淺談鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫形態(tài)及修補(bǔ)措施

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淺談鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫形態(tài)及修補(bǔ)措施

  
    摘  要：分析了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因及形態(tài)，探討了混凝土裂縫的修補(bǔ)方法，并對(duì)幾種修補(bǔ)方法進(jìn)行了比較，以解決鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題，從而提高混凝土工程的耐久性。    關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土，裂縫形態(tài)分析，修補(bǔ)方法
    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由鋼筋與混凝土兩種性質(zhì)不同的材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，是一種耐久性比較好的材料，被廣泛應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例中。但它在長(zhǎng)期的使用過程中，功能將逐漸減退，直至最終達(dá)到破壞，這是一個(gè)不可逆的過程，實(shí)際上也就是耐久性的問題。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)功能日趨復(fù)雜，商品混凝土的增加和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的幾率大大增加，這些裂縫的出現(xiàn)，不僅影響了混凝土表面的觀感質(zhì)量，更嚴(yán)重的是造成了結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的提前銹蝕，降低了混凝土的抗?jié)B性，影響了結(jié)構(gòu)的正常使用及耐久性能，認(rèn)真分析這些裂縫的原因，采取針對(duì)性的措施，對(duì)提高混凝土工程的耐久性有著重要意義。一、裂縫原因分析    致使建筑物裂縫的因素很多，宏觀上可分為原材料質(zhì)量低劣或選用不當(dāng)，施工質(zhì)量不合格，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，使用不當(dāng)或環(huán)境的不良影響等四個(gè)方面。    原材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫影響最大的是水泥品種及質(zhì)量，單就裂縫而言，硅酸鹽水泥及普通硅酸鹽水泥水化熱較高，大體量現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)易于裂縫；火山灰水泥及快硬水泥干縮性大，大面積混凝土結(jié)構(gòu)易于裂縫；礦渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥抗凍性較差，干濕交替工程易于裂縫。礦渣水泥易發(fā)生沉縮和泌水現(xiàn)象。水泥含量越高，混凝土收縮越大，產(chǎn)生裂縫的可能性就越大。砂石含泥量過大，存在反應(yīng)性骨料，外加劑不當(dāng)或過量等，均容易造成混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。    施工質(zhì)量不合格對(duì)建筑物裂縫形成最為直接，分混凝土、鋼筋及模板三方面?；炷练矫?，如混凝土配合比不當(dāng)或泵送時(shí)改變了配合比，混凝土摻合料拌合不勻，混凝土攪拌時(shí)間不夠或過長(zhǎng)，混凝土澆筑順序或接打處理不當(dāng)，混凝土振搗不充分，混凝土硬化前受震動(dòng)或受力，混凝土養(yǎng)護(hù)不及時(shí)或不充分或受凍。混凝土強(qiáng)度過低會(huì)直接降低結(jié)構(gòu)的抗裂性。鋼筋方面，如混凝土在結(jié)硬期鋼筋被擾動(dòng)，鋼筋保護(hù)層過小。模板方面，如模板變形，模板支撐下沉，模板漏漿，過早拆模。    設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的結(jié)構(gòu)裂縫，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)方案及布置不合理，結(jié)構(gòu)計(jì)算錯(cuò)誤，結(jié)構(gòu)抗裂性過低，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造不合理等方面。內(nèi)力分析常見的錯(cuò)誤是，計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際不符，荷載取值偏小或漏項(xiàng)，未考慮溫度收縮應(yīng)力及地基差異沉降所產(chǎn)生的內(nèi)力；承載力計(jì)算常見的錯(cuò)誤是，安全度取值偏低，配筋量不足，只算抗彎，不計(jì)算抗剪、抗扭；結(jié)構(gòu)抗裂驗(yàn)算常易被忽視，尤其是手算；結(jié)構(gòu)構(gòu)造不合理，主要是伸縮縫及施工縫設(shè)置不當(dāng)，配筋不合理，只配受力鋼筋，忽略構(gòu)造鋼筋的作用和配置，如簡(jiǎn)支梁板入墻不配負(fù)筋，現(xiàn)澆連續(xù)板只配受力鋼筋，不設(shè)收縮溫度筋，高梁不設(shè)腰筋等。    使用不當(dāng)及環(huán)境的不良影響，多表現(xiàn)為荷載超過設(shè)計(jì)規(guī)定，周圍存在酸、鹽及氯化物等有害介質(zhì)作用，環(huán)境溫、濕度急劇變化，構(gòu)件各部位溫、濕度差過大，表面受熱過度或火災(zāi)，建筑物處于反復(fù)凍融和干濕交替狀態(tài)等。二、裂縫形態(tài)分析    1．荷載裂縫    荷載裂縫又稱受力裂縫，是外荷載作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫。如圖1～7所示，這種裂縫規(guī)律性極強(qiáng)，一般通過計(jì)算分析可以得出確切的結(jié)論。典型的簡(jiǎn)支梁受力裂縫應(yīng)如圖1，跨中為正截面受彎裂縫，垂直于梁軸，下大上??；端部為斜截面受剪裂縫，起始于支座，指向梁頂集中荷載。鋼混凝土柱在軸心受壓荷載下的裂縫如圖2，裂縫沿柱軸縱向分布，中間稍密。大偏心受壓柱裂縫如圖3，裂縫集中在最大彎矩部位，受拉面裂縫為水平走向，外大內(nèi)小，垂直于柱軸；臨近極限狀態(tài)，受壓面混凝土有壓碎現(xiàn)象。牛腿受力裂縫如圖4，受剪裂縫起始于集中荷載作用點(diǎn)，斜向牛腿外斜面與下柱面交匯點(diǎn)延伸；受彎裂縫起始于牛腿支承面與上柱面交匯點(diǎn)，斜向柱內(nèi)延伸。框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆樓蓋裂縫如圖5，板面裂縫成環(huán)狀，沿框架梁邊分布；板底裂縫成十字或米字，集中于跨中。預(yù)應(yīng)力大型屋面板張拉裂縫如圖6，裂縫分布于板面，垂直于長(zhǎng)軸，由板面向下延伸；有的縱肋預(yù)應(yīng)力筋端部還存在局壓裂縫。轉(zhuǎn)角陽臺(tái)或挑檐板裂縫如圖7所示，位于板面，起始于墻板交界，以角點(diǎn)為中心成米字形向外延伸。
    2．溫度收縮裂縫    溫度收縮裂縫是建筑物最常見的一種裂縫，主要是由于結(jié)構(gòu)溫度變形及材料收縮變形受阻及應(yīng)力超標(biāo)所致。據(jù)調(diào)查，收縮裂縫與原材料品質(zhì)、施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)類型較為密切，一般，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)或超靜定結(jié)構(gòu)較裝配式結(jié)構(gòu)或靜定結(jié)構(gòu)收縮裂縫多；平面尺寸大、施工質(zhì)量差的房屋收縮裂縫相對(duì)較多。如圖8，典型的現(xiàn)澆樓板收縮裂縫主要集中于房屋中部，沿樓層方向沒有明顯差異，裂縫形態(tài)為棗核狀，中間粗兩端細(xì)，絕大部分止于梁、墻邊。
    3．碳化銹蝕裂縫    我國(guó)《鋼鐵工業(yè)建(構(gòu))筑物可靠性鑒定規(guī)程》關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性給定了評(píng)估方法，該方法主要建立在混凝土碳化及鋼筋銹蝕的基礎(chǔ)上，認(rèn)為混凝土碳化到鋼筋部位，鋼筋失去了混凝土鈍化膜保護(hù)，會(huì)逐漸生銹，鋼筋生銹后體積膨脹，會(huì)引起混凝土沿鋼筋開裂；混凝土裂縫的開展，反過來又促使鋼筋更快銹蝕，尤其是當(dāng)環(huán)境濕度較大，周圍存在有害介質(zhì)時(shí)，這種惡性循環(huán)速度顯著加快。因此，碳化銹蝕裂縫，必須給予高度重視。如圖9，碳化銹蝕裂縫的特征是，裂縫沿鋼筋分布，系由膨脹鐵銹向外將混凝土脹開，裂縫周圍混凝土發(fā)酥，高出原有混凝土表面，并附著有褐色銹漬滲出物。
    4．反復(fù)凍融產(chǎn)生的裂縫    驗(yàn)研究表明，長(zhǎng)期與水接觸的混凝土，當(dāng)溫度為-4～-20℃時(shí)，表現(xiàn)為“冷脹熱縮”。寒冷地區(qū)的外露混凝土結(jié)構(gòu)，年復(fù)一年地遭受雨雪浸蝕，長(zhǎng)期處于干濕交替、反復(fù)凍融的狀態(tài)下，當(dāng)混凝土密實(shí)度較差、空隙率較大時(shí)，容易產(chǎn)生如圖10所示的凍脹裂縫，造成結(jié)構(gòu)表面混凝土酥松、剝落，引起鋼筋銹蝕。
    5．沉縮裂縫    混凝土在硬化過程中，因塑性下沉所產(chǎn)生的裂縫稱為沉縮裂縫，或塑性收縮裂縫。沉縮裂縫一般在混凝土澆筑后1～3小時(shí)發(fā)生，主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)變截面處、梁板交接處、梁柱交接處及順鋼筋部位，如圖11所示。沉縮裂縫形態(tài)與收縮裂縫相似，為水平分布，呈兩端細(xì)中間粗的棗核狀。引起混凝土沉縮的主要原因是水灰比及混凝土流動(dòng)性過大，致使混凝土產(chǎn)生泌水下沉；或水分蒸發(fā)過快，使混凝土結(jié)硬時(shí)下沉加大；或振搗不充分，混凝土未沉實(shí)或沉實(shí)不均勻。沉縮變形比收縮變形大數(shù)十倍。沉縮裂縫一般可通過初凝前的二次抹面-收水壓實(shí)處理克服。
    6．其它    混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后產(chǎn)生的裂縫如圖12，模板變形產(chǎn)生的裂縫如圖13，支撐下沉產(chǎn)生的裂縫如圖14，澆筑過快或高度過高混凝土下沉產(chǎn)生的裂縫如圖15，堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的梁柱軸向裂縫及墻面網(wǎng)狀裂縫如圖16，摻合料不均勻產(chǎn)生的局部膨脹收縮裂縫如圖17，拌合或運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂縫如圖18，振搗不充分產(chǎn)生的局部裂縫如圖19。
三、混凝土裂縫的幾種修補(bǔ)措施    1  修補(bǔ)方法    1.1  鋼絲網(wǎng)水泥修補(bǔ)法    用噴砂法把混凝土表面打毛，然后壓縮空氣除去松散的材料和塵土。在混凝土表面抹一層水泥素漿后，再抹一層1∶2 水泥砂漿(厚約5 mm)，2 h 后用水泥鋼釘把一層鋼絲網(wǎng)固定在混凝土表面。抹第二層水泥砂漿，壓實(shí)蓋住鋼絲網(wǎng)即可。    1.2  環(huán)氧樹脂注射法    對(duì)寬度大于0.3mm的較大裂縫用環(huán)氧樹脂修補(bǔ)。先用壓縮空氣噴射法將裂縫處的污垢和松散材料清除掉，每條裂縫周邊用快凝環(huán)氧樹脂凝結(jié)劑封住，并在裂縫端頭裝上噴嘴，等粘結(jié)劑養(yǎng)護(hù)好后，即向縫中注入結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂。注射過程中上部噴嘴作為排出空氣的通道。    1.3  鋼板粘結(jié)法    用手錘或用噴砂法把混凝土表面打毛，再用壓縮空氣將松散材料和灰塵清除掉。將準(zhǔn)備好的鋼板用鹽酸除去其表面的污垢和銹跡，然后用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑把鋼板粘結(jié)在混凝土的受拉表面上。養(yǎng)護(hù)期間，在鋼上施加均勻的壓力，以保證鋼板和混凝土的粘結(jié)。    1.4  環(huán)氧樹脂注射和鋼絲網(wǎng)水泥組合法混凝土中較大的裂縫先用環(huán)氧樹脂注射，然后用鋼絲網(wǎng)水泥修補(bǔ)法將混凝土構(gòu)件包住。    2  幾種修補(bǔ)方法的比較    2.1  裂縫荷載    用鋼絲網(wǎng)水泥修補(bǔ)的混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫荷載提高很少。用環(huán)氧樹脂注射法修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)裂縫荷載沒有提高。用鋼板粘結(jié)法修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)沒有裂縫荷載。先用環(huán)氧樹脂注射，然后用鋼絲網(wǎng)水泥修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，可使裂縫荷載提高1倍以上，這是由于注射環(huán)氧樹脂恢復(fù)了結(jié)構(gòu)的剛度，鋼絲網(wǎng)水泥層提高了結(jié)構(gòu)的慣性矩。    2.2  延性    用鋼絲網(wǎng)水泥修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，其延性隨損壞程度的增大而降低。用環(huán)氧樹脂修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，其延性減小最少。用鋼板粘結(jié)法修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，其延性減小最多，修補(bǔ)區(qū)段已轉(zhuǎn)變成脆性。而用組合法修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，其延性實(shí)際是提高了，但在持續(xù)破壞程度嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)，其延性略有減小。    2.3  裂縫性能    用組合法修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗裂性，與用其他方法修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)相比較，前者裂縫較細(xì)，數(shù)量也較多。同樣，用鋼絲網(wǎng)水泥修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，在極限時(shí)裂縫數(shù)量較多，比修補(bǔ)前的裂縫更細(xì)。用環(huán)氧樹脂注射修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，在破壞時(shí)裂縫的最大寬度和裂縫發(fā)生的數(shù)量與原梁性能相似。四、結(jié)語    近幾十年乃至今后很長(zhǎng)一段時(shí)間，鋼筋混凝土在建筑行業(yè)還將處于主導(dǎo)地位，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是影響混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的重要因素。如何控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是一門邊緣科學(xué)，也是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須綜合考慮設(shè)計(jì)、材料、施工、使用及外界環(huán)境條件。文中主要從鋼筋混凝土開裂的形態(tài)進(jìn)行了分析，以及混凝土裂縫的幾種修補(bǔ)措施。