混凝土結構的病害分析

趙建光

摘 要：混凝土構件作為當今建筑結構中最主要的承重構件，在使用中要求保持一定的結構完整性，一旦產生危害整體結構安全的裂縫，對工程而言十分危險，因而要控制其裂縫的產生并及時進行處理。混凝土構件的裂縫成因有很多，首先有由于各類變形引起的裂縫：比如由于溫度升降導致的體積收縮和膨脹、由于地基不均勻沉降引起的裂縫、由于地震等外力作用引起的裂縫；除此之外還有外荷載引起的裂縫；以及主體結構構件由于養護條件差或發生了有害化學作用引起的裂縫等。在實際工實踐中，針對已出現的構件裂縫進行，應該針對病害的形態認真分析其成因，同時應該根據工程的實際情況采取最合理、經濟的處理方案。

關鍵詞：混凝土；構件；病害；裂縫

我們都知道，混凝土作為一種由水泥、水、粗骨料、細骨料和其他外加劑經過均勻攪拌混合制成的建筑材料。混凝土這種建筑材料的抗壓強度相對比較高，但是對應的抗拉強度就比較低，因而混凝土的結構構件非常容易開裂。混凝土這種材料在施工的過程中，小孔洞、貫通縫隙形成的氣穴和纖維裂縫這些病害會通過構件受到的多余約束或疲勞作用逐漸顯露出來。對于安全經過養護期正在使用中的構件極易產生這類情況。產生的細小的纖維裂縫大多數對于構件本身是起不到危害的，也基本影響不到構件在結構中發揮的正常作用。但是，一旦這些纖維裂縫經過長期荷載作用同時頻繁升降溫作用而發生疲勞破壞，內部纖維裂縫逐漸融匯貫通形成大裂縫，這對結構本身就是一個非常大的威脅。

1 混凝土病害的概述及簡要分析

1.1 基本設計理論

混凝土結構構件的兩種極限狀態受力情況分析，長久以來作為設計工作中的基本考察依據，在進行設計工作中，應該詳細分析正常使用極限狀態下的構件，同比極限狀態下的承力情況，可以在設計在考慮到各類不同的受力情況，保證結構安全可靠。在構件臨近破壞時的極限狀態可以反映出構件的承載能力，而正常使用極限狀態則可以反映出混凝土構件在工作時的受力情況。通過研究這兩種受力狀態，我們可以通過合理的正常使用極限狀態來設計可以控制混凝土的裂縫并且保證其剛度?？梢酝ㄟ^裂縫、變形和振動來體現混凝土結構的使用性能，剛度就可以通過變形和振動程度來體現。

1.2 混凝土裂縫的分類

1.2.1 結構裂縫

構件外部許多因素諸如長期處于外部荷載作用、多與約束作用、地基不均勻沉降引起的結構變形或者長期循環溫度升降等，引起了結構構件微小裂縫的產生，如果不進行檢測處理，久而久之就會對結構產生非常大的影響。

1.2.2 非結構裂縫

非結構裂縫顧名思義就是指材料原因或者施工工藝及方法不當引起的裂縫。我們通常情況下說的塑性裂縫就是指非結構裂縫，它是一種不可恢復的裂縫，這類裂縫的類型包括材料收縮導致的裂縫，地基不均勻沉降引起的變形裂縫，施工過程中不良外力引起的構件裂縫或者材料發生不良化學反應引起的破壞裂縫。

收縮裂縫的形成一般發生在養護階段的水泥與水結合骨料的凝結硬化反應，這部分裂縫包括水泥與水發生膠結反應的體積收縮裂縫、養護過程中水分蒸發或者但與反應引起的裂縫、養護結束后由于水化熱漸漸傳遞出構件引起的冷縮裂縫。

混凝土腐蝕破壞是混凝土構件腐蝕性介質的作用下，基本的骨料膠結結構破壞，形成的嚴重病害。這類裂縫主要出現在疲勞破壞或者受外部腐蝕性物質影響較大的混凝土構件中。

鋼筋的銹蝕裂縫的成因是混凝土構件表面的微裂縫逐漸擴展和貫通，腐蝕性物質通過貫通的裂縫滲入構件內部最終導致鋼筋發生銹蝕和膨脹，最終將保護層頂開而產生的裂縫。

2 工程應用中混凝土結構的常見病害與成縫分析

2.1 成因分析

混凝土裂縫的成因有以下幾個方面：

2.1.1 材料方面

首先在材料方面，水泥的安定性較差或者水化反應產生的熱量過大引起的溫差，混凝土的配合比設計不合理，在拌合過程中由于拌合不利產生的泌水和沉陷等病害，混凝土中添加了不合適的外加劑，砂、石骨料中含有超標的泥或其他有害雜質，混凝土基本配合骨料中發生堿骨料反應或骨料已經風化等這些原因都會引起混凝土的干縮。

2.1.2 施工方面

從施工這方面的因素考慮，產生裂縫的原因主要有混凝土的攪拌時間過長和運輸間隔過久導致混凝土在澆筑前發生了部分凝結；在攪拌過程中未能均勻攪拌外加摻合劑導致外加劑在構件內作用不均；在泵送混凝土澆筑構件的過程中水泥與水增用過量；構件混凝土的澆筑順序錯誤或速度過快；如果澆筑過程中振搗工作不到位會導致模板端角處出現空穴；鋼筋在混凝土初步凝結硬化后受到較大外力作用導致偏移；構件保護層沒有得到保證，厚度減小導致箍筋外皮只有水泥漿包裹；施工縫位置不正確、制作處理不當；模板設計不合理，支撐系統不足以抵抗澆筑混凝土產生的力矩從而導致底模下沉，最終使構件形狀發生改變；模板拼接部分沒做澆筑前勾縫處理，拼接不密實導致漏漿或者漏水；養護時間不足便拆除模板，導致混凝土早期強度不達標；混凝土養護條件差，構件早期過分失水，水泥未能完全發揮膠結作用，或者養護初期受凍還，導致結構松散；另外在構件運輸、吊裝或存放的過程中處理不當都可能產生裂縫。

2.1.3 設計方面

在設計方面，設計階段基本構件的構造細節處理不當，設計計算簡圖不符合實際受力情況，構件局部承載力不足或是在設計過程中沒有考慮某些次要應力作用。

2.1.4 環境和使用情況的影響

這部分影響裂縫產生的因素主要有環境中溫度與濕度的變化以及環境中危害結構的有害介質含量的大小。如果溫度變化幅度較大，很容易導致混凝土的凍融熱脹變化，濕度變化過大則非常容易使混凝土在養護過程中失水過快形成干縮縫，而有害介質的存在則會影響混凝土和鋼筋這些材料的本身穩定性。

2.1.5 其他各種原因

這部分因素主要指不可抗力作用，比如火災、地震、燃氣爆炸、撞擊等。

2.2 常見裂縫的分析及預防措施

混凝土構件在使用中經常出現的裂縫有沉降縫、干縮縫、塑性收縮縫、溫度縫和化學縫。

2.2.1 沉降裂縫

結構所處地基土質不均勻、回填土材料選用不當、排水不善都是形成沉降縫的原因，除此之外，前面提到的模板支撐系統失穩也是影響因素之一，比如冬季凍土在氣溫回升后的軟化，會直接導致上部結構下沉。

針對沉陷性的裂縫的主要預防措施如下：在勘測期如果發現地基土質為松軟土或填土地基，那么在進行結構施工之前應提前對地基進行夯實和加固；構件的模板支撐體系要保證足夠的強度和剛度以及牢固性；嚴格控制地基周圍的水含量，防止在澆灌過程中浸水；拆模工作應按照科學合理的順序進行，堅決避免混凝土沒有足夠承載能力的時候就提前拆模。

2.2.2 干縮裂縫

干縮裂縫一般出現在養護初期，產生原因有以下幾個方面：養護初期構件內外部失水程度不同，構件與外部環境相對濕度越大越容易產生這類干縮裂縫。這類裂縫常見于體量較大的結構構件、水工結構或者環境氣溫較高時的的澆筑工作中?；炷馏w量過大，內部水分散發過慢導致內外濕度相差較大；水工結構導致外部相對內部濕度過高，內部收縮大于外部收縮；氣溫較高時，外部失水速度過快。

針對干縮裂縫可以通過改善材料和溫度濕度的措施解決：材料方面可以選擇低水化熱水泥，攪拌過程中應該攪拌均勻并且嚴格控制水灰比，注意水含量的保證，減水劑也可以作為輔助材料適當添加；冬季養護要十分注意，減小內外溫差，延長時間并做防凍處理；通過合理設置收縮縫來減小產生干縮裂縫的可能。

2.2.3 塑性裂縫

凝結硬化的前期快速失水是塑性裂縫的主要成因。失水過快常常由于氣溫和風速過高引起，高溫引起水分大量蒸發，高速流動的空氣也會帶走大量水分。過快的失水使得混凝土因體積快速收縮使得混凝土承受過大的負壓力，而構件本身的承載能力還不足以抵抗收縮產生的應力，因此產生龜裂。

針對塑性縫可采用下列方法預防：材料選用上可以使用早強、干縮程度小的水泥；混凝土攪拌制作時保證水灰比按照設計比進行攪拌；澆筑前，對混凝土接觸面的介質進行加濕，養護期注意構件表面保護，定時加水或養護劑；養護期若處于水分易蒸發天氣需要考慮周全的保護措施，比如遮蓋物和擋風板。

2.2.4 溫度裂縫

環境導致構件失水程度過大或本身體量過大的結構容易產生此類病害。大體量混凝土一般尺寸較大，因而內部反應產生的熱量無法暢通的散發到構件外部，導致內部溫度急劇上升。內外的過大溫差導致了兩部分線脹系數相同的材料處于差別較大的溫度下，必然會產生變形上的差異，內外變形的差異使中間接觸部分產生拉應力，當混凝土本身難以抵抗這部分拉應力時產生裂縫，這類溫度裂縫一般產生在養護中期或后期。

針對溫度裂縫的主要預防措施有：材料的選用上，可以多采用地水化熱水泥，盡可能的通過設計減小水泥用量，以降低水化熱；在混凝土攪拌工藝上要進行改善，在保證骨料合理級配的條件下保證攪拌均勻，可以適當添加外加劑以起到減水、增塑、緩凝等作用；高溫天氣進行澆筑工作時盡可能采取有效措施避免構建內外部溫差過大，比如表面保溫減緩散熱，避免陽光直射導致溫度再次升高等方法；大體量混凝土結構可以通過設計合理的施工澆筑順序避免散熱不暢，比如合理的整體分層或區域分層的澆筑方案，同時可以內部設置管道循環冷水的方法來進行混凝土內部的降溫工作以減小混凝土內外溫差；保證養護期間溫度的控制工作，出現預期外的溫度變化及時設計降溫、保溫方案，及時進行覆蓋保濕工作，并適當延長養護時間。

2.2.5 化學反應裂縫

這類裂縫主要由混凝土材料的堿骨料反應和剛進材料的銹蝕反應引起。堿骨料反應主要是混凝土材料上的問題，拌和后產生的堿性離子與混凝土內部某些活性骨料共同吸收水分發生反應導致體積增大，最終反應使得混凝土酥松、膨脹開裂。堿骨料反應引起的混凝土的失效以及鋼筋的銹脹引起的結構開裂修補十分困難，因而要嚴格控制構件工作環境中的有害介質含量，避免這類病害的發生。

針對化學反應裂縫有以下處理措施有：材料選擇方面注意骨料部分和外加劑部分的堿性物質含量，進料前應該進行實驗檢測以保證安全；也通過合適的外摻料選用來抑制堿骨料反應；澆筑過程中注意工藝細節，比如攪拌過程中的級配、澆筑過程中的振搗、保護層厚度的嚴格限制；另外針對鋼筋銹脹反應，可以采用涂刷防腐涂料的方法來進行有效的抑制。

3 表層破損病害與裂縫的實用處理方法

針對已經出現的混凝土結構表面病害及裂縫，可以采用如下措施進行合理的修補，以保證結構的繼續使用。

（1）抹面層：可采用抹素水泥漿方法簡單處理小范圍的蜂窩、麻面或表面浮皮現象。抹漿前使用鋼絲刷去除表面浮渣，再使用壓力水將掉皮處沖洗干凈。抹漿修補后期的養護要保證濕潤。

（2）填縫法：針對相對寬度較大但是數量不多的裂縫，或因銹脹反應產生順筋剝落混凝土的裂縫可以采用填縫法進行處理。填縫優先選用環氧樹脂、環氧砂漿、聚合物水泥砂漿、水泥砂漿等材料。填縫前對裂縫進行如下處理：將裂縫鑿成槽狀，對于有較高防滲漏要求的結構加涂一層防水油膏，另外表面也可以圖環氧樹脂漿液來提高粘結力，對于銹脹縫鑿到暴露鋼筋的程度，在露出的鋼筋上加涂防銹涂料。

（3）壓力注漿法：也是通常說的灌漿法，處理方法是高壓將高粘結性漿液擠入裂縫深部，來填補縫隙、使結構重新成為整體并完善構件防水性能。這類方法適用于縫寬較窄小，在0.3mm左右且較深的裂縫。在使用上注意保證灌注液粘結力強、可灌性好。

（4）其他處理方法：針對混凝土表面的大孔洞缺陷，通常情況可以采用豆石混凝土進行填實。如果出現表面大面積破損，則可以通過噴射混凝土的方法來進行修補。