[2]廉慧珍.混凝土施工中裂縫的控制[A].混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工論文集[C].:2004:10.

[3]黃貽鳳.橋梁混凝土開裂理論及數(shù)值分析[D].武漢理工大學(xué),2005.

[4]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制,中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[5]盛紅,徐建雄,李建波.鋼-混凝土組合板混凝土早期裂縫對(duì)策[J]. 建筑結(jié)構(gòu),2008,08:138-139.

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1007-6344（2016）07-0262-01

梁少陽(yáng)（1992年—），男，河北邢臺(tái)人，寧夏大學(xué)、碩士研究生、主要研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)，寧夏大學(xué)，寧夏 銀川，750021