浅谈钢筋混凝土结构的裂缝形态及修补措施

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浅谈钢筋混凝土结构的裂缝形态及修补措施

  
    摘  要：分析了钢筋混凝土结构裂缝产生的原因及形态，探讨了混凝土裂缝的修补方法，并对几种修补方法进行了比较，以解决钢筋混凝土结构的裂缝问题，从而提高混凝土工程的耐久性。    关键词：结构，钢筋混凝土，裂缝形态分析，修补方法
    钢筋混凝土结构是由钢筋与混凝土两种性质不同的材料组成的复合结构，是一种耐久性比较好的材料，被广泛应用到国内外工程实例中。但它在长期的使用过程中，功能将逐渐减退，直至最终达到破坏，这是一个不可逆的过程，实际上也就是耐久性的问题。随着钢筋混凝土结构功能日趋复杂，商品混凝土的增加和混凝土强度等级的提高，结构出现裂缝的几率大大增加，这些裂缝的出现，不仅影响了混凝土表面的观感质量，更严重的是造成了结构内钢筋的提前锈蚀，降低了混凝土的抗渗性，影响了结构的正常使用及耐久性能，认真分析这些裂缝的原因，采取针对性的措施，对提高混凝土工程的耐久性有着重要意义。一、裂缝原因分析    致使建筑物裂缝的因素很多，宏观上可分为原材料质量低劣或选用不当，施工质量不合格，设计错误，使用不当或环境的不良影响等四个方面。    原材料对混凝土结构裂缝影响最大的是水泥品种及质量，单就裂缝而言，硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥水化热较高，大体量现浇混凝土结构易于裂缝；火山灰水泥及快硬水泥干缩性大，大面积混凝土结构易于裂缝；矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥抗冻性较差，干湿交替工程易于裂缝。矿渣水泥易发生沉缩和泌水现象。水泥含量越高，混凝土收缩越大，产生裂缝的可能性就越大。砂石含泥量过大，存在反应性骨料，外加剂不当或过量等，均容易造成混凝土结构裂缝。    施工质量不合格对建筑物裂缝形成最为直接，分混凝土、钢筋及模板三方面。混凝土方面，如混凝土配合比不当或泵送时改变了配合比，混凝土掺合料拌合不匀，混凝土搅拌时间不够或过长，混凝土浇筑顺序或接打处理不当，混凝土振捣不充分，混凝土硬化前受震动或受力，混凝土养护不及时或不充分或受冻。混凝土强度过低会直接降低结构的抗裂性。钢筋方面，如混凝土在结硬期钢筋被扰动，钢筋保护层过小。模板方面，如模板变形，模板支撑下沉，模板漏浆，过早拆模。    设计错误造成的结构裂缝，主要表现为结构方案及布置不合理，结构计算错误，结构抗裂性过低，以及结构构造不合理等方面。内力分析常见的错误是，计算简图与实际不符，荷载取值偏小或漏项，未考虑温度收缩应力及地基差异沉降所产生的内力；承载力计算常见的错误是，安全度取值偏低，配筋量不足，只算抗弯，不计算抗剪、抗扭；结构抗裂验算常易被忽视，尤其是手算；结构构造不合理，主要是伸缩缝及施工缝设置不当，配筋不合理，只配受力钢筋，忽略构造钢筋的作用和配置，如简支梁板入墙不配负筋，现浇连续板只配受力钢筋，不设收缩温度筋，高梁不设腰筋等。    使用不当及环境的不良影响，多表现为荷载超过设计规定，周围存在酸、盐及氯化物等有害介质作用，环境温、湿度急剧变化，构件各部位温、湿度差过大，表面受热过度或火灾，建筑物处于反复冻融和干湿交替状态等。二、裂缝形态分析    1．荷载裂缝    荷载裂缝又称受力裂缝，是外荷载作用下产生的结构裂缝。如图1～7所示，这种裂缝规律性极强，一般通过计算分析可以得出确切的结论。典型的简支梁受力裂缝应如图1，跨中为正截面受弯裂缝，垂直于梁轴，下大上小；端部为斜截面受剪裂缝，起始于支座，指向梁顶集中荷载。钢混凝土柱在轴心受压荷载下的裂缝如图2，裂缝沿柱轴纵向分布，中间稍密。大偏心受压柱裂缝如图3，裂缝集中在最大弯矩部位，受拉面裂缝为水平走向，外大内小，垂直于柱轴；临近极限状态，受压面混凝土有压碎现象。牛腿受力裂缝如图4，受剪裂缝起始于集中荷载作用点，斜向牛腿外斜面与下柱面交汇点延伸；受弯裂缝起始于牛腿支承面与上柱面交汇点，斜向柱内延伸。框架结构现浇楼盖裂缝如图5，板面裂缝成环状，沿框架梁边分布；板底裂缝成十字或米字，集中于跨中。预应力大型屋面板张拉裂缝如图6，裂缝分布于板面，垂直于长轴，由板面向下延伸；有的纵肋预应力筋端部还存在局压裂缝。转角阳台或挑檐板裂缝如图7所示，位于板面，起始于墙板交界，以角点为中心成米字形向外延伸。
    2．温度收缩裂缝    温度收缩裂缝是建筑物最常见的一种裂缝，主要是由于结构温度变形及材料收缩变形受阻及应力超标所致。据调查，收缩裂缝与原材料品质、施工质量及结构类型较为密切，一般，现浇结构或超静定结构较装配式结构或静定结构收缩裂缝多；平面尺寸大、施工质量差的房屋收缩裂缝相对较多。如图8，典型的现浇楼板收缩裂缝主要集中于房屋中部，沿楼层方向没有明显差异，裂缝形态为枣核状，中间粗两端细，绝大部分止于梁、墙边。
    3．碳化锈蚀裂缝    我国《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》关于钢筋混凝土结构耐久性给定了评估方法，该方法主要建立在混凝土碳化及钢筋锈蚀的基础上，认为混凝土碳化到钢筋部位，钢筋失去了混凝土钝化膜保护，会逐渐生锈，钢筋生锈后体积膨胀，会引起混凝土沿钢筋开裂；混凝土裂缝的开展，反过来又促使钢筋更快锈蚀，尤其是当环境湿度较大，周围存在有害介质时，这种恶性循环速度显著加快。因此，碳化锈蚀裂缝，必须给予高度重视。如图9，碳化锈蚀裂缝的特征是，裂缝沿钢筋分布，系由膨胀铁锈向外将混凝土胀开，裂缝周围混凝土发酥，高出原有混凝土表面，并附着有褐色锈渍渗出物。
    4．反复冻融产生的裂缝    验研究表明，长期与水接触的混凝土，当温度为-4～-20℃时，表现为“冷胀热缩”。寒冷地区的外露混凝土结构，年复一年地遭受雨雪浸蚀，长期处于干湿交替、反复冻融的状态下，当混凝土密实度较差、空隙率较大时，容易产生如图10所示的冻胀裂缝，造成结构表面混凝土酥松、剥落，引起钢筋锈蚀。
    5．沉缩裂缝    混凝土在硬化过程中，因塑性下沉所产生的裂缝称为沉缩裂缝，或塑性收缩裂缝。沉缩裂缝一般在混凝土浇筑后1～3小时发生，主要出现在结构变截面处、梁板交接处、梁柱交接处及顺钢筋部位，如图11所示。沉缩裂缝形态与收缩裂缝相似，为水平分布，呈两端细中间粗的枣核状。引起混凝土沉缩的主要原因是水灰比及混凝土流动性过大，致使混凝土产生泌水下沉；或水分蒸发过快，使混凝土结硬时下沉加大；或振捣不充分，混凝土未沉实或沉实不均匀。沉缩变形比收缩变形大数十倍。沉缩裂缝一般可通过初凝前的二次抹面-收水压实处理克服。
    6．其它    混凝土结构火灾后产生的裂缝如图12，模板变形产生的裂缝如图13，支撑下沉产生的裂缝如图14，浇筑过快或高度过高混凝土下沉产生的裂缝如图15，碱骨料反应产生的梁柱轴向裂缝及墙面网状裂缝如图16，掺合料不均匀产生的局部膨胀收缩裂缝如图17，拌合或运输时间过长产生的网状裂缝如图18，振捣不充分产生的局部裂缝如图19。
三、混凝土裂缝的几种修补措施    1  修补方法    1.1  钢丝网水泥修补法    用喷砂法把混凝土表面打毛，然后压缩空气除去松散的材料和尘土。在混凝土表面抹一层水泥素浆后，再抹一层1∶2 水泥砂浆(厚约5 mm)，2 h 后用水泥钢钉把一层钢丝网固定在混凝土表面。抹第二层水泥砂浆，压实盖住钢丝网即可。    1.2  环氧树脂注射法    对宽度大于0.3mm的较大裂缝用环氧树脂修补。先用压缩空气喷射法将裂缝处的污垢和松散材料清除掉，每条裂缝周边用快凝环氧树脂凝结剂封住，并在裂缝端头装上喷嘴，等粘结剂养护好后，即向缝中注入结构环氧树脂。注射过程中上部喷嘴作为排出空气的通道。    1.3  钢板粘结法    用手锤或用喷砂法把混凝土表面打毛，再用压缩空气将松散材料和灰尘清除掉。将准备好的钢板用盐酸除去其表面的污垢和锈迹，然后用环氧树脂粘结剂把钢板粘结在混凝土的受拉表面上。养护期间，在钢上施加均匀的压力，以保证钢板和混凝土的粘结。    1.4  环氧树脂注射和钢丝网水泥组合法混凝土中较大的裂缝先用环氧树脂注射，然后用钢丝网水泥修补法将混凝土构件包住。    2  几种修补方法的比较    2.1  裂缝荷载    用钢丝网水泥修补的混凝土结构，裂缝荷载提高很少。用环氧树脂注射法修补的结构裂缝荷载没有提高。用钢板粘结法修补的结构没有裂缝荷载。先用环氧树脂注射，然后用钢丝网水泥修补的结构，可使裂缝荷载提高1倍以上，这是由于注射环氧树脂恢复了结构的刚度，钢丝网水泥层提高了结构的惯性矩。    2.2  延性    用钢丝网水泥修补的结构，其延性随损坏程度的增大而降低。用环氧树脂修补的结构，其延性减小最少。用钢板粘结法修补的结构，其延性减小最多，修补区段已转变成脆性。而用组合法修补的结构，其延性实际是提高了，但在持续破坏程度严重的结构，其延性略有减小。    2.3  裂缝性能    用组合法修补的结构具有优良的抗裂性，与用其他方法修补的结构相比较，前者裂缝较细，数量也较多。同样，用钢丝网水泥修补的结构，在极限时裂缝数量较多，比修补前的裂缝更细。用环氧树脂注射修补的结构，在破坏时裂缝的最大宽度和裂缝发生的数量与原梁性能相似。四、结语    近几十年乃至今后很长一段时间，钢筋混凝土在建筑行业还将处于主导地位，而钢筋混凝土结构裂缝是影响混凝土结构安全性和耐久性的重要因素。如何控制钢筋混凝土结构裂缝是一门边缘科学，也是一个系统工程，必须综合考虑设计、材料、施工、使用及外界环境条件。文中主要从钢筋混凝土开裂的形态进行了分析，以及混凝土裂缝的几种修补措施。