水工混凝土建筑物各种病害、缺陷, 大多始发于或显露于结构外表面, 如裂缝、破损、磨蚀、渗漏、钢筋锈蚀以及结构外观变形等。有些病害的起因比较简单, 仅根据现场仔细检查、测绘病害的形态、范围和程度, 就可以分析清楚和做出判断。水工混凝土却经常受到各种裂缝的威胁, 增加了建筑物使用过程中的修理与加固费用, 影响或限制了结构的正常使用功能, 并缩短结构的使用年限, 影响效益和安全, 造成经济损失, 严重浪费资源, 甚至引发社会问题。因此有必要对水工混凝土的常见裂缝进行分析。
1 水工混凝土裂缝产生原因
混凝土裂缝成因很多, 主要归纳为以下几点。
1.1 地基不稳定引起的裂缝
地基的冻胀、沉陷等使水工混凝土产生裂缝。
1.2 构件超载产生的裂缝
构件在超出设计的均布荷载或集中荷载作用下产生内力弯矩, 出现垂直于构件纵轴的裂缝, 构件在较大剪力作用下产生斜裂缝, 并向上、下延伸。大多产生于横梁、板等。
1.3 水泥凝结或膨胀不正常引起的裂缝
如水泥安定性不稳定, 水泥中含有生石灰或氧化镁, 这些成分在和水化合后出现体积膨胀, 产生裂缝。也就是人们常说的材料的伸缩裂缝。
1.4 水灰比、塌落度过大, 或使用过量粉砂引起的裂缝
混凝土强度值对水灰比的变化十分敏感, 基本上是水和水泥计量变动对强度影响的叠加。因此, 水、水泥、外掺混和材料、外加剂溶液的计量偏差, 将直接影响混凝土的强度。
1.5 化学反应引起混凝土开裂
例如:混凝土在施工过程中材料里有碱性物质引起混凝土体积膨胀而产生裂缝;氯离子的侵蚀引起钢筋锈蚀, 也会造成混凝土开裂。如高层建筑物的立柱、排架等。
1.6 混凝土施工过分振捣, 模板、垫层过于干燥引起的裂缝
混凝土浇筑振捣后, 粗骨料沉落, 挤出水分、空气, 表面呈现泌水而形成竖向体积缩小沉落, 造成表面砂浆层, 它比下层混凝土有较大的干缩性能, 待水分蒸发后, 易形成凝缩裂缝。而模板、垫层在浇筑混凝土之时洒水不够, 过于干燥, 则模板吸水量大, 引起混凝土的塑性收缩, 产生裂缝。
1.7 温度变化引起的裂缝
混凝土引起收缩的原因很多, 硬化初期主要是由于水泥的水化作用, 形成一种新的水泥结晶体, 这种结晶体化合物较原材料体积小, 因而引起混凝土体积的收缩, 即凝缩。后期主要是混凝土内自由水蒸发而引起的干缩。而且, 如果混凝土处在一个温差变化较大的环境下, 将会使其收缩更为加剧。
1.8 养护条件引起的裂缝
养护是使混凝土正常硬化的重要环节。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。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。
2 预防混凝土裂缝措施
2.1 设计方面
在设计上要注意到那些容易开裂的部位, 如深基与浅基、高低跨处等, 应考虑到由于地基的差异沉降或结构原因而引起的薄弱环节, 在设计中加以解决。在构件截面允许、配筋率不变而且在浇筑方便的情况下, 钢筋直径越细、间距越小则对预防开裂越有利。
2.2 施工方案与预防方面
采取良好的施工方案与预防措施, 对控制混凝土裂缝着很大的关系。施工方案主要应确定一定的浇筑量, 施工缝间距、位置及构造、浇筑时间、运输及振捣等。一次浇筑长度由垂直施工缝分割, 最好是设置在变截面处或承受拉、剪、弯应力较小的部位。除控制一次浇筑厚度外, 分层位置即水平施工缝设留位置也应加以注意。一般来说, 应尽量留在变截面处, 或远离受拉钢筋部位而设在混凝土的受拉区, 确定浇筑时间的原则应尽量避开炎热天气和昼夜温差大的日子。如果必须在夏季施工, 则应采取材料降温措施来控制混凝土入模温度。
2.3 施工质量方面
由于施工质量原因而产生的裂缝发生率在95%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也就小了。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: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, 还要考虑从防止产生裂缝的需要出发。适当的选择好水灰比, 在满足强度的原则下, 尽可能减少水泥用量。钢筋的成型和模板安装位置要准确、牢固, 以免施工中发生变形。钢筋上的污物和氧化层要清除, 以免影响黏结力。浇筑和振捣操作要合理, 特别是振捣操作技术往往不被人们所重视。振捣不足就无法保证混凝土应有的密实度, 过分的振捣则对水泥混凝土均匀有害, 要恰到好处。
2.4 养护方面
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。
3 裂缝常见修补方法
裂缝修补除了以恢复防水性和耐久性为主要目的外, 也可从结构安全及美观角度出发而进行修补。在满足修补目的的前提下, 还必须考虑经济性、明确修补范围及修补规模等。混凝土裂缝的修补方法很多, 归纳起来主要有三大类。
3.1 充填法
此法适合于修补较宽的裂缝 (裂缝宽度大于0.5mm) 。具体做法是沿裂缝处凿U形或V形槽, 槽顶宽约10cm, 在槽中充填密封材料。充填材料可用水泥砂浆、环氧砂浆、弹性环氧砂浆、聚合物水泥砂浆等[2]。如果钢筋混凝土结构中钢筋已经锈蚀, 则将混凝土凿除到能够充分处理已经生锈的钢筋部分, 将钢筋除锈。然后进行防锈处理, 再在槽中充填聚合物水泥砂浆或环氧树脂砂浆等材料。对于活缝, 沿裂缝走向开一个U形槽, 槽底垫一层与混凝土不粘的材料, 再填充弹性嵌缝材料, 使其与槽两侧粘结。这样嵌缝材料沿槽的整个宽度可自由变形, 裂缝发生张拉变形时, 不会把嵌缝材料拉开。
3.2 注入法
注入法分为压力注入法与真空吸入法2种。压力灌浆法适用于较深较细的裂缝, 而真空注入法是利用真空泵使缝内形成真空, 将浆材吸入缝内, 该法适用于各种表面裂缝的修补。灌浆材料有水泥浆材、普通环氧浆材、弹性环氧浆材等。
3.3 表面覆盖法
这是一种在微细裂缝 (一般宽度小于0.2 m m) 的表面上涂膜, 以提高其防水性及耐久性为目的的修补方法, 分为涂覆裂缝部分及全部涂覆2种方法。这种方法的缺点是修补工作无法深入到裂缝内部, 对延伸裂缝难以控制其变化。表面覆盖法所用材料视修补目的及其建筑物所处环境不同而异, 通常采用弹性涂膜防水材料、聚合物水泥膏、聚合物薄膜等。施工时, 首先用钢丝刷子将混凝土表面打毛、清除表面附着物, 用水冲洗干净后充分干燥, 然后用树脂充填混凝土表面的气孔, 再用修补材料涂覆表面。
4 水工混凝土的养护
4.1 养护方法
水工混凝土养护是混凝土生产中周期最长的工艺过程, 养护时间视当地气候条件及水泥品种而定, 一般养护从混凝土浇筑完毕12h~18h开始, 并持续21d~28d。多采用洒水进行自然养护, 还有喷涂薄膜养护和塑膜包裹养护方法, 使混凝土表面保持湿润, 实现养护目的。
为起初按惯例采用自然养护法, 若在工程环境炎热、气候干燥的条件下, 需在混凝土脱模后便开始养护工作, 且草帘遮盖加洒水养护与无遮盖洒水养护要同时进行, 养护时间21d~28d, 浇水次数根据气候情况和覆盖物的保湿能力决定, 以保证混凝土有足够的湿润, 固定专人养护。实践表明, 遮盖加洒水养护的混凝土比无遮盖洒水养护的强度增长更快, 28d强度回弹平均值前者高于设计10%以上, 后者在设计值左右变动, 后者混凝土表面有不规则的干缩裂纹和起沙现象, 分析其原因认为构筑物表面持水性差, 水源不便, 养护质量易失控, 达不到养护要求, 严重影响到构筑物混凝土质量。在无风或风小的情况下可采用塑料膜覆盖养护方法, 以不透水汽的塑料膜来保持混凝土中的水, 满足混凝土强度增长的需求, 但是养护效果检验认为, 这种方法存在较多的具体问题, 不能满足混凝土强度均匀的要求, 保证率低。
因此, 混凝土养护剂便成为混凝土养护方法中的新宠。最初是靠引进国外的养护剂, 后因为成本过高, 我国便自行生产了混凝土养护剂, 并达到了国外同类产品的标准。其中甘肃生产的JD混凝土养护剂, 就能够保证混凝土早期强度的增长以及各部位强度的均匀性, 满足混凝土养护质量要求和技术要求, 消除了自然养护和塑料膜覆盖养护方法难以管理、不能保证养护效果的缺陷, 成为施工单位乐于使用的养护方法。
4.2 混凝土养护剂使用的经济分析
同强度等级混凝土试块采用不同养护方法效果与经济性比较表明:养护剂养护的试块28d强度接近或基本达到标准养护强度值;塑料膜包裹养护的试块28d强度, 最高值与最低值相差较大, 均匀性较差;无覆盖洒水养护的试块28d强度值最低, 可以认为, 养护剂养护的混凝土质量均匀, 各组试件强度差异小, 保证率大, 是最有效的养护方法。
根据广泛的实践经验分析与总结, 混凝土养护剂养护与其他各种现场养护方法相比, 具有以下优点:施工操作简便, 现场清洁, 交叉作业干扰小;有效降低混凝土养护成本和劳动强度, 节约费用50%以上;养护后的混凝土构筑物表面水泥色泽加深, 观感良好;便于检查与控制养护质量, 从而有效提高养护质量的保证率;对难以用洒水及覆盖方法养护及在干旱缺水地域的混凝土结构具有事半功倍的效果;节约工程用水, 避免浪费水资源。
5 结语
由于病害的影响, 很多水工混凝土建筑物的耐久性受到威胁和挑战, 很多以前建成的混凝土建筑物也不同程度地遭受了破坏, 因此很有必要对这些病害进行分析和研究论证, 探讨可行的、有效的处理措施和预控方案, 并且在工程建设过程中做好宣传教育和引导工作。混凝土的耐久性问题不是设计、施工和运行管理单位任何一家的问题, 而是共同面临的问题, 一定要高度重视, 认真对待, 各参建及运行管理单位要齐心协力, 全方位、多渠道地联合控制, 确保混凝土质量, 减少病害隐患及威胁, 提高水工混凝土耐久性。
摘要：本文主要对水工混凝土裂缝产生原因进行分析, 并提出了相对的处理措施。
关键词：水工混凝土,产生原因,预防措施,修补方法
参考文献
[1] 王凯, 孔斌.大体积水工混凝土施工质量控制措施[N].河南水利与南水北调, 2009-06-20.
[2] 周波, 陈怀明.谈水工混凝土外观的施工质量管理与控制[N].山西建筑, 2008-12-20.
[3] 徐跃祥.水工混凝土施工质量的全面控制[N].湖南水利水电, 2007-08-20.