混凝土裂縫修補及監(jiān)測技術研究進展

摘要：受各種因素影響，混凝土在使用過程中容易出現各種類型的裂縫，如果裂縫不及時修補，將對混凝土強度及耐久性產生影響，進而威脅工程的安全性和可靠性。近年來，混凝土裂縫修補材料、技術、監(jiān)測等方面得到較快發(fā)展，并在工程中得到較好應用。對裂縫修補材料、技術、監(jiān)測等方面進行總結歸納，分析其工作原理、應用條件、優(yōu)缺點以及應用案例，為混凝土裂縫修補及監(jiān)測技術的研究提供參考。

關鍵詞：混凝土;裂縫修補;裂縫監(jiān)測;灌漿材料;自修復

混凝土具有價格低廉、就地取材、性能優(yōu)異等優(yōu)勢，在基礎建設中發(fā)揮著重要作用［1］。然而，因為混凝土對拉力的承受能力較弱，使用時很容易出現多種形式的裂痕。有很多因素可能導致混凝土裂痕，如混凝土原材料質量不過關，使得混凝土結構的強度低于設計標準，導致其穩(wěn)定性下降，引發(fā)結構性裂痕。在混凝土施工方面，由于環(huán)境溫差變化大、混凝土內外溫差大以及養(yǎng)護不及時等原因，都會導致混凝土收縮裂縫的出現。在混凝土荷載方面，荷載過大、不均勻沉降、鋼筋和混凝土膨脹特性差異等情況，也會導致混凝土產生裂縫［2］。如果混凝土裂縫不及時修補，會使水分、氯離子、硫酸根離子侵蝕物質進入混凝土內部，對混凝土耐久性產生影響［3］。裂縫對混凝土的危害主要表現在安全性和耐久性兩個方面。裂痕會誘發(fā)鋼筋生銹，對混凝土形成拉力，進一步導致鋼筋防護層產生裂痕。同時，裂縫可加速混凝土炭化，造成混凝土結構破壞。裂縫還會降低結構抗?jié)B性，降低混凝土的抗凍性能。

近年來，隨著科學技術的發(fā)展，混凝土裂縫修補材料、技術、監(jiān)測等方面也得到較快發(fā)展，并在工程中得到良好應用。本文將從裂縫修補材料、技術、監(jiān)測等方面，對其進行總結歸納，分析其工作原理、應用條件、優(yōu)缺點以及應用案例，為混凝土裂縫修補及監(jiān)測技術的研究提供參考。

1裂縫類型

根據混凝土所承受的力的不同，混凝土裂縫分為結構性裂縫和非結構性裂縫［3］。結構性裂縫主要分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭轉裂縫和拼接裂縫。非結構性裂縫主要分為收縮裂縫、溫度變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫和凍脹裂縫。

2裂縫修補材料

水工混凝土缺陷處理與防護技術的研究比建筑行業(yè)開展得晚，但近年來發(fā)展速度很快，其技術也日漸成熟。在修補材料的研究方面，最早的混凝土裂縫修補材料主要應用于建筑和路橋行業(yè)，隨著水利行業(yè)的不斷發(fā)展，尤其大體積混凝土在水工建筑物上的使用，國內外學者開始研究適合水工混凝土使用環(huán)境特點的缺陷修補材料，以滿足水利工程需要。

2.1表面封閉修補材料

對于寬度不超過0.2 mm的裂縫，處理方案應使用水泥基的滲透結晶型防水材料;裂縫寬度如果在0.2～0.4 mm內，則應以水泥基的柔性防水材料進行表面處理;若裂縫寬度大于或等于0.4 mm，那么水泥基的柔性防水材料或聚硫密封膠［4］都可以作為填充材料。

2.2內部灌漿修補材料

有機類型、無機類型以及有機無機復合類型是混凝土裂縫灌漿材料的主要分類。有機類裂縫灌漿材料可分為環(huán)氧樹脂基、聚氨酯樹脂基、甲基丙烯酸甲酯基、有機硅樹脂基、復合樹脂基等幾種。這種類型的裂縫充填物具有高粘結力，并且灌注容易。在空氣中硬化的時間短，還具有強大的防水能力，抗?jié)B透和防潮能力強，耐腐蝕，并可用于混凝土結構的強化、裂縫的修復和防止?jié)B漏。不足之處在于作為有機材質，與混凝土和水泥部件的熱膨脹系數存在很大的差異，固化后的樹脂易發(fā)生變形，容易產生二次裂縫。對施工環(huán)境和施工面的要求相對較高，樹脂類材料的制造和使用可能對環(huán)境造成污染，并對工作人員的健康存在風險。

水泥通常被選作無機質填充裂縫的原材料，但在進行固化過程中體積會縮小，可能導致細線般的裂縫留在原處。又因為水泥是粒狀的，所以無法滲透到極細的裂縫內，只能在裂縫寬度達到或超過2 mm的地方使用。一般而言，水泥漿液的初始水和水泥的比例在1∶1～3∶1，過于稀薄的水泥漿液在干燥后會引發(fā)更大的裂縫。為了提升水泥漿液的灌漿性和耐久度，同時避開固化后的收縮問題，可以通過減小水泥的粒度使其能夠填補更微小的裂縫，并阻止灌漿后的體積收縮，還能借此改善其力學特性。

有機無機復合型裂縫注塑材料繼承了無機材料的高強度、低成本和良好灌注性等優(yōu)勢，同時也擁有有機材料的快速固化、水下不散亂，以及凝固初期良好塑性的優(yōu)點。因此，有機無機復合類材料已成為裂縫灌漿材料研究的熱點，現今應用范圍也越來越廣泛。

3裂縫修補技術

3.1傳統(tǒng)裂縫修補技術

傳統(tǒng)的裂縫修補方法主要有填充法、涂膜封閉法、灌漿嵌縫封堵法、混凝土置換法、電化學防護法、結構補強法等，其中灌漿嵌縫封堵法又可分為壓力注漿法、開槽填補法和涂膜封閉法3種［58］。

涂膜封閉法非常適合修補最大0.2 mm的微小裂縫，同時也具備對混凝土外部表面的裝飾和防水處理能力，此外還能防止混凝土保護層發(fā)生炭化和防止有害離子腐蝕混凝土。而寬度介于0.2～0.3 mm的裂縫，一般會通過灌漿填縫封堵的方式來進行補償。當裂縫過大，灌漿嵌縫封堵法無法修補時，可以將混凝土構件重新澆筑，并在構件的周圍使用鋼筋進行加固。

3.2裂縫自修復技術

自愈合混凝土是指在水泥基體中預先埋入特殊組分，當混凝土結構產生損傷裂縫時，基體內的愈合劑在物理或化學作用下得以釋放，封堵裂縫，限制其進一步擴展，達到愈合的目的?；炷两Y構的自修復，從機制上來說分為3種：自然修復、自動修復、自主修復［910］。其中自然修復取決于混凝土材料本身，自動修復和自主修復則由各種添加劑或不同外部影響來實現。其中自主修復方法通常有：膠囊自修復、形狀記憶合金自修復、纖維混凝土自修復、生物自修復。

自然修復常用的方法是在混凝土中加入修復劑，自動修復混凝土出現的損傷、阻止裂縫的發(fā)展，修復裂縫可大幅節(jié)約在結構維護上的花費，提高結構的安全性。

膠囊自修復是將修復劑封存于膠囊之中，然后在混凝土中加入固化劑，當混凝土受力出現裂縫的同時，裝有修復劑的膠囊隨之破裂，接觸固化劑，所產生的物質填堵裂縫，從而達到修復裂縫的目的。

4裂縫監(jiān)測技術

4.1柔性導電涂料

對于采用彈性導電涂料的混凝土裂縫監(jiān)測技術，其工作原理是在混凝土表面涂覆飽含大量導電粒子的彈性膠質材料。當混凝土裂縫產生并逐漸擴展時，裂縫影響區(qū)的導電粒子間距也相應增大，導致涂料中的電阻值明顯增大或突變。

4.2長標距光纖光柵

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器是橋梁健康檢測經常運用的光纖靈敏器材，其主要的運行機制是利用光源發(fā)出的光波沿著傳輸路線進入FBG傳感器，隨后在壓力和氣溫的影響下對光波作出調整，并通過反射將帶有壓力、氣溫信息的光波引入接收通道，最后被探測器接收并解析出結果。通過運用長波長光柵監(jiān)測混凝土裂縫的技術，不僅可以實現大規(guī)模的監(jiān)測，還可以利用錨定端剛度變化保護和防止紫外線照射刻線衰退等措施，大幅提升了其長期穩(wěn)定性，理論上其使用壽命能夠超過20年。

4.3機器視覺自動化

采用機器視覺實現自動化檢測，是利用可見光、紅外線、激光、聲吶等各種成像技術來獲得橋梁結構的外觀圖像（這種能力超過人類視覺，并且擁有更多的成像頻段和種類），接著運用人工智能或者自動識別算法在圖像中尋找是否有結構裂縫、銹蝕、蜂窩、麻面等問題。一旦找到這些問題，就會對裂縫的位置和寬度等進行量化測量。

5結論

通過對裂縫修補材料、技術、監(jiān)測等進行總結歸納，分析其工作原理、應用條件、優(yōu)缺點以及應用案例。主要結論如下：

（1） 根據受力狀態(tài)，混凝土裂縫分為結構性裂縫和非結構性裂縫。結構性裂縫主要分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭轉裂縫和拼接裂縫。非結構性裂縫主要分為收縮裂縫、溫度變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫和凍脹裂縫。

（2） 裂縫修補材料主要分為表面封閉修補材料和內部灌漿修補材料。表面封閉修補材料的選用根據裂縫寬度而有所不同。內部灌漿修補材料主要分為有機類、無機類和有機無機復合類三種。

（3） 在裂縫修補傳統(tǒng)技術的基礎上，又出現一些新技術，如裂縫自修復技術，該技術根據其自修復原理不同，可分為自然修復、自動修復以及自主修復三種。

（4） 在裂縫監(jiān)測傳統(tǒng)方法的基礎上，又出現一些新的監(jiān)測技術，如基于柔性導電涂料的裂縫監(jiān)測技術、基于長標距光纖光柵的裂縫監(jiān)測技術以及基于機器視覺的自動化裂縫監(jiān)測技術。

參考文獻：

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作者簡介：王進軍，男，寧夏銀川人，高級工程師，本科，研究方向：水利水電工程建設管理。

通信作者：李祿祿，男，河南鄭州人，工程師，碩士，研究方向：水利工程檢驗檢測。