常见混凝土病害及裂缝修复方法

摘要：混凝土材料是当今世界应用最广、用量最大的建筑材料之一，但由于其脆性大，易被腐蚀，在其服役期间容易受到各种病害，而影响其使用寿命。本文主要讨论几种常见的混凝土病害，包括损伤、裂缝、腐蚀、冻害、渗透等，分析了其病害机理及成因，并分析了几种裂缝修复的方法。
　　关键词：建筑材料；混凝土；病害；裂缝修复
　　1引言
　　混凝土材料具有抗压强度高、耐火性好、施工方便、价格相对较低等优点，是当今世界上用途最广、用量最大的建筑材料之一，发挥着其他材料无法替代的功能和作用。但是，作为无机非金属材料，混凝土材料脆性大、抗拉强度小、易折损、易腐蚀，在服役期间，受内部因素和外部环境的作用，容易产生局部损伤、裂缝、腐蚀、冻害、渗透、老化等病害，随着时间的推移，病害逐步加重，使得混凝土材料的性能不断下降，轻则影响结构的正常使用，缩短结构的使用寿命，重则发生灾难性事故，给人民的生命财产和国民经济带来巨大的损失。
　　我国的混凝土病害问题十分突出，据调查显示[1]，南方地区使用7~25年的钢筋混凝土结构设施中，有89%发生了钢筋锈蚀破坏；1986年国家统计局和建设部对全国城乡28个省、市、自治区的323个城市及5000个镇进行普查，结果表明我国现有城镇房屋建筑面积约50亿m2，占全部房屋建筑面积的60%，其中约23亿m2需分批进行鉴定加固，近10亿m2急需维修加固后才能正常使用[2]。
　　目前，随着经济全球化的迅速发展和国家“走出去”战略的实施，我国对外承包工程规模日益扩大，国际竞争力明显增强。截至2006年10月底，我国对外承包工程累计完成营业额1590亿美元，签订合同额2317.3亿美元。亚洲和非洲一直是我国对外承包工程的主要市场，占我国对外承包工程总营业额的70%左右，这些工程大多以道路、码头、水电站等基础设施和体育场馆、议会大厦、民用住宅等建筑为主，它们都离不开混凝土，由于各地地理、气候、湿度、沙石（原材料含土量）的不同，这些工程的建设将遇到一系列传统技术难以解决的复杂科学技术问题，为此，研究分析常见混凝土材料的病害机理及裂缝修复方法相当重要，对促进综合国力的发展意义重大。
　　2常见混凝土结构病害机理及成因
　　所谓混凝土结构病害是指建筑工程质量事故和质量缺陷的总称，但并非是两种概念的的简单归纳，而是理性的综合。混凝土结构病害的分类有很多，可按病害原因，发生时期、造成危害等级，以及病害处理方法进行分类。按病害性质可分为损伤、裂缝、腐蚀、冻害、渗透等[3]。
　　2.1损伤
　　混凝土结构损伤通常是指在外力、环境作用或者周围介质的侵蚀作用下而导致的性能的劣化。如强度降低，耐久性下降等。
　　2.2裂缝
　　裂缝是固体材料中的某种不连续的现象。结构的裂缝是个很普遍的技术问题，工程的破坏和倒塌大多数是从裂缝扩展开始的，虽然有些裂缝没有达到使建筑物倒塌的危险程度，但结构物的裂缝会引起渗漏、混凝土强度降低，影响结构的使用寿命。
　　混凝土裂缝的形成主要受两大类荷载影响：其一是由外荷载应力引起的裂缝；其二是由变形变化引起的裂缝：结构由温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素而引起的裂缝。但不论那种荷载作用于结构，只要机构的拉应力超过其极限强度，或应变超过极限变形值，结构即会产生裂缝。
　　2.3腐蚀
　　混凝土材料的腐蚀由于腐蚀介质与水泥的水化产物发生化学反应，使混凝土内部Ca(OH)2晶体溶解,导致混凝土结构疏松，结构的疏松又加剧了这种腐蚀的进行，形成恶性循环，最终导致结构的破坏。
　　2.4冻害
　　混凝土材料冻害是指由于混凝土在拌制过程中，为了得到必要的和易性等指标，加入的拌合水量总要多余水泥水化所需的用水量，这部分多余的水便以游离水的形式滞留在混凝土中，形成连通的毛细孔，并占有一定的体积。这种毛细孔自由水是导致混凝土冻害的主要因素，因为水遇冷结冰后体积会膨胀，从而引起混凝土内部结构的破坏。混凝土冻害主要发生在混凝土养护前期，应该特别注意养护温度[4]。
　　2.5渗透
　　混凝土材料由于水灰比较大，或施工时振捣不密实，导致混凝土内部结构密实度不高，而成为一种多孔材料。这样，水通过混凝土的孔隙进入到混凝土内部，降低了混凝土孔隙水溶液的pH值，另外水携带者其他有害的离子进入混凝土内部，导致混凝土内部钢筋锈蚀，最终引起混凝土胀裂直至破坏。
　　3混凝土裂缝修复技术研究现状
　　混凝土材料的各种病害最终都将导致混凝土性能的下降，最直接的表现就是生成裂缝，然而结构的破坏或倒塌一般都是从裂缝的扩展开始的，如强震后震区的建筑物上布满了各种各样的裂缝、荷载试验的钾筋混凝土大梁上出现大量裂缝等等。因此，进行混凝土裂缝修复技术的研究亟不可待。
　　3.1混凝土裂缝修复方法
　　几种比较常用的裂缝修复方法有：结构加固法、灌浆法、表面处理法、填充法(嵌缝法)等。
　　3.1.1结构加固法
　　结构加固法是在结构构件外部或结构裂缝四周浇筑钢筋混凝土围套或包钢筋、型钢龙骨，将结构构件箍紧，以增加结构构件受力面积，提高结构的刚度和承载力的一种结构补强加固方法[5]。常用的加固方法[6]有：
　　（1）增大截面法。这是一种用与原结构相同的材料增大结构的截面积从而提高结构性能的加固方法。适用于梁、板、柱的结构加固。加固时，原混凝土截面应凿毛洗净，或将主筋凿出，若钢筋锈蚀严重，应清除钢筋表面的铁锈，增配的钢筋应根据裂缝程度确定，浇筑前，模板与原结构表面均应充分湿润，然后用细石混凝土浇捣密实并养护[5]。这是一种比较传统的加固方法，工艺简单，适应面广。
　　（2）外包钢法。这是一种在混凝土构件或砌体构件四周包以型钢、钢板从而提高构件性能的加固方法。该法基本不增加结构的截面积，但却可以很好的提高结构的承受能力，增强结构的刚度和延性。外包钢加固分湿式和干式两种，湿式是钢材与原构件之间，用乳胶水泥、聚合物砂浆或环氧树脂化学灌浆等方法粘结，使两者之间具有良好的协同工作能力；而干式的钢材与原构件之间没有粘结材料，为确保新旧材料能够协同工作，应使钢套箍与混凝土表面紧密接触。
　　（3）外包混凝土法。该法主要用于砖柱、砖墙结构的加固如外包钢筋混凝土套加固砖独立柱和壁柱，增设钢筋混凝土扶壁柱加固砖墙，增设钢筋网混凝土或钢筋网水泥砂浆加固砖墙。与外包钢法相比，该法可更好的实现新旧材料的共同工作，可用于抗震砌体结构的加固。
　　（4）预应力加固法。这是一种采用外加预应力钢拉杆或型钢撑杆，对结构构件或整体进行加固的方法，其原理是改变原结构内力分布，降低原结构应力，致使结构中的应力应变现象得以完全消除，减小构件挠度，缩小混凝土构件的裂缝宽度，提高构件承载力。该法适用于大跨结构，以及采用一般方法无法加固或加固效果很不理想的大型结构的加固。
　　施工时，预应力拉杆或撑杆的锚固件采用乳胶水泥或铁屑砂浆，通过膨胀螺栓锚固在混凝土基层上，所以加固前结合面应进行粗糙和清洁处理，预应力施加方法根据施工条件及预应力值大小确定。
　　此外，还有粘碳纤维法、粘钢法、喷混凝土法等加固方法。
　　3.1.2灌浆法[7]
　　灌浆法又称注入法，是将树脂浆液、水泥浆液或聚合物水泥浆液等灌入裂缝内部，达到恢复结构整体性、耐久性和防水性的目的，适用于宽度较大、深度较深的裂缝，尤其是受力裂缝。该法不损伤原有结构，补后防水性和耐久性可靠，修补质量良好，但是国内目前尚无定型的灌浆设备，在一定程度上影响该技术的推广与普及。
　　3.1.3表面处理法[6]
　　该法适用于对结构的强度影响不大，但会使钢筋锈蚀且有损美观的表面及深进微细裂缝的治理，具体操作是采用弹性涂膜防水材料、聚合物水泥膏及渗透性防水剂等，涂刷于裂缝表面，达到回复其防水性和耐久性的目的。施工时，应先用钢丝刷将混凝土表面刷毛，清楚表面附着的污物，用水冲洗干净。待干燥后，先用环氧胶水泥、乳胶水泥等修补混凝土的表面缺损。最后，采用缩选择的材料涂覆，涂覆应均匀，不可有气泡。
　　3.1.4填充法[6]
　　填充法是沿裂缝将混凝土开凿成U型或V型槽，然后嵌填各种修补材料，达到恢复结构防水性、耐久性和部分恢复结构整体性的目的，主要适用于修补数量较少的宽裂缝和钢筋锈蚀所产生的裂缝。该法所使用的嵌填材料视修补目的而定，常用的有环氧树脂、环氧砂浆、聚合物水泥砂浆等。对于活动性裂缝，应采用极限变形较大的延伸性材料；对于锈蚀裂缝，应先加宽、加深凿槽，直至完全露出钢筋生锈的部位，清理锈蚀部分，涂抹防锈剂，再注入嵌填材料。
　　3.2混凝土裂缝自修复技术
　　混凝土裂缝自修复方法是近几年来国外提出的混凝土修复方法，混凝土裂缝自修复是指混凝土在外部或内部条件的作用下，释放或生成新的物质自行封闭、愈合其裂缝，主要包括：结晶沉淀法、结晶渗透法、聚合物固化法、电沉积修复技术等[8-9]。
　　3.2.1结晶沉淀法
　　结晶沉淀的基本原理是裂缝中的碳酸钙晶体的沉淀。它是一种在水流或水介质作用下，利用物理、热学与力学过程对混凝土微细裂缝进行自我修复的方法。主要过程是裂缝区形成中的CaCO3—CO2—H2O物质体系与水泥浆体中的Ca(OH)2发生反应生成难溶于水的CaCO3，然后CCaO3与Ca(OH)2结晶沉淀在裂缝中聚集、生长，逐渐密封、愈合裂缝。
　　结晶沉淀修复过程是一个自然过程，根据修复机理，结晶沉淀技术进行裂缝自修复的必要条件必须有水或足够的湿度，在活动缝、修复时有变位发生以及水流流过裂缝时(除非水流很慢，否则CaCO3沉淀会被溶解和冲洗)均不能发生。
　　3.2.2结晶渗透法
　　渗透结晶法是利用在混凝土中掺入活性外加剂或在外部涂敷一层含有活性外加剂涂层，在一定的养护条件下，以水为载体，通过渗透作用，使其特殊的活性化学物质在混凝土的微孔及毛细孔中传输，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续发生水化，形成不溶性的晶体的方法[9]。
　　渗透结晶修复是一种主动激发、自修复的过程。渗透结晶发生的必要条件是有水或足够的湿度。裂缝自修复的效果主要受裂缝的大小、涂层中活性成分以及混凝土的孔隙率及孔结构等影响，对于较宽裂缝的修复效果不佳。
　　3.2.3聚合物固化法
　　聚合物固化法修复混凝土裂缝是充分模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到修复的方法。具体方法是，在混凝土传统组分中复合特殊组分或混凝土内部形成智能型仿生自愈合系统，如采用液芯纤维或胶囊植入混凝土结构中，当基体开裂时，液芯纤维或胶囊发生破裂使粘结液流出，深入裂缝内部使其重新愈合。
　　聚合物裂缝固化法的难点是空心修复纤维如何在基体中的分布和随后的化学修复剂的释放，通过这些化学修复剂密封基体的微裂缝以及使损伤界面重新修复，通过这些达到控制开裂的目的，对于某些关键性问题的研究目前还存在一些问题。
　　3.2.4电沉积修复法
　　电沉积方法修复钢筋混凝土结构裂缝技术，指充分利用环境水和钢筋混凝土的特性，以溶在水或海水中的各类矿物化合物（或加入合适的矿物质）作为电解质，并以混凝土结构中的钢筋为阴极，在混凝土结构附近设置一定面积的阳极，而后在阴阳两极之间施加一定的电场，通过阴极电沉积作用,在混凝土结构裂缝内和表面生长并沉积一层化合物（如ZnO，CaCO3和Mg(OH)2等），从而填充、密实混凝土的裂缝，封闭混凝土的表面，以降低混凝土的渗透性的技术[10-11]。
　　电沉积作用主要受溶液中所含的电解质种类及其特性、电流密度、混凝土电阻率及其微观结构等因素影响，特别适用于海工、水工混凝土裂缝的修复。
　　4结论
　　混凝土裂缝问题是一项世界性的难题，探索出有效的裂缝控制措施和修复方法是很有意义的。目前，对于混凝土病害及加固措施的研究已经比较成熟，但是传统的混凝土加固方法只能从表面上解决混凝土裂缝问题，不能从根本上解决问题。对混凝土裂缝自修复技术的研究，虽然目前已取得了一些成果，但许多根本性问题没有解决，应该继续加大研究的力度。
　　参考文献:
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