水工混凝土结构裂缝预防与修补技术综述

王胜群 孔令华

裂缝是水工混凝土浇筑物中最常见的一种病害,没有发生裂缝的混凝土建筑物很少见,并且混凝土裂缝通常是许多种因素共同作用的结果。裂缝对水工建筑物造成的危害程度不一,严重的裂缝不仅危害建筑物的整体性和稳定性,而且还会产生大量的漏水,使闸坝及其他水工建筑物的安全运行受到严重威胁。另外,裂缝会引起其他病害的发生与发展,如渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻融破坏及钢筋锈蚀等等。这些病害与裂缝形成恶性循环,会对水工混凝土建筑物的耐久性产生很大的危害。

1 裂缝的成因及类型[1,2]

1.1 裂缝的成因

水工混凝土体积庞大,受自身和周围介质的影响,在湿度、温度变化和周边基础约束的作用下,会产生很大的约束应力,容易产生裂缝。但是引起裂缝的原因是非常复杂的,客观诱发因素很多。一般来说,裂缝成因主要有以下几个方面:1)施工材料不合格,混凝土原材料砂、石、含泥量超标;级配较差;水泥安定性存在问题,引起混凝土开裂并且严重影响其强度。2)施工质量存在问题。在施工过程中,养护时间不足、脱模过早。需回填土的结构未能及时回填、酷热时施工表面水分蒸发过快、水泥用量过大、大体积混凝土浇筑未采用缓慢降温等原因造成混凝土裂缝。3)温差。水工建筑物混凝土体积大,浇筑过程中产生温度裂缝的主要原因是内外温差。4)基础不均匀沉降。解决方法有控制施工顺序、减轻结构自重、结构形式合理等。单纯提高结构刚度来减小不均匀沉降,其结果是结构自重增大,柔韧性变小,适应不均匀沉降能力随之减弱。在工程实践中,避免不均匀沉降应采取整体刚性抵抗变形,分缝和增强刚柔性来适应变形。5)结构设计不合理。有些早期兴建的工程,由于当时设计理论的局限,存在结构形式和尺寸拟定不合理、空间各向刚度分配不协调等问题。另外一些结构设计上的疏忽也可能造成裂缝。6)钢筋锈蚀以及混凝土化学成分不协调造成的碱活性骨料反应等,易形成裂缝。7)建筑物接口处处理不当。8)管理、运用不善。9)地震。

1.2 裂缝的类型

当混凝土结构由于温度的变化、地基的不均匀沉降及其他原因引起的应力和变形超过了混凝土的强度和抵抗变形的能力时将产生裂缝,裂缝按其产生的原因不同,可分为五类:1)沉陷裂缝。由地基的不均匀沉降引起,属于贯穿性裂缝,缝宽受温度变化影响较小,往往引起错距。2)干缩裂缝。由混凝土干缩引起,属于表面性裂缝,走向纵横交错,无一定规律,形似龟纹,裂缝的宽度和长度都很小,如同发丝。3)温度裂缝。由混凝土固结时的水化作用或外界温度变化引起,裂缝可以是表层的、深层的或贯穿的。表层裂缝无一定走向,深层或贯穿性裂缝一般与主钢筋方向平行或大致平行,沿裂缝方向无多大变化。裂缝受温度变化影响,有较明显的热胀冷缩现象。4)应力裂缝。由应力过大引起,常属于深层或贯穿性裂缝。走向与主钢筋方向垂直或大致垂直,缝宽沿长度方向和深度方向变化较大。受温度变化影响较小。5)施工裂缝。由于施工缝位置不当或处理不完善引起,裂缝属于深层或贯穿性的,走向与工作缝面一致。竖直施工缝开裂较大,一般大于0.5 mm,水平施工缝开裂较小。

2 裂缝的预控措施[3-6]

2.1 合理设计混凝土结构尺寸

大量统计表明,其他条件相同时,当混凝土结构或构件尺寸小于10 m时,很少出现裂缝;当结构最大尺寸介于15 m～18 m之间时,一般在长边中部出现一条裂缝;20 m～25 m时,通常出现两条裂缝,分别位于三分点上。也就是说,在一定范围内,随着结构尺寸的增加,出现裂缝的几率大幅度增加。

2.2 控制原材料

为了最大限度的控制混凝土的最高温度,应尽可能选择发热量低的中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥。同时,在满足混凝土各项设计指标的条件下,尽量采用加大骨料粒径、改善骨料配合比等措施来减小胶凝材料的用量,从而减小水化热引起的混凝土的温升。还应该严格控制砂石骨料的泥块含量、含泥量以及针片状石子的含量,以提高混凝土的抗裂能力。

2.3 控制施工措施

施工过程中,需要注意以下几点:

尽可能的降低混凝土的入模温度。在炎热的夏季处于高温地区浇混凝土时,首先应将混凝土的骨料、砂和拌合水进行降温处理。砂、石料场搭设防晒棚,采用冰水拌和混凝土,使拌和后的混凝土入模温度降低。保证施工质量进行严格的温度控制。混凝土的浇筑温度和最高温升均应满足设计要求,除采用中低热水泥和减少水泥用量来控制温升外,夏季施工时还可以用温水、加冰和搭设凉棚等措施减小混凝土温度。

3 裂缝的处理措施[4-8]

处理裂缝是为了恢复和加强混凝土结构的整体性,保持混凝土的强度、耐久性以及延长建筑物的使用寿命。因此裂缝的处理必须与裂缝的类型、产生的原因、裂缝的宽度、深度及所在的位置等相对应,采取不同的处理措施。

裂缝的处理方法一般分为以下三大类。

3.1 表面处理法

表面处理法的目的是进行缝口封闭,以防止渗漏和钢筋锈蚀,对于有抗冲耐磨要求的过流面裂缝,表面处理法可以增强抗冲耐磨能力。表面处理法包括沿缝口凿槽嵌缝、贴橡皮法、设置防渗层(浇沥青防渗层)、贴环氧玻璃丝以及高分子聚合物缝口浸渍等。

3.2 填充法

填充法是用修补材料直接填充裂缝,一般用来修补较宽的裂缝,如宽度小于0.3 mm,深度较浅的裂缝,或者缝中有填充物,用灌浆法很难达到效果的裂缝。该法多采取V形槽,然后作填充处理。其特点是作业简单,费用低。

3.3 注入法(灌浆法)

注入法主要适用于对结构整体有影响或者有防渗要求的混凝土裂缝的修补。注入法分压力注入法与真空吸入法两种。压力注入法适用于较深较细裂缝,在水工建筑物裂缝修补中应用较广泛;真空吸入法则是用真空泵使缝内形成真空,将浆材吸入缝内,该法适用于各种表面裂缝的修补。灌浆材料有水泥浆材、普通环氧浆材、弹性环氧浆材、弹性聚氨酯浆材、水熔性聚氨酯浆材等。

实践证明,在对水工混凝土建筑物裂缝进行调查与检测、成因分析、危害评估的基础上,采取相应的修补措施,可以将病害控制在安全范围内。

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