鋼筋混凝土結(jié)構破壞倒塌的工程質(zhì)量事故,絕大多數(shù)是從裂縫的擴展開始的;其實,只要仔細觀察不難發(fā)現(xiàn),普通的鋼筋混凝土結(jié)構又一般都是帶裂縫受力工作的,假如借助儀器,甚至還可以發(fā)現(xiàn)裂縫是時刻發(fā)生變化的,隨著裂縫的發(fā)展變化,結(jié)構構件的耐久性和適用性會不同程度的降低,嚴重的甚至會導致結(jié)構構件的破壞;所以研究裂縫的形態(tài)、分析裂縫產(chǎn)生的原因和裂縫對結(jié)構功能的影響并加以控制是一個十分重要的。
裂縫的形式多種多樣;從裂縫的寬度來分,可分為微裂縫和宏觀裂縫;一般將混凝土材料在化合過程中產(chǎn)生的寬度小于0.05mm的裂縫稱之為微裂縫;它是混凝土材料固有的一種物理性質(zhì),微裂縫的產(chǎn)生幾乎是不可避免的,它的分布不規(guī)則且不貫通;這種細微裂縫假如不擴展或是擴展在一定范圍的話,它對一般的工業(yè)和民用建筑的正常使用是不會造成危害的;故這類裂縫又稱為無害裂縫。但是,在實際使用過程中,因為混凝土結(jié)構的抗拉強度要比抗壓強度低得多,所以在荷載作用下或是進一步產(chǎn)生溫差和干縮的情況下,微裂縫會開始擴展并逐漸相互貫通,從而出現(xiàn)較大的、肉眼可見的裂縫,這種裂縫稱之為宏觀裂縫,這種裂縫的寬度一般大于0.05mm。同時,按裂縫對結(jié)構影響的不同,裂縫又可以分為結(jié)構性裂縫和非結(jié)構性裂縫,非結(jié)構性裂縫主要是由于水泥硬化干縮、外界溫度和濕度變化、施工縫處理不當、鋼筋腐蝕等原因造成的;而結(jié)構性裂縫主要是由受力引起的,所以結(jié)構性裂縫又叫荷載裂縫,它是工程中最常見的裂縫。鋼筋混凝土結(jié)構上產(chǎn)生的裂縫,常見于非預應力受彎、受拉等構件中,以及預應力構件的某些部位。對于各類裂縫,必須先查明其性質(zhì)和產(chǎn)生的原因,進而確定具體的修繕方法。鋼筋混凝土結(jié)構裂縫根據(jù)其產(chǎn)生的原因不同可分為荷載裂縫、溫度裂縫、干縮裂縫、腐蝕裂縫、沉降裂縫等。
一、各種裂縫產(chǎn)生原因
荷載裂縫:結(jié)構在荷載作用下變形過大而產(chǎn)生的裂縫。一般多出現(xiàn)在結(jié)構受
拉區(qū)域、受剪區(qū)域或振動嚴重等部位。產(chǎn)生的主要原因是結(jié)構設計、施工錯誤、承載能力不足、地基不均勻沉降等等。鋼筋混凝土結(jié)構是由混凝土和鋼筋共同承擔極限狀態(tài)的承載力,結(jié)構設計師需根據(jù)地基情況,靜、動荷載,環(huán)境因素、結(jié)構耐久性等控制荷載裂縫。從國內(nèi)外有關規(guī)范可知,對結(jié)構變形作用引起的裂縫問題,存在著兩類學派:一是設計規(guī)范規(guī)定很靈活,沒有驗算裂縫的明確規(guī)定,而由設計人員自由處理。另一類則是設計規(guī)范有明確規(guī)定,對于荷載裂縫有計算公式并有嚴格的允許寬度限制,如我國《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》(GB50010 - 2002) ,工程師對結(jié)構變形裂縫控制考慮不周,是結(jié)構荷載裂縫發(fā)生過多的主要原因。
溫度裂縫:由大氣溫度變化、周圍環(huán)境高溫的影響和大體積混凝土施工時產(chǎn)生的水化熱等因素造成,水泥的水 化熱為165~250J / g ,隨混凝土水泥用量提高,起絕熱溫升可達50 ℃~80 ℃。研究表明,當混凝土內(nèi)外溫 差10 ℃時,冷縮值εc = ΔTα = 0101 % ,如溫差為20 ℃~30 ℃時,其冷縮值為0102 %~0103 % ,當大于混凝 土極限拉伸值時混凝土就開裂。
干縮裂縫:這類裂縫一是由于材料缺陷引起的,研究表明,水泥加水后變成水泥硬化體,起絕對體積減小,毛細孔縫中水逸出產(chǎn)生毛細壓力,使混凝土產(chǎn)生毛細收縮,由此引起水泥砂漿的干縮值為011 %~012 % ,混凝 土的干縮值為0104 %~0106 % ,而混凝土的極限拉伸值只有0101 %~0102 % ,所以引起干縮裂縫。
沉降裂縫:現(xiàn)澆構件因地基或砌體過大不均勻沉降;模板剛度不足、支撐間距大、支撐松動、過早拆模等,均可導致產(chǎn)生沉降裂縫。
腐蝕裂縫:由于有害離子Cl - ,Mg2 + 等侵入混凝土內(nèi)部,導致鋼筋銹蝕而使混凝土產(chǎn)生的后期膨脹裂縫。
溫度裂縫:防止因混凝土本身與外界氣溫相差懸殊,處于高溫環(huán)境的構件,應采取隔熱措施,加強養(yǎng)護,尤其在 氣溫高、風大且干燥的氣候條件下更應及早噴水。對大體積混凝土應控制裂縫,大體積混凝土工程因散 熱降溫引起的冷縮比干縮更容易引起開裂,常規(guī)的溫控措施既復雜又費錢。
二、裂縫治理方法
鋼筋混凝土結(jié)構或構件出現(xiàn)裂縫,有的會破壞結(jié)構整體性,降低構件剛度,影響結(jié)構承載力,有的雖對承載能力無多大影響,但會引起鋼筋銹蝕,降低耐久性,或發(fā)生滲漏,影響使用,尤其是在住宅建筑中,現(xiàn)澆梁、板或剪力墻出現(xiàn)的裂縫會給居民造成不安全感,而且裂縫不僅會影響抗?jié)B效果,也易造成水分侵蝕鋼筋,影響使用耐久性。因此,應根據(jù)裂縫性質(zhì)、大小、結(jié)構受力情況和使用情況,區(qū)別對待及時治理。工程中常采用的裂縫治理方法有以下幾種:
一、表面修補法
適用于對承載能力沒有影響的表面裂縫的處理,也適用于大面積細裂縫防滲、防漏的處理。
1)表面涂抹水泥砂漿:將裂縫附近的混凝土表面鑿毛,或沿裂縫鑿成深15~20mm,寬150~200mm的凹槽,掃凈并灑水濕潤,先刷水泥凈漿一層,然后用1:2的水泥砂漿分2~3層涂抹,總厚度控制在10~20mm左右,并用鐵抹抹平壓光。有防水要求時應用2mm厚水泥凈漿及5mm厚1:2的水泥砂漿交替抹壓4~5層,剛性防水層涂抹3~4小時后進行覆蓋,灑水養(yǎng)護。在水泥砂漿中摻入占水泥重量1~3%的氯化鐵防水劑,可起到促凝和提高防水性能的效果。為了使砂漿與混凝土表面結(jié)合良好,抹光后的砂漿面應覆蓋塑料薄膜,并用支撐模板頂緊加壓。
2)表面涂抹環(huán)氧膠泥:涂抹環(huán)氧膠泥前,先將裂縫附近80~100mm寬度范圍內(nèi)的灰塵、浮渣用壓縮空氣吹凈,或用鋼絲刷、砂紙、毛刷清除干凈并洗凈,油污可用二甲苯或丙酮擦洗一遍,如表面潮濕,應用噴燈烘烤干燥、預熱,以保證環(huán)氧膠泥與混凝土粘結(jié)良好。若基層難以干燥,則用環(huán)氧煤焦油膠泥涂抹。涂抹時,用毛刷或刮板均勻蘸取膠泥,并涂刮在裂縫表面。
3)采用環(huán)氧粘貼玻璃布:玻璃布使用前應在堿水中煮沸30~60分鐘,然后用清水漂凈并晾干,以除去油脂,保證粘結(jié)。一般貼1~2層玻璃布。第二層玻璃布的周邊應比下面一層寬10~12mm,以便壓邊。
4)表面涂刷油漆、瀝青:涂刷前混凝土表面應干燥。
5)表面鑿槽嵌補:沿混凝土裂縫鑿一條深槽,槽內(nèi)嵌水泥砂漿或環(huán)氧膠泥、聚氯乙烯膠泥、瀝青油膏等,表面作砂漿保護層。槽內(nèi)混凝土面應修理平整并清洗干凈,不平處用水泥砂漿填補,保持槽內(nèi)干燥,否則應先導滲、烘干,待槽內(nèi)干燥后再行嵌補。環(huán)氧煤焦油膠泥可在潮濕情況下填補,但不能有淌水現(xiàn)象。嵌補前先用素水泥漿或稀膠泥在基層刷一層,然后用抹子或刮刀將砂漿或環(huán)氧膠泥、聚氯乙烯膠泥嵌入槽內(nèi)壓實,最后用1:2水泥砂漿抹平壓光。在側(cè)面或頂面嵌填時,應使用封槽托板逐段嵌托并壓緊,待凝固后再將托板去掉。
二、內(nèi)部修補法
內(nèi)部修補法是用壓漿泵將膠結(jié)料壓入裂縫中,由于其凝結(jié)、硬化而起到補縫作用,以恢復結(jié)構的整體性。這種方法適用于對結(jié)構整體性有影響,或有防水、防滲要求的裂縫修補。常用的灌漿材料有水泥和化學材料,可按裂縫的性質(zhì)、寬度、施工條件等具體情況選用。一般對寬度大于0.5mm的裂縫,可采用水泥灌漿,對寬度小于0.5mm的裂縫,或較大的溫度收縮裂縫,宜采用化學灌漿。
1)水泥灌漿:一般用于大體積混凝土結(jié)構的修補,主要施工程序是鉆孔、沖洗、止?jié){、堵漏、埋管、試水、灌漿。鉆孔采用風鉆或打眼機進行,孔距l(xiāng)~1.5m,除淺孔采用騎縫孔外,—般鉆孔軸線與裂縫呈30~45度斜角,孔深應穿過裂縫面0.5m以上,當有兩排或兩排以上的孔時,宜交錯或呈梅花形布置,但應注意防止沿裂縫鉆孔。沖洗在每條裂縫鉆孔完畢后進行,其順序按豎向排列自上而下逐孔沖洗。止?jié){及堵漏待縫面沖洗干凈后,在裂縫表面用1:2的水泥砂漿或用環(huán)氧膠泥涂抹。埋管(一般用直徑19~38mm的鋼管作灌漿管,鋼管上部加工絲扣)安裝前應在外壁裹上舊棉絮并用麻絲纏緊,然后旋入孔中,孔口管壁周圍的孔隙用舊棉絮或其它材料塞緊,并用水泥砂漿或硫磺砂漿封堵,防止冒漿或灌漿管從孔口脫出。試水是用0.098~0.196MPa壓力水作滲水試驗,采取灌漿孔壓水、排氣孔排水的方法,檢查裂縫和管路暢通情況,然后關閉排氣孔,檢查止?jié){堵漏效果,并濕潤縫面以利于粘結(jié)。灌漿應采用425號以上的普通水泥,細度要求經(jīng)6400孔/cm2的標準篩過篩,篩余量在2%以下,可使用2:1、1:1、0.5:1等幾種水灰比的水泥凈漿或1:0.54:0.3(即水泥:粉煤灰:水)的水泥粉煤灰漿,灌漿壓力一般為0.294~0.491MPa,壓漿完畢時漿孔內(nèi)應充滿灰漿,并填入濕凈砂,用棒搗實,每條裂縫應按壓漿順序依次進行,當出現(xiàn)大量滲漏情況時,應立即停泵堵漏,然后繼續(xù)壓漿。
2)化學灌漿:化學灌漿能控制凝結(jié)時間,有較高粘結(jié)強度和一定的彈性,恢復結(jié)構整體性效果較好,適用于各種情況下的裂縫修補及堵漏、防滲處理。灌漿材料應根據(jù)裂縫性質(zhì)、裂縫寬度和干燥情況選用。常用的灌漿材料有環(huán)氧樹脂漿液(能修補縫寬0.2mm以下的干燥裂縫)、甲凝(能灌0.03~0.1mm的干燥細微裂縫)、丙凝(用于堵水、止漏及滲水裂縫的修補,能灌0.1mm以下的細裂縫)等。環(huán)氧樹脂漿液具有粘結(jié)強度高、施工操作方便、成本低等優(yōu)點,應用最廣。灌漿操作主要工序是表面處理(布置灌漿嘴和試氣)、灌漿、封孔,一般采取騎縫直接用灌漿嘴施灌,不用另外鉆孔。配制環(huán)氧漿液時,應根據(jù)氣溫控制材料溫度和漿液的初凝時間(1小時左右)。灌漿時,操作人員要戴上防毒口罩,以防中毒。
三、結(jié)構加固法
鋼筋混凝土結(jié)構的加固,應在結(jié)構評定的基礎上進行,加固的目的有結(jié)構強度加固、穩(wěn)定性加固、剛度加固、抗裂性能加固四種。這四種加固之間既有聯(lián)系又有區(qū)別,最常遇到的是結(jié)構強度加固(即結(jié)構補強)。結(jié)構加固可分為不改變結(jié)構受力圖形和改變結(jié)構受力圖形的兩種方法,亦可分為非預應力加固和預應力加固兩類。對結(jié)構或構件存在的強度(拉、壓、彎、剪、扭、疲勞)、剛度(撓曲)、裂縫(由受力、溫度、沉降、安裝引起的)、穩(wěn)定(由傾斜、偏歪、長細比過小、支撐不妥引起的)、沉降(由不均勻荷重或不均勻地基、淤泥層、大孔土地基、回填土等引起的)、使用(凈空尺寸不夠、吊車卡軌、振動、鋼筋銹蝕,結(jié)構腐蝕)等方面的問題,要區(qū)分局部性還是全局性的,關鍵部位還是次要部位的,在分析了問題產(chǎn)生的主要原因后,分別根據(jù)處理的原則和界限,視工程具體情況和條件,有針對性地采取適當加固方法。
三、裂縫控制設計原則與措施
鋼筋混凝土結(jié)構的裂縫是不可避免的,但其有害程度是可以控制的,有害與無害的界限由結(jié)構使用功能決定的。裂縫控制的主要方法是通過設計、施工、材料等方面綜合技術措施將裂縫控制在無害范圍內(nèi)。綜合技術措施包括:合理選擇結(jié)構形式,降低結(jié)構約束程度,對與水平構件梁、板、墻等采用中低強度級混凝土,加強構造配筋,如板頂部的受壓區(qū)連續(xù)配筋,板的陽角及陰角配置放射筋,增加梁的腰筋間距200mm。優(yōu)選有利于抗拉性能的混凝土級配,盡力減小水灰比、減少坍落度、降低砂率增加骨料粒徑,降低含泥量及雜質(zhì)含量。選用影響收縮和水化熱較小的外加劑和摻合料。采取保溫保濕的養(yǎng)護技術,盡量利用混凝土后期強度(60天)。對于超長結(jié)構可采取跳倉澆灌或后澆帶方法施工。對于復雜的結(jié)構難免出現(xiàn)少量裂縫影響正常使用和耐久性.裂縫分為表面裂縫,淺層裂縫,縱深裂縫(深層裂縫),貫穿裂縫等。少量有害裂縫采用近代化學灌漿技術處理,滿足設計使用和耐久性要求,不應因此降低工程質(zhì)量評定標準。