淺談鋼筋混凝土結構的裂縫形態(tài)及修補措施

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淺談鋼筋混凝土結構的裂縫形態(tài)及修補措施

  
    摘  要：分析了鋼筋混凝土結構裂縫產(chǎn)生的原因及形態(tài)，探討了混凝土裂縫的修補方法，并對幾種修補方法進行了比較，以解決鋼筋混凝土結構的裂縫問題，從而提高混凝土工程的耐久性。    關鍵詞：結構，鋼筋混凝土，裂縫形態(tài)分析，修補方法
    鋼筋混凝土結構是由鋼筋與混凝土兩種性質不同的材料組成的復合結構，是一種耐久性比較好的材料，被廣泛應用到國內外工程實例中。但它在長期的使用過程中，功能將逐漸減退，直至最終達到破壞，這是一個不可逆的過程，實際上也就是耐久性的問題。隨著鋼筋混凝土結構功能日趨復雜，商品混凝土的增加和混凝土強度等級的提高，結構出現(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量，更嚴重的是造成了結構內鋼筋的提前銹蝕，降低了混凝土的抗?jié)B性，影響了結構的正常使用及耐久性能，認真分析這些裂縫的原因，采取針對性的措施，對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量低劣或選用不當，施工質量不合格，設計錯誤，使用不當或環(huán)境的不良影響等四個方面。    原材料對混凝土結構裂縫影響最大的是水泥品種及質量，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)澆混凝土結構易于裂縫；火山灰水泥及快硬水泥干縮性大，大面積混凝土結構易于裂縫；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，存在反應性骨料，外加劑不當或過量等，均容易造成混凝土結構裂縫。    施工質量不合格對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或泵送時改變了配合比，混凝土摻合料拌合不勻，混凝土攪拌時間不夠或過長，混凝土澆筑順序或接打處理不當，混凝土振搗不充分，混凝土硬化前受震動或受力，混凝土養(yǎng)護不及時或不充分或受凍。混凝土強度過低會直接降低結構的抗裂性。鋼筋方面，如混凝土在結硬期鋼筋被擾動，鋼筋保護層過小。模板方面，如模板變形，模板支撐下沉，模板漏漿，過早拆模。    設計錯誤造成的結構裂縫，主要表現(xiàn)為結構方案及布置不合理，結構計算錯誤，結構抗裂性過低，以及結構構造不合理等方面。內力分析常見的錯誤是，計算簡圖與實際不符，荷載取值偏小或漏項，未考慮溫度收縮應力及地基差異沉降所產(chǎn)生的內力；承載力計算常見的錯誤是，安全度取值偏低，配筋量不足，只算抗彎，不計算抗剪、抗扭；結構抗裂驗算常易被忽視，尤其是手算；結構構造不合理，主要是伸縮縫及施工縫設置不當，配筋不合理，只配受力鋼筋，忽略構造鋼筋的作用和配置，如簡支梁板入墻不配負筋，現(xiàn)澆連續(xù)板只配受力鋼筋，不設收縮溫度筋，高梁不設腰筋等。    使用不當及環(huán)境的不良影響，多表現(xiàn)為荷載超過設計規(guī)定，周圍存在酸、鹽及氯化物等有害介質作用，環(huán)境溫、濕度急劇變化，構件各部位溫、濕度差過大，表面受熱過度或火災，建筑物處于反復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)生的結構裂縫。如圖1～7所示，這種裂縫規(guī)律性極強，一般通過計算分析可以得出確切的結論。典型的簡支梁受力裂縫應如圖1，跨中為正截面受彎裂縫，垂直于梁軸，下大上小；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，斜向牛腿外斜面與下柱面交匯點延伸；受彎裂縫起始于牛腿支承面與上柱面交匯點，斜向柱內延伸?？蚣芙Y構現(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。預應力大型屋面板張拉裂縫如圖6，裂縫分布于板面，垂直于長軸，由板面向下延伸；有的縱肋預應力筋端部還存在局壓裂縫。轉角陽臺或挑檐板裂縫如圖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，主要是由于結構溫度變形及材料收縮變形受阻及應力超標所致。據(jù)調查，收縮裂縫與原材料品質、施工質量及結構類型較為密切，一般，現(xiàn)澆結構或超靜定結構較裝配式結構或靜定結構收縮裂縫多；平面尺寸大、施工質量差的房屋收縮裂縫相對較多。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，絕大部分止于梁、墻邊。
    3．碳化銹蝕裂縫    我國《鋼鐵工業(yè)建(構)筑物可靠性鑒定規(guī)程》關于鋼筋混凝土結構耐久性給定了評估方法，該方法主要建立在混凝土碳化及鋼筋銹蝕的基礎上，認為混凝土碳化到鋼筋部位，鋼筋失去了混凝土鈍化膜保護，會逐漸生銹，鋼筋生銹后體積膨脹，會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，尤其是當環(huán)境濕度較大，周圍存在有害介質時，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．反復凍融產(chǎn)生的裂縫    驗研究表明，長期與水接觸的混凝土，當溫度為-4～-20℃時，表現(xiàn)為“冷脹熱縮”。寒冷地區(qū)的外露混凝土結構，年復一年地遭受雨雪浸蝕，長期處于干濕交替、反復凍融的狀態(tài)下，當混凝土密實度較差、空隙率較大時，容易產(chǎn)生如圖10所示的凍脹裂縫，造成結構表面混凝土酥松、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小時發(fā)生，主要出現(xiàn)在結構變截面處、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，使混凝土結硬時下沉加大；或振搗不充分，混凝土未沉實或沉實不均勻。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-收水壓實處理克服。
    6．其它    混凝土結構火災后產(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，拌合或運輸時間過長產(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措施    1  修補方法    1.1  鋼絲網(wǎng)水泥修補法    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，壓實蓋住鋼絲網(wǎng)即可。    1.2  環(huán)氧樹脂注射法    對寬度大于0.3mm的較大裂縫用環(huán)氧樹脂修補。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)氧樹脂凝結劑封住，并在裂縫端頭裝上噴嘴，等粘結劑養(yǎng)護好后，即向縫中注入結構環(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)氧樹脂粘結劑把鋼板粘結在混凝土的受拉表面上。養(yǎng)護期間，在鋼上施加均勻的壓力，以保證鋼板和混凝土的粘結。    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)水泥修補法將混凝土構件包住。    2  幾種修補方法的比較    2.1  裂縫荷載    用鋼絲網(wǎng)水泥修補的混凝土結構，裂縫荷載提高很少。用環(huán)氧樹脂注射法修補的結構裂縫荷載沒有提高。用鋼板粘結法修補的結構沒有裂縫荷載。先用環(huán)氧樹脂注射，然后用鋼絲網(wǎng)水泥修補的結構，可使裂縫荷載提高1倍以上，這是由于注射環(huán)氧樹脂恢復了結構的剛度，鋼絲網(wǎng)水泥層提高了結構的慣性矩。    2.2  延性    用鋼絲網(wǎng)水泥修補的結構，其延性隨損壞程度的增大而降低。用環(huán)氧樹脂修補的結構，其延性減小最少。用鋼板粘結法修補的結構，其延性減小最多，修補區(qū)段已轉變成脆性。而用組合法修補的結構，其延性實際是提高了，但在持續(xù)破壞程度嚴重的結構，其延性略有減小。    2.3  裂縫性能    用組合法修補的結構具有優(yōu)良的抗裂性，與用其他方法修補的結構相比較，前者裂縫較細，數(shù)量也較多。同樣，用鋼絲網(wǎng)水泥修補的結構，在極限時裂縫數(shù)量較多，比修補前的裂縫更細。用環(huán)氧樹脂注射修補的結構，在破壞時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、結語    近幾十年乃至今后很長一段時間，鋼筋混凝土在建筑行業(yè)還將處于主導地位，而鋼筋混凝土結構裂縫是影響混凝土結構安全性和耐久性的重要因素。如何控制鋼筋混凝土結構裂縫是一門邊緣科學，也是一個系統(tǒng)工程，必須綜合考慮設計、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)進行了分析，以及混凝土裂縫的幾種修補措施。