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混凝土裂縫和修補(bǔ)材料研究論文
摘要：混凝土作為一種多相復(fù)合基材料，具有較高彈性模量和抗拉強(qiáng)度，較低的抗拉強(qiáng)度，在受約束作用下少許收縮就會(huì)產(chǎn)生裂縫，裂縫產(chǎn)生的材性原因比較多。當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的耐久性，就需要修補(bǔ)，而修補(bǔ)材料的材性和基性材料的材性需要有效協(xié)調(diào)，以免產(chǎn)生二次裂縫。
關(guān)鍵詞：事故處理 結(jié)構(gòu)材料
引 言
混凝土是由水泥、摻和料、外加劑和水配制的膠結(jié)材料漿體將分散的砂、石經(jīng)攪拌粘結(jié)在一起的工程材料。硬結(jié)的混凝土是一種多元、多相、非勻質(zhì)的水泥基復(fù)合材料，具有較高的彈性模量，較低的抗拉強(qiáng)度，在受約束條件下只要發(fā)生少許收縮，產(chǎn)生的拉應(yīng)力往往會(huì)大于該齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土發(fā)生裂縫�；炷猎跐沧⒊尚秃螅橇蠈{體產(chǎn)生約束，使混凝土內(nèi)部從一開始產(chǎn)生微裂縫，在環(huán)境溫度、濕度、荷載等因素作用下，這些微裂縫就可能發(fā)展為宏觀裂縫。
混凝土開裂的原因很多，下面僅就材料這方面予以研究。
由于混凝土本身材性所導(dǎo)致的裂縫主要有以下幾類。
1、塑性收縮裂縫
混凝土在初凝前由于水分蒸發(fā)，內(nèi)部水分不斷向表面遷移，形成混凝土在塑性階段體積收縮。一般混凝土的塑性收縮約為1％，坍落度大的混凝土則可達(dá)2％。當(dāng)施工時(shí)溫度高，相對濕度較低時(shí)，混凝土內(nèi)部水分向表面遷移供應(yīng)不上蒸發(fā)量的情況下，表面失水干縮受下面混凝土的約束，表面會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的塑性收縮裂縫。這種塑性收縮裂縫在混凝土初凝前及時(shí)抹壓或二次振搗可以愈合，但是如果不及時(shí)處理，可能發(fā)展為貫通性有害裂縫。
2、水化收縮及自生干縮裂縫
水泥在水化反應(yīng)過程中，會(huì)產(chǎn)生水化收縮。硅酸鹽水泥的水化收縮量約為1％～2％。水化收縮在初凝前表現(xiàn)為漿體的宏觀體積收縮，初凝后則在已形成的水泥石骨架內(nèi)生成空隙。水泥在繼續(xù)水化過程不斷消耗水分導(dǎo)致毛細(xì)孔中自由水減少，濕度降低，在外部養(yǎng)護(hù)水供應(yīng)不充分的情況下，內(nèi)部產(chǎn)生自干燥現(xiàn)象。由于自干燥作用導(dǎo)致毛細(xì)孔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，引起混凝土自干燥收縮。由于一般混凝土的水膠比較高所以比較少發(fā)生自干燥收縮。但是對于高強(qiáng)商品砼水膠比可能小于0.35，自干燥收縮則不可忽略。
3、溫差脹縮裂縫
混凝土澆注后，水泥的水化熱使混凝土內(nèi)部溫度升高，一般每100kg水泥可以使混凝土溫度升高10℃左右，加入混凝土的入模溫度，在2～3d內(nèi)，內(nèi)部溫度可達(dá)50～80℃，而混凝土的線膨脹系數(shù)約為10×10－6/℃。試驗(yàn)表面，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，混凝土表面溫度和環(huán)境溫差大于25℃時(shí)，即出現(xiàn)肉眼可見的溫差收縮裂縫。對于大體積混凝土，溫差脹縮裂縫的影響非常大。
4、干燥收縮裂縫
混凝土在硬化以后，內(nèi)部的游離水會(huì)由表及里逐漸蒸發(fā)失水，導(dǎo)致混凝土由表及里逐漸產(chǎn)生干燥收縮。在約束條件下，收縮變形量導(dǎo)致的收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)出現(xiàn)由表及里的干燥收縮裂縫。早期的干燥收縮裂縫比較細(xì)微，隨著時(shí)間推移，混凝土大蒸發(fā)量和干燥收縮量逐漸增大，裂縫逐漸明顯，一般混凝土90d干縮率為0.04～0.06％，這是混凝土結(jié)構(gòu)比較普遍地發(fā)生裂縫的主要原因。
5、堿骨料反應(yīng)膨脹裂縫
堿骨料反應(yīng)一般需要幾十年的累計(jì)，才會(huì)使反應(yīng)產(chǎn)物積累到一定程度出現(xiàn)吸水吸濕膨脹，導(dǎo)致混凝開裂，并加速凍融、鋼筋銹蝕等綜合損壞。
從上面的分析可以看出很多因素都會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生不同程度的裂縫，針對上述幾種原因，預(yù)防裂縫的主要措施除了施工措施外，可以從下面幾個(gè)方面作些努力。
�。�1） 凝土除選擇發(fā)熱量低、含堿量低的水泥外，在工作性允許的情況下，在合
理的水灰比條件下，減少摻水量，增加粗骨料用量。在合理的水灰比條件下，可以保證充分水化，減少塑性收縮，。減少用水量，這樣導(dǎo)致收縮開裂的漿體也就少了，而且水膠比低的漿體的收縮量較小，有利于防止混凝土裂縫。
�。�2）為了控制混凝土初凝前的塑性收縮裂縫，要將強(qiáng)混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)，控制表面的水分蒸發(fā)速度。
前面論述了混凝土裂縫產(chǎn)生的材性原因及其預(yù)防措施，但是當(dāng)裂縫已經(jīng)發(fā)生存在，影響耐久性了，那就要采用修復(fù)補(bǔ)救措施來保持結(jié)構(gòu)的正常使用功能。修補(bǔ)處理一般采用表面處理、壓力灌漿、填充法等處理方法，具體的操作方法，這里不一一提及了，這里關(guān)注修補(bǔ)材料自生的有關(guān)性能。
混凝土修補(bǔ)為了達(dá)到耐久性目的，必須考慮影響設(shè)計(jì)和選擇修補(bǔ)措施的諸多因素。選擇修補(bǔ)材料是許多相關(guān)的措施之一，無論修補(bǔ)工作如何細(xì)心，修補(bǔ)材料的不恰當(dāng)使用都可能導(dǎo)致修補(bǔ)工作過早失效。
與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)物相比，修補(bǔ)材料的約束收縮，即通過先澆混凝土基面上的膠結(jié)材料產(chǎn)生的約束力是大大增加大多數(shù)修補(bǔ)工作復(fù)雜性的主要因素。當(dāng)相對薄的修補(bǔ)段由于修補(bǔ)材料干縮、自身體積變形和溫度變化時(shí)，修補(bǔ)材料也產(chǎn)生了收縮拉應(yīng)力。當(dāng)這些應(yīng)力超過修補(bǔ)材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫發(fā)生了。在大面積較厚的修補(bǔ)中，通過在修補(bǔ)的界面或收縮縫上涂抹防粘劑可使約束作用減到最小。
在討論耐久、無裂縫的修補(bǔ)材料時(shí)，應(yīng)該考慮下述的材料的一些性能。
1、 收縮
由于大多數(shù)修補(bǔ)是在老混凝土結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的，如果有干縮的話，老混凝土結(jié)構(gòu)干縮也很小。因此，修補(bǔ)材料基本上也一定要無收縮或即使有收縮但沒有失去粘結(jié)性。無論任何原因，當(dāng)以水泥為主的修補(bǔ)材料失去水分時(shí)，它會(huì)收縮。而且，這種收縮通常被先澆混凝土的基面膠合力所約束。當(dāng)收縮引起的應(yīng)變超過修補(bǔ)材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂縫。
修補(bǔ)材料的干縮早在的20世紀(jì)80年代已開始引起特別注意。例如，Gurjar 和 Carter (1987)報(bào)導(dǎo)了46種通常使用的修補(bǔ)材料中的 85％的收縮值超過了常規(guī)新澆混凝土的收縮值。使用C類粉煤灰似乎是解決收縮問題的可行方法。在配比中以C類粉煤灰代替50％的水泥在試驗(yàn)期間收縮基本上是穩(wěn)定的。在隨后的試驗(yàn)中，完全不摻水泥，只用少量的石膏與C類粉煤灰，初步試驗(yàn)結(jié)果表明最佳的石膏含量大約是7％，這個(gè)配比表明28天齡期的收縮值不到萬分之一，大約不到硅酸鹽水泥砂漿的1/15，大約不到常規(guī)混凝土的1/50，抗壓強(qiáng)度可與這兩種砂漿相比。C類粉煤灰減少干縮的潛力有待進(jìn)一步研究。
2、熱膨脹系數(shù)
研究混凝土修復(fù)材料的熱相容性在溫度經(jīng)常有很大變化的環(huán)境中是很重要的，特別是在大面積修補(bǔ)和覆蓋中。使用的修補(bǔ)材料如聚合物,有更高的熱膨脹系數(shù)，在修補(bǔ)中將經(jīng)常導(dǎo)致裂縫、剝落和分離。根據(jù)聚合物的不同類型，未加填料的聚合物的熱膨脹系數(shù)超過混凝土的6～14倍，在聚合物中增加填料或骨料將使情況有所改善。但是加骨料的聚合物的熱膨脹系數(shù)仍是混凝土的1.5到 5倍。結(jié)果是，含有聚合物的修補(bǔ)材料比混凝土基面更易收縮。當(dāng)修補(bǔ)材料出現(xiàn)膨脹時(shí)，先澆混凝土基面上膠結(jié)材料產(chǎn)生的約束力引起的應(yīng)力能使修補(bǔ)材料裂縫或出現(xiàn)翹曲和剝落。
3 、抗拉塑性變形
在混凝土結(jié)構(gòu)物修補(bǔ)中，修補(bǔ)材料的塑性變形應(yīng)該與混凝土基面塑性變形類似，然而在保護(hù)性的修補(bǔ)中，更高塑性變形也有其優(yōu)點(diǎn)。對于后者，通過抗拉塑性變形釋放的應(yīng)力減少了裂縫發(fā)生的可能性。彈性模量E就工程而言，結(jié)構(gòu)修補(bǔ)材料的彈性模量應(yīng)該與混凝土基面的彈性模量相同，使載荷能均勻地穿過修補(bǔ)的地方。盡管如此，有較低彈性模量的修補(bǔ)材料將表現(xiàn)出較低的內(nèi)部應(yīng)力和較高塑性變形，這減少了非結(jié)構(gòu)性或保護(hù)性修補(bǔ)中裂縫和分離產(chǎn)生的可能。
4、拉應(yīng)力
拉應(yīng)力是指在沒有形成一條連續(xù)的裂縫時(shí)修補(bǔ)材料所能承受的最大應(yīng)變能力。達(dá)到極限應(yīng)力90％的拉應(yīng)變通常被定義為極限應(yīng)變。所有測量拉應(yīng)力(彎曲、直接拉伸和內(nèi)部約束)的常規(guī)方法中的應(yīng)變速率比在收縮過程中生產(chǎn)的應(yīng)變速率快很多。一旦超過最大拉應(yīng)力或者極限應(yīng)變，混凝土就開裂。
減少裂縫可以通過最大限度地減小干縮引起的應(yīng)變和最大限度地提高抗拉強(qiáng)度。在實(shí)踐中，可能很少選擇材料或修改配比，這樣對所有相關(guān)特性都有相當(dāng)大的影響。比如，在有裂縫傾向的硅酸鹽水泥修補(bǔ)砂漿中加入2種不同的聚合物，與對比組相比，乙烯基醋酸鹽砂漿有類似的收縮能力并增加抗拉塑性變形60 %，預(yù)期可能產(chǎn)生較高的抗裂能力。但實(shí)際不是這么回事，在模擬修補(bǔ)的材料中，使用乙烯基醋酸鹽砂漿產(chǎn)生了裂縫而丙烯酸砂漿不產(chǎn)生裂縫。顯然，丙烯砂漿較低的收縮值、較高的抗拉強(qiáng)度和很低的模量足以抵消較低的塑性變形。擁有較高的抗拉強(qiáng)度和較低模量的丙烯酸砂漿有助于達(dá)到較高的抗拉強(qiáng)度。
5、滲透性
滲透性即材料滲透液體或氣體的能力，在許多修補(bǔ)中是重要的材料性能。然而，不顧具體情況，規(guī)定采用低滲透性修補(bǔ)材料的趨勢應(yīng)該避免。同樣，注意到下列事實(shí)也是重要的，即在修補(bǔ)中的產(chǎn)生的一些貫穿裂縫將大大抵消使用很低滲透性修補(bǔ)材料所帶來的好處。因此，在提出耐久性修補(bǔ)時(shí)，無裂縫的混凝土修補(bǔ)應(yīng)該是主要的目標(biāo)。
6、粘附 /膠結(jié)
在大多數(shù)情況中，在修補(bǔ)材料和先澆混凝土基面之間膠結(jié)良好是成功修補(bǔ)的主要要求。準(zhǔn)備很好且結(jié)實(shí)的混凝土基面總能提供足夠的膠結(jié)強(qiáng)度。表面準(zhǔn)備所達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)最能體現(xiàn)出膠結(jié)的情況。直接的拉伸膠結(jié)試驗(yàn)是評(píng)估修補(bǔ)材料、表面準(zhǔn)備和澆筑過程的最佳技術(shù)手段。
7、抗壓強(qiáng)度
一般認(rèn)為修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度應(yīng)該與先澆混凝土基面的抗壓強(qiáng)度相同。通常，修補(bǔ)材料的抗壓強(qiáng)度高于混凝土基面的抗壓強(qiáng)度，不一定就有多少好處。事實(shí)上，膠結(jié)材料的較高強(qiáng)度表明其含有過多的水泥，這有助于產(chǎn)生更高的水化熱并增加干縮。另外，與高抗壓強(qiáng)度相聯(lián)系的較高的彈性模量將降低塑性變形。
為達(dá)到耐久的修補(bǔ)效果，必須通盤考慮影響設(shè)計(jì)和選擇修補(bǔ)手段的諸多因素，這里只是略提修補(bǔ)材料所要關(guān)注的一些特性。
對混凝土使用中的裂縫及其耐久修復(fù)問題，我們要了解發(fā)生的機(jī)理，通過事前預(yù)防控制來減少混凝土的裂縫發(fā)生，同時(shí)通過有效的事后補(bǔ)救來達(dá)到保持結(jié)構(gòu)正常使用功能。
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