混凝土工程裂缝的成因分析及修补技术.pdf

工程施工 东北水利水电 2 0 1 1 年第 8 期 【 文章编号 1 0 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 1 8 一 O 3 混凝土工程裂缝的成因分析及修补技术 陈旭 ， 赵庆浩， 张丽梅 ( 中国水利水电第六工程有限公司西南分局， 四川 西昌 6 1 5 7 0 4 ) 摘 要 】 文章在分析水利水电工程混凝土产生裂缝成因的基础上， 从设计、 施工、 养护等方面 提 出了预防裂缝发生的措施。 并论述了采用压力注浆法、 开槽填补法、 化学灌浆法修补常见裂 缝 的技 术。 【 关键词】 1 混凝土； 裂缝； 成因分析 ； 修补 中图分类号 T V 6 9 8 2 文献标识码 B 1 概述 水利水 电工程混凝土是土木工程中使用最广 泛、 用量最多的一种混合材料 ， 它具有许多优点， 但也存有一些弱点， 如均匀性差、 离散性大 ， 容易 产生裂缝， 尤其以裂缝为突出， 是长期困扰着我们 水利水 电工程技术人员的头痛难题 。 2 混凝土裂缝的分类 混凝土裂缝是混凝土的一种常见病和多发 病。病情绝大多数发生于施工阶段， 其原因复杂多 变 ， 为 了分析其成因 ， 作如下大致分类 ： 从 裂缝 外 观可 分 成 微观 裂缝 和 宏观 裂 缝 两 大 类。 微观裂缝是指 肉眼看不到的、 混凝土 内部 固有 的一种裂缝，它是不连贯的。宽度一般在 0 0 5 m i ll 以下， 但是要比肉眼可见的即宏观裂缝多得多。 这种混凝土本身固有的微观裂缝，在荷载不 超过设计规定的条件下， 一般视为无害。 另外一种 最直接的方法就是用渗水观察 ，一定压力的水可 以从混 凝土内部 的裂缝 中渗透 出来。 宏观裂缝宽度在 O 0 5 m m以上，并且认为宽 度小于 0 2 0 3 m m的裂缝是无害的， 但是这里必 须有个前提 ， 即裂缝不再扩展 ， 为最终宽度。 宏观裂缝可分为以下几种： 1 ) 收缩裂缝。在施工阶段因水泥水化热及外 部气温的作 用引起混凝土收缩而产生的裂缝。多 为规则的条状 ，很少交叉。常发生在结构变截面 处， 往往与受力钢筋平行。 收缩裂缝多发生在大体 积混凝土中， 梁、 板、 柱等小块体构件 ， 特别是预应 力构件极少产生收缩裂缝。混凝土收缩裂缝危害 1 8 较大 ， 尤其是暴露在大气中的构筑物 ， 影响更大。 如不加以防止 ， 可能会造成严重后果。 2 ) 超载裂缝。混凝土构件超荷载使用时， 造成 变形、 失稳或因疲劳等原因产生裂缝。 一般均发生 在构件受弯矩最大的部位， 成条状 ， 但分布不象收 缩裂缝那样均匀， 扩展方向也相反 ， 一般沿受力钢 筋垂直方向或斜向发展。产生超载裂缝的原因， 往 往是施工阶段在构件 上不适当地施 加施 工荷载或 者是上部建筑过早施工。 另外， 温度应力影响也是 原因之一 。 3 ) 沉降裂缝。 因地基差异沉降或构件接合不良、 剪应力超过设计强度而产生的一种混凝土裂缝， 多 见于填土地基、 桩基沉降不均匀的各种基础与墙体。 这种裂缝一般与地面垂直，或成 3 0 4 0 角方向发 展， 宽度因荷载大小而异， 与成降值成比例。沉降裂 缝危害极大 ， 并且极难处理。 因此必须在设计上采取 有效措施， 施工、 使用中也要加强观测、 监视。 4 ) 龟裂裂缝。 施工阶段因配料、 搅拌、 浇筑、 养 护等各环节的操作不当均能产生，其中以养护环 节为关键。 裂缝成龟壳状或散射状， 无规律， 长度、 宽度也不一致。 5 ) 疏松裂缝。混凝土浇筑时因下料不均， 致使 混凝土材料离析 ， 或因漏振、 过振而产生的疏松状 态裂缝。 如果它延续到混凝土表面， 当然容易发现， 如果只产生在混凝土内部，则不能直接表现出来。 这种疏松带长度不等， 视下料或振捣情况而异。 3 混凝土裂缝的成 因 混凝土裂缝成因很多，但可以主要归纳为以 下几点： 2 0 1 1 年第 8 期 东北水利水电 工程施工 3 1 混凝土 的收缩 收缩是混凝土的一个主要特性， 对混凝土的性 能有很大影响。 由于收缩而产生的微观裂缝一旦发 展， 则有可能引起结构物的开裂、 变形甚至破坏。 3 2 温度应力 混 凝 土 内 的水泥 在水 化 反 应 中散 出大 量 热 量 ，使混凝土升温 ，并与外部气温形成一定的温 差 ， 从而产生温度应力。其大小与温差有关， 并直 接影响到混凝土的开裂及裂缝宽度。 3 3 配筋不足 从实践 中观察到， 配筋间距大， 配筋率小的混凝 土结构开裂多， 无筋混凝土比有筋混凝土开裂 多。 3 4 混凝土材料及配合 比 配合比设计不当直接影响混凝土的抗拉强度， 是造成混凝土开裂不可忽视的原因。配合比不当指 水泥用量过大， 水灰比大， 含砂率不适当， 骨料种类不 佳， 选用外加剂不当等， 这几个因素是互相关联的。 有关试验资料显示： 用水量不变时， 水泥用量 每增加 1 0 ， 混凝土收缩增加 5 ； 水泥用量不变 时， 用水量每增加 1 0 ， 混凝土强度降低 2 0 ， 混 凝土与钢筋的粘结力降低 1 0 。 3 5 养护条件 养护是使混凝土正常硬化的重要手段。养护 条件对裂缝的出现有着关键的影响。在标准养护 条件 下 ， 混凝 土硬化 正常 ， 不会开 裂 ， 但只适 用于 试块或是工厂的预制件生产 ， 现场施工中不可能 拥有这种条件。 但是必须注意到， 现场混凝土养护 越接近标准条件 ， 混凝土开裂可能性就越小。 3 6 施工质量 混凝土浇筑施工中， 振捣不均匀， 或是漏振、 过振等情况 ， 会造成混凝土离析、 密实度差、 降低 结构的整体强度。混凝土内部气泡不能完全排除 时， 裂缝在钢筋表面 泡则降低 了混凝土与钢筋的 粘结力。 钢筋若受到过多振动， 则水泥浆在钢筋周 围密集， 也将大大降低粘结力。 3 7 环境的影响 即使混凝土本身质量、 均匀性均较好， 但如果置 它们于恶劣的环境 中， 也可能产生裂缝。 环境的影响 要通过混凝土的内因起作用，当两者产生的不利影 响相互迭加时， 混凝土便容易出现裂缝。 如果在混凝 土的早龄期受到寒潮侵袭、 洪水浸仓、 干缩等环境因 素的影响，就可能产生裂缝。例如北方冬季气温很 低， 混凝土在冰冻作用下可能出现冰冻裂缝。 3 8 结构 形式与分缝分块的影响 构筑物的结构形式不当、 形体复杂、 孔洞较多等 因素会使结构出现应力分配不均或较多的应力集中 区， 这为裂缝的产生提供了机会。实践表明， 我国已 建造的许多宽缝混凝土重力坝、 大头坝、 支墩坝等由 于坝面复杂多变、 暴露面多， 都出现了大量裂缝； 而 暴露面少的坝型如实体重力坝、 拱坝等， 能减少裂缝 发生的机率。分缝分块不合理， 也容易产生裂缝。 3 9 基岩约束的影响 基岩对浇筑块有相当大地约束 ，这样就形成 了大面积的拉应力区，常常使许多表面裂缝发展 成基础贯穿裂缝 ， 同时 ， 也可能使混凝土内部造成 基础贯穿裂缝 。例如大顶子 山航 电枢纽工程 ， 泄洪 闸 5 号、 6号、 7 号闸墩底板混凝土出现贯穿裂缝， 其 变形原 因是 由于大体积混 凝土落在 基岩体 上 ， 由于基岩体的收缩变形而引起大体积混凝土出现 贯穿裂缝。设计中虽规定了基础温差，但如果基岩 约束考虑不周， 也可能产生裂缝， 另外老混凝土的 约束也是不容忽视的。 3 1 0 高地应力的影响 围岩对浇筑混凝土块体有较大的约束，当由 于开挖卸荷引起的围岩应力进行二次分布，通常 会在已浇筑完成的混凝土构筑物块体表面形成贯 穿裂缝，甚至延伸至整个混凝土块体沿着地应力 方 向形成贯穿裂缝。例 如官地水 电站地下厂房岩 壁 吊车梁上游混凝土块体 出现数条宽 O 5 1 0 r n n l 裂缝，主要是由于高地应力释放后的围岩不均匀 变形导致， 且以张性裂缝为主， 目前对此裂缝采用 化学灌浆法进行修补处理。 3 1 1 施工工艺的影响 施 工工艺低 下是大体积混凝土产生裂缝 的最 重要原因之一。施工过程中在混凝土拌和、 运输、 平仓振捣、养护和表面保护等环节上未能重视和 严格控制， 造成混凝土质量差、 强度不均、 暴露时 间长等， 降低了混凝土的抗裂能力， 在温度变化不 大的情况下就产生了裂缝。 这些因素都会造成混凝土较大的收缩，致使 混凝土微观裂缝迅速扩展 ， 形成宏观裂缝。 4 混凝土裂缝预防措施 根据混凝土裂缝成因，采取适当措施进行预 防要比事后补救有效的多。也就是说采取以防为 主的方法， 归纳起来， 可以从以下几个方面着手： 1 9 工程施工 东北水利水电 2 0 1 1 年第 8期 4 1 设 计方 面 结构块体分层、 分缝应合理， 混凝土标号宜多采 用低标号( c 2 o以下) ， 少采用高标号 ， 以减少水化热 ， 不得已时可采用低热水泥。构筑物中避免或少设孔 洞，因结构需要分缝或并缝的块体的邻块应合理布 置钢筋。 应慎重选择骨料和水泥品种， 尽可能杜绝采 用碱性骨料，优先选用石灰岩等热膨胀系数小的岩 石骨料， 对于如冰冻等不利因素要考虑充分。 在构件 截面允许、 配筋率不变而且浇筑方便的条件下， 钢筋 直径越细、 间距越小则对预防开裂越有利。 4 2 施 工 方面 基岩处理必须慎重细致 ， 对突变、 棱角、 暗缝、 软弱夹层等 要处理干净， 遇到破碎带等要按规定 挖除。混凝 土拌和全过程的质量必须严格控 制 ， 不 允许错标号混凝土入仓 ， 并保证供料及时 ， 不至造 成仓 内混凝 土间歇 时间超过规范规定。如仓 内混 凝 土已初凝 ，应处理好上下交接层面和两种不 同 标号混凝 土的结合面。应防止混凝土下料过厚和 离析骨料堆集 ， 并加强平仓、 振捣、 凿毛和仓面冲 洗工作 ， 保证新老混凝土紧密结合。 做好混凝土表 面和棱角的保温工作，特别在气温骤降时尤为重 要。 严格控制仓位浇筑的工期 ， 防止仓面长期间歇， 造成对新混凝土 的强烈 约束。但必须 防止下层混 凝土还未 出现或 刚出现 最高温 升 ，就 将新混凝土 覆盖 上去 ， 造成 混凝 土内积温过 高 ， 无法散热 ， 加 大温度应力。 注意浇筑中混凝土施工缝的布设 ， 要 避免层厚过薄。遇到键槽、 廊道和斜面模板 ， 混凝 土收仓面应与模板面呈 9 0 角。埋有冷却水管的大 体 积混凝 土， 冷 却工序必 须按规定进 行， 要按时调 换进 出水管 口 达到能较快而均匀地冷却。 例如 ， 官 地水电站地下厂房岩壁吊车梁混凝土浇筑 ，冷却 水管调换进 出管口时 间是 8 h， 一直要持续 7 1 O d 混凝土温度降到 2 0左右时才停止降温。 4 3 施工质量 由于 施 工 质量 原 因而产 生 的裂 缝 发 生率 在 9 5 以上。如果在施工阶段控制住了裂缝 ， 则在使 用阶段开裂的可能性就很小了。因此， 施工阶段是 裂缝预防的主要阶段，在施工阶段要注意以下几 个问题 ： 首先混凝土要有合适的配合 比， 选择合适 的配合 比 ， 不仅要 满足强 度要求 、 施工 要求 ， 还 要 从防止产生裂缝的需要出发。适当地选择好水灰 比， 在满足强度要求的原则下， 尽可能减少水泥用 量。其次钢筋的成型和模板安装位置要准确 、 牢 固， 以免施工中变形。钢筋上的污物和氧化铁皮要 2 0 清除， 以免影响粘结力。第三是浇筑、 振捣操作合 理， 特别是振捣操作技术， 往往不被人们重视。过 分地振捣对混凝土均 匀性有害 ，振捣 不足也不能 保证 混凝土应有的密实度 ， 要恰到好处 。 4 4 养护 养护的目的是使混凝土正常硬化 ，强度增长， 不受或少受外界影响。 技术关键是设法使混凝土温 度级慢慢下降到接近外界气温， 缩小降温过程中的 温差。以便减小温度应力， 阻力裂缝的产生。 常规养护方法是喷水 ， 对一般混凝土结构 ， 减小 表面收缩 ， 防止龟裂是可行的。 大体积混凝土由于块 体内外温度不一致， 强度增长不同， 常常是在强度增 长慢的表面开裂，其养护就不能只满足于用常规方 法。具体说， 尽量晚拆模， 拆模后要立即覆盖或及时 回填， 避开外界气候的影响， 养护期应以混凝土强度 增长最快 的阶段为准， 即 7至 2 8 d， 最好能长些。 5 混凝 土裂缝 常见修补 技术 5 1 压力注浆法修补裂缝 1 ) 机械动 力法 。利 用压送设 备( 压 力 0 2 0 4 MP a ) 将补缝浆液注入混凝 土裂 隙 ， 达 到 闭塞的 目 的 ， 该方法属传统方法 ， 效果很好。 2 ) 低压注浆法。利用弹性补缝 器将注缝胶注 入裂缝 ， 不用电力， 十分方便效果也很理想。 5 2 开槽填补法修补裂缝 沿混凝土裂缝开凿成槽 ，用聚合物水泥砂浆 将其填补封闭的方法称为开槽填补修补法。适用 于结构允许开槽而宽度较大但数量不多的裂缝 ， 如墩台或路 面混凝土的裂缝。 5 3 涂膜封 闭法修补裂缝 在混凝土表面涂刷防水涂膜以封闭微细裂缝 的修补方法称涂膜封闭法 ，适用于宽度小于 0 2 一的微细裂缝的修补。 5 4 化学灌浆法修补裂缝 为保证官地水电站地下厂房岩壁吊车梁的结 构强度及耐久性 ， 根据裂缝宽度及深度的不 同， 对 厂房上、下游岩壁吊车梁上的所有裂缝进行潮湿 型改性环氧树脂注浆处理化学注浆处理。 1 ) 灌浆原则。自 下而上， 从 2 3 号机组之间( 灌浆区) 开始向两端进行， 多点同步， 依次灌浆。 2 ) 灌浆压力。注浆压力为 0 2 - 0 6 MP a ， 但当 开灌注浆量为 0 时压力直接提升至 0 6 MP a 。 3 ) 单嘴灌浆时间： 单嘴灌浆时间为 8 m i n 嘴。 【 收稿E l 期】 2 0 1 1 0 3 2 O