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混凝土裂缝和修补材料研究

混凝土作为一种多相复合基材料，具有较高弹性模量和抗拉强度，较低的抗拉强度，在受约束作用下少许收缩就会产生裂缝，裂缝产生的材性原因比较多。当裂缝产生时，为保证结构的耐久性，就需要修补，而修补材料的材性和基性材料的材性需要有效协调，以免产生二次裂缝。
混凝土是由水泥、掺和料、外加剂和水配制的胶结材料浆体将分散的砂、石经搅拌粘结在一起的工程材料。硬结的混凝土是一种多元、多相、非匀质的水泥基复合材料，具有较高的弹性模量，较低的抗拉强度，在受约束条件下只要发生少许收缩，产生的拉应力往往会大于该龄期混凝土的抗拉强度，导致混凝土发生裂缝。混凝土在浇注成型后，骨料对浆体产生约束，使混凝土内部从一开始产生微裂缝，在环境温度、湿度、荷载等因素作用下，这些微裂缝就可能发展为宏观裂缝。
混凝土开裂的原因很多，下面仅就材料这方面予以研究。
由于混凝土本身材性所导致的裂缝主要有以下几类。
1、塑性收缩裂缝
混凝土在初凝前由于水分蒸发，内部水分不断向表面迁移，形成混凝土在塑性阶段体积收缩。一般混凝土的塑性收缩约为1％，坍落度大的混凝土则可达2％。当施工时温度高，相对湿度较低时，混凝土内部水分向表面迁移供应不上蒸发量的情况下，表面失水干缩受下面混凝土的约束，表面会出现不规则的塑性收缩裂缝。这种塑性收缩裂缝在混凝土初凝前及时抹压或二次振捣可以愈合，但是如果不及时处理，可能发展为贯通性有害裂缝。
2、水化收缩及自生干缩裂缝
水泥在水化反应过程中，会产生水化收缩。硅酸盐水泥的水化收缩量约为1％～2％。水化收缩在初凝前表现为浆体的宏观体积收缩，初凝后则在已形成的水泥石骨架内生成空隙。水泥在继续水化过程不断消耗水分导致毛细孔中自由水减少，湿度降低，在外部养护水供应不充分的情况下，内部产生自干燥现象。由于自干燥作用导致毛细孔内产生负压，引起混凝土自干燥收缩。由于一般混凝土的水胶比较高所以比较少发生自干燥收缩。但是对于高强商品砼水胶比可能小于0.35，自干燥收缩则不可忽略。
3、温差胀缩裂缝
混凝土浇注后，水泥的水化热使混凝土内部温度升高，一般每100kg水泥可以使混凝土温度升高10℃左右，加入混凝土的入模温度，在2～3d内，内部温度可达50～80℃，而混凝土的线膨胀系数约为10×10－6/℃。试验表面，在标准环境下，混凝土表面温度和环境温差大于25℃时，即出现肉眼可见的温差收缩裂缝。对于大体积混凝土，温差胀缩裂缝的影响非常大。
4、干燥收缩裂缝
混凝土在硬化以后，内部的游离水会由表及里逐渐蒸发失水，导致混凝土由表及里逐渐产生干燥收缩。在约束条件下，收缩变形量导致的收缩应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就会出现由表及里的干燥收缩裂缝。早期的干燥收缩裂缝比较细微，随着时间推移，混凝土大蒸发量和干燥收缩量逐渐增大，裂缝逐渐明显，一般混凝土90d干缩率为0.04～0.06％，这是混凝土结构比较普遍地发生裂缝的主要原因。
5、碱骨料反应膨胀裂缝
碱骨料反应一般需要几十年的累计，才会使反应产物积累到一定程度出现吸水吸湿膨胀，导致混凝开裂，并加速冻融、钢筋锈蚀等综合损坏。
从上面的分析可以看出很多因素都会导致混凝土产生不同程度的裂缝，针对上述几种原因，预防裂缝的主要措施除了施工措施外，可以从下面几个方面作些努力。
（1）       凝土除选择发热量低、含碱量低的水泥外，在工作性允许的情况下，在合
理的水灰比条件下，减少掺水量，增加粗骨料用量。在合理的水灰比条件下，可以保证充分水化，减少塑性收缩，。减少用水量，这样导致收缩开裂的浆体也就少了，而且水胶比低的浆体的收缩量较小，有利于防止混凝土裂缝。
（2）为了控制混凝土初凝前的塑性收缩裂缝，要将强混凝土的保湿养护，控制表面的水分蒸发速度。
前面论述了混凝土裂缝产生的材性原因及其预防措施，但是当裂缝已经发生存在，影响耐久性了，那就要采用修复补救措施来保持结构的正常使用功能。修补处理一般采用表面处理、压力灌浆、填充法等处理方法，具体的操作方法，这里不一一提及了，这里关注修补材料自生的有关性能。
混凝土修补为了达到耐久性目的，必须考虑影响设计和选择修补措施的诸多因素。选择修补材料是许多相关的措施之一，无论修补工作如何细心，修补材料的不恰当使用都可能导致修补工作过早失效。
与现浇混凝土结构物相比，修补材料的约束收缩，即通过先浇混凝土基面上的胶结材料产生的约束力是大大增加大多数修补工作复杂性的主要因素。当相对薄的修补段由于修补材料干缩、自身体积变形和温度变化时，修补材料也产生了收缩拉应力。当这些应力超过修补材料的极限抗拉强度时，裂缝发生了。在大面积较厚的修补中，通过在修补的界面或收缩缝上涂抹防粘剂可使约束作用减到最小。
在讨论耐久、无裂缝的修补材料时，应该考虑下述的材料的一些性能。
1、 收缩
   由于大多数修补是在老混凝土结构上进行的，如果有干缩的话，老混凝土结构干缩也很小。因此，修补材料基本上也一定要无收缩或即使有收缩但没有失去粘结性。无论任何原因，当以水泥为主的修补材料失去水分时，它会收缩。而且，这种收缩通常被先浇混凝土的基面胶合力所约束。当收缩引起的应变超过修补材料的极限抗拉强度时便产生裂缝。
修补材料的干缩早在的20世纪80年代已开始引起特别注意。例如，Gurjar 和 Carter (1987)报导了46种通常使用的修补材料中的 85％的收缩值超过了常规新浇混凝土的收缩值。使用C类粉煤灰似乎是解决收缩问题的可行方法。在配比中以C类粉煤灰代替50％的水泥在试验期间收缩基本上是稳定的。在随后的试验中，完全不掺水泥，只用少量的石膏与C类粉煤灰，初步试验结果表明最佳的石膏含量大约是7％，这个配比表明28天龄期的收缩值不到万分之一，大约不到硅酸盐水泥砂浆的1/15，大约不到常规混凝土的1/50，抗压强度可与这两种砂浆相比。C类粉煤灰减少干缩的潜力有待进一步研究。
2、热膨胀系数
   研究混凝土修复材料的热相容性在温度经常有很大变化的环境中是很重要的，特别是在大面积修补和覆盖中。使用的修补材料如聚合物,有更高的热膨胀系数，在修补中将经常导致裂缝、剥落和分离。根据聚合物的不同类型，未加填料的聚合物的热膨胀系数超过混凝土的6～14倍，在聚合物中增加填料或骨料将使情况有所改善。但是加骨料的聚合物的热膨胀系数仍是混凝土的1.5到 5倍。结果是，含有聚合物的修补材料比混凝土基面更易收缩。当修补材料出现膨胀时，先浇混凝土基面上胶结材料产生的约束力引起的应力能使修补材料裂缝或出现翘曲和剥落。
3 、抗拉塑性变形
   在混凝土结构物修补中，修补材料的塑性变形应该与混凝土基面塑性变形类似，然而在保护性的修补中，更高塑性变形也有其优点。对于后者，通过抗拉塑性变形释放的应力减少了裂缝发生的可能性。弹性模量E就工程而言，结构修补材料的弹性模量应该与混凝土基面的弹性模量相同，使载荷能均匀地穿过修补的地方。尽管如此，有较低弹性模量的修补材料将表现出较低的内部应力和较高塑性变形，这减少了非结构性或保护性修补中裂缝和分离产生的可能。
4、拉应力
   拉应力是指在没有形成一条连续的裂缝时修补材料所能承受的最大应变能力。达到极限应力90％的拉应变通常被定义为极限应变。所有测量拉应力(弯曲、直接拉伸和内部约束)的常规方法中的应变速率比在收缩过程中生产的应变速率快很多。一旦超过最大拉应力或者极限应变，混凝土就开裂。
减少裂缝可以通过最大限度地减小干缩引起的应变和最大限度地提高抗拉强度。在实践中，可能很少选择材料或修改配比，这样对所有相关特性都有相当大的影响。比如，在有裂缝倾向的硅酸盐水泥修补砂浆中加入2种不同的聚合物，与对比组相比，乙烯基醋酸盐砂浆有类似的收缩能力并增加抗拉塑性变形60 %，预期可能产生较高的抗裂能力。但实际不是这么回事，在模拟修补的材料中，使用乙烯基醋酸盐砂浆产生了裂缝而丙烯酸砂浆不产生裂缝。显然，丙烯砂浆较低的收缩值、较高的抗拉强度和很低的模量足以抵消较低的塑性变形。拥有较高的抗拉强度和较低模量的丙烯酸砂浆有助于达到较高的抗拉强度。
5、渗透性
   渗透性即材料渗透液体或气体的能力，在许多修补中是重要的材料性能。然而，不顾具体情况，规定采用低渗透性修补材料的趋势应该避免。同样，注意到下列事实也是重要的，即在修补中的产生的一些贯穿裂缝将大大抵消使用很低渗透性修补材料所带来的好处。因此，在提出耐久性修补时，无裂缝的混凝土修补应该是主要的目标。
6、粘附 /胶结
   在大多数情况中，在修补材料和先浇混凝土基面之间胶结良好是成功修补的主要要求。准备很好且结实的混凝土基面总能提供足够的胶结强度。表面准备所达到的标准最能体现出胶结的情况。直接的拉伸胶结试验是评估修补材料、表面准备和浇筑过程的最佳技术手段。
7、抗压强度
   一般认为修补材料的抗压强度应该与先浇混凝土基面的抗压强度相同。通常，修补材料的抗压强度高于混凝土基面的抗压强度，不一定就有多少好处。事实上，胶结材料的较高强度表明其含有过多的水泥，这有助于产生更高的水化热并增加干缩。另外，与高抗压强度相联系的较高的弹性模量将降低塑性变形。
为达到耐久的修补效果，必须通盘考虑影响设计和选择修补手段的诸多因素，这里只是略提修补材料所要关注的一些特性。
对混凝土使用中的裂缝及其耐久修复问题，我们要了解发生的机理，通过事前预防控制来减少混凝土的裂缝发生，同时通过有效的事后补救来达到保持结构正常使用功能。

混凝土裂缝修补技术

混凝土裂缝是最常见的工程病害，但大部分裂缝都可以通过修补使混凝土结构物恢复原有功能。压力注浆法、开槽填补法和涂膜封闭法虽然都是常用的修补混凝土裂缝的方法，但是，铁道科学研究院研制成的修补新材料如ZV型混凝土修补胶、TK型注缝胶、TJ型混凝土快速修补剂等，使裂缝修补的效果更好，工艺更简单，费用更省。这些新材料、新机具和修补方法已于1994年通过技术鉴定。1992年以来对数千孔各类混凝土裂损梁（墩）和大量纵裂接触网支柱进行了修补，效果非常好。经过近10年的现场考验，证明耐久性令人满意，目前这几种方法已经在数百个铁路工务维修部门和建筑部门得到提广应用。
三种修补方法可以单独使用，也可以同时使用。例如裂损桥梁的修补，先将大于0.2mm的裂缝用注浆法修补，然后将全部混凝土外表面涂膜处理，复盖所有的细小裂缝。而对于路面和墩台的粗大裂缝用开槽填补法为宜；滨海的混凝土桥梁，为了防止钢筋锈蚀，防止混凝土受到有害离子的腐蚀，可以单独采用涂膜防水处理。
1　低压注浆法
 1.1　适用范围
    适用于宽度为0.2～3mm的混凝土裂缝修补。
 1.2　材料和机具
    TK型注缝胶；
    TZ型封缝胶和封缝粉：按一定比例可配制粘咀用浆和封缝用浆用于粘贴注浆咀和封闭裂缝。表1为粘咀用浆和封缝用浆参考配比：
粘咀用浆和封缝用浆参考配比 （重量比）　表1
粘咀用浆
封缝胶:封缝粉
1:1.5～2.5
封缝用浆
封缝胶:封缝粉
1:1～1.5
T型弹力补缝器：低压注浆修补裂缝的专用器具。
    TQ型注浆咀。

    1.3　修补工艺
    低压注浆法修补混凝土裂缝的工序如下：裂缝清理→粘贴注浆咀和封闭裂缝→试漏→配制注浆液→压力注浆→二次注浆→清理表面。
    1.3.1　裂缝清理：缝中如被泥土粉尘堵塞，可用小型工业吸尘器吸出。沿裂缝两边约5cm的混凝土表面要用湿布擦去尘土，但要注意缝中不得进水。
    1.3.2　粘贴注浆咀和封闭裂缝：TQ型注浆咀宜用粘咀用浆骑缝粘贴，注浆咀的间距与裂缝宽度有关，其间距参考表2。当裂缝数量较多时，具体作法如下。首先，在预计要贴咀的裂缝位置贴上医用白胶布，再用窄毛制将封缝用浆沿裂缝来回涂刷，使裂缝封闭。大约10分钟后，揭去胶布条，露出小缝。然后，用粘咀用浆将注浆咀在预留的小缝处骑缝粘上，整个底座都要用粘咀用浆包严，固化后周边可能有裂口，必须反复用封缝用浆补上，以免注浆时漏浆。
注 浆 咀 间 距 参 考 表            表2
裂缝宽度(mm)
0.2～0.3
0.3～0.5
0.5～1
1～3
注浆咀间距(cm)
10～20
20～30
30～40
40
1.3.3　试漏：试漏要逐条裂缝进行。每条连通的裂缝，先将注浆咀用铝铆钉堵上，留一个咀用补缝器压气，在封闭的裂缝上涂肥皂水进行试漏。对于有经验的操作者，也可不必试漏。
    1.3.4　配制注浆液：注浆操作一般在粘咀的第二天进行，气温在30℃以上时，半天时间就可注浆。注浆前先配注浆液，在塑料杯中分别倒入TK型注缝胶甲液和乙液，按重量比甲液:乙液＝2:1混合均匀备用。
    1.3.5　注浆：用补缝器吸取注浆液，插入注浆咀，用手推动补缝器活塞，使浆液通过注浆咀压入裂缝，当相邻的咀中流出浆液时，就可以拔出补缝器，堵上铝铆钉，将补缝器移到相邻注浆咀重复注浆。垂直缝，一般由下往上注浆，水平缝，从一端向另一端逐个注浆。如果裂缝较细时，可以使用补缝器上的弹力装置对注浆液自动加压，此时，一个人可以同时照看若干个补缝器。
    1.3.6　二次注浆：为了保证浆液充满，在注浆后约半小时，可以对每个注浆咀再次补浆。
    1.3.7　检查：注缝胶的强度发展与环境温度有很大关系，一般情况（20～25℃）1天后开始固化，1个月后达到要求强度。检查注缝质量可以用小型空心钻机，跨缝钻取芯样，进行检查。

2　涂膜封闭法
    2.1　适用范围
        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0.2mm的微细裂缝的修补，也可用于混凝土外表面的装饰和防水处理，以及防止混凝土保护层的碳化和有害离子对混凝土的腐蚀。

    2.2　材料和机具
    材料：ZV型混凝土修补胶，ZB型罩面胶，修补粉料或水泥。
    ZV型混凝土修补胶：是以高分子共聚物为基本原料，掺加适量改性剂、有机助剂配制成的水乳状产品，用ZV型混凝土修补胶涂膜的混凝土面层不但防水好，能更有效的保护钢筋混凝土不受侵蚀，而且能更好的美化混凝土桥梁的外表面，产生很好的视觉效果。
    ZB型罩面胶：由高分子共聚物乳液和混合助剂配制而成的水乳液，涂刷在涂膜表面，可提高涂膜的硬度、光泽性、耐久性和耐水性。
    机具：钢丝刷、羊毛辊具、油漆刷等手工工具，也可用喷浆机。

    2.3　操作方法
    2.3.1　清扫：混凝土表层的浮浆和起砂层要用砂轮打磨机磨去，并清扫或冲洗干净。
    2.3.2　刮腻子：混凝土表面裂缝、气孔和缺陷应用腻子填充补平，待干后用砂布磨平。腻子配方如下：
                ZV型混凝土修补胶:粉料＝1:1.8～2.0。
        2.3.3　涂刷底层涂料：配方如下：
                ZV型混凝土修补胶:粉料=1:0.7～0.8
    可用羊毛辊子辊涂，也可用刷涂，或者边辊边刷，涂刷1遍。涂料在使用前要通过铁窗纱过滤，除去杂质和团块。
    2.3.4　涂刷主层涂料：主层涂料配方如下：
                ZV型混凝土修补胶:粉料=1:0.8～1
    采用刷涂和辊涂方法涂刷3遍，每遍涂刷都要等上遍涂料指干后再涂，另外，两次涂刷方向最好是互相垂直。
    2.3.5　涂罩面层：在主层涂料干后，在外罩涂1～2层ZB型罩面胶。
     2.4　聚合物水泥涂膜性能（见表3）
聚 合 物 水 泥 涂 膜 性 能　
表3

序号
检　验　项　目
GB9779－88规定
1
涂料低温稳定性
不结块、无分离、不凝聚
2
初期干燥抗裂性
不出现裂纹
3
与混凝土抗拉粘结强度（MPa）
标准状态
>0.49
浸水后
>0.49
4
透　水　性
小于2.0ml
5
耐　碱　性
饱和Ca(OH)2溶液
6
耐　候　性
日光型碳弧灯250h无变化
7
耐冷热循环性
不剥落、不起泡、无裂纹
3　开槽填补法
    3.1 适用范围
        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。采取掺ZV型混凝土修补配制的聚合物修补砂浆修补混凝土裂缝，具有粘结力高，耐久性好等特点。

    3.2 材料和机具
    ZV型混凝土修补胶：以高分子共聚物为基本原料，掺加适量改性剂和有机助剂配制成的水乳产品，无毒、不燃、无腐蚀性。
    水泥：可用硅盐水泥或普通硅酸盐水泥，也可采用具有快硬和微膨胀特点的修补粉料。
    砂子：应选用洁净的中砂，含泥量小于２%。
    机具：一般的手工工具，包括钢凿子、铁锤、扁铲，有条件时可用电动凿石机具。还有铁锅、拌和铲、小盘称、油漆刷、抹刀及盛器。

    3.3 聚合物砂浆性能

龄期（天）
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
粘结强度（MPa）
抗渗性
弹性模量（MPa）
硅酸盐水泥
28
27.5
7.9
2.8
＞S10
8.9×10(立方)
修补粉料
3
26.1
8.8
3.1
＞S10
9.3×10(立方)
    上表试验采用42.5号水泥，砂浆配比为水泥:中砂:ZV型混凝土修补胶:水=1:2.5:0.4:0.2，如果提高水泥标号，增加水泥用量，掺加减水剂及降低水灰比，聚合物砂浆各项性能还可提高。
    3.4 操作方法
    开槽填补法修补裂缝的具体作法如下：开槽→涂刷界面处理浆→压抹聚合物砂浆→养护。
    3.4.1 开槽：用钢凿子和扁铲沿裂缝开槽，槽宽和深约３～５cm，呈U型，路面的裂缝可用切缝机开槽。槽内的碎屑和粉尘要清除干净。
    3.4.2 涂刷界面处理浆：用刷子在槽的底部和两壁均匀涂刷一层界面处理浆，配方如下：
    水泥（修补粉料）:ZV型混凝土修补胶=１:１
    3.4.3 压抹聚合物砂浆：聚合物水泥砂浆参考配合比（重量比）如下
    水泥（修补粉料）:中砂:ZV型混凝土修补胶:水＝1:2.5:0.3～0.4:适量
    在界面处理浆尚未硬化前，将拌制好的聚合物水泥砂浆用抹刀压入槽中，压实抹平。
    3.4.4 养护：聚合物水泥砂浆不需浇水养护，在湿空气中养护即可。养护期间不得淋雨、日晒或风吹，最好复盖一层塑料薄膜。