混凝土裂縫修補及監測技術研究進展

摘要：受各種因素影響，混凝土在使用過程中容易出現各種類型的裂縫，如果裂縫不及時修補，將對混凝土強度及耐久性產生影響，進而威脅工程的安全性和可靠性。近年來，混凝土裂縫修補材料、技術、監測等方面得到較快發展，并在工程中得到較好應用。對裂縫修補材料、技術、監測等方面進行總結歸納，分析其工作原理、應用條件、優缺點以及應用案例，為混凝土裂縫修補及監測技術的研究提供參考。

關鍵詞：混凝土;裂縫修補;裂縫監測;灌漿材料;自修復

混凝土具有價格低廉、就地取材、性能優異等優勢，在基礎建設中發揮著重要作用［1］。然而，因為混凝土對拉力的承受能力較弱，使用時很容易出現多種形式的裂痕。有很多因素可能導致混凝土裂痕，如混凝土原材料質量不過關，使得混凝土結構的強度低于設計標準，導致其穩定性下降，引發結構性裂痕。在混凝土施工方面，由于環境溫差變化大、混凝土內外溫差大以及養護不及時等原因，都會導致混凝土收縮裂縫的出現。在混凝土荷載方面，荷載過大、不均勻沉降、鋼筋和混凝土膨脹特性差異等情況，也會導致混凝土產生裂縫［2］。如果混凝土裂縫不及時修補，會使水分、氯離子、硫酸根離子侵蝕物質進入混凝土內部，對混凝土耐久性產生影響［3］。裂縫對混凝土的危害主要表現在安全性和耐久性兩個方面。裂痕會誘發鋼筋生銹，對混凝土形成拉力，進一步導致鋼筋防護層產生裂痕。同時，裂縫可加速混凝土炭化，造成混凝土結構破壞。裂縫還會降低結構抗滲性，降低混凝土的抗凍性能。

近年來，隨著科學技術的發展，混凝土裂縫修補材料、技術、監測等方面也得到較快發展，并在工程中得到良好應用。本文將從裂縫修補材料、技術、監測等方面，對其進行總結歸納，分析其工作原理、應用條件、優缺點以及應用案例，為混凝土裂縫修補及監測技術的研究提供參考。

1裂縫類型

根據混凝土所承受的力的不同，混凝土裂縫分為結構性裂縫和非結構性裂縫［3］。結構性裂縫主要分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭轉裂縫和拼接裂縫。非結構性裂縫主要分為收縮裂縫、溫度變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫和凍脹裂縫。

2裂縫修補材料

水工混凝土缺陷處理與防護技術的研究比建筑行業開展得晚，但近年來發展速度很快，其技術也日漸成熟。在修補材料的研究方面，最早的混凝土裂縫修補材料主要應用于建筑和路橋行業，隨著水利行業的不斷發展，尤其大體積混凝土在水工建筑物上的使用，國內外學者開始研究適合水工混凝土使用環境特點的缺陷修補材料，以滿足水利工程需要。

2.1表面封閉修補材料

對于寬度不超過0.2 mm的裂縫，處理方案應使用水泥基的滲透結晶型防水材料;裂縫寬度如果在0.2～0.4 mm內，則應以水泥基的柔性防水材料進行表面處理;若裂縫寬度大于或等于0.4 mm，那么水泥基的柔性防水材料或聚硫密封膠［4］都可以作為填充材料。

2.2內部灌漿修補材料

有機類型、無機類型以及有機無機復合類型是混凝土裂縫灌漿材料的主要分類。有機類裂縫灌漿材料可分為環氧樹脂基、聚氨酯樹脂基、甲基丙烯酸甲酯基、有機硅樹脂基、復合樹脂基等幾種。這種類型的裂縫充填物具有高粘結力，并且灌注容易。在空氣中硬化的時間短，還具有強大的防水能力，抗滲透和防潮能力強，耐腐蝕，并可用于混凝土結構的強化、裂縫的修復和防止滲漏。不足之處在于作為有機材質，與混凝土和水泥部件的熱膨脹系數存在很大的差異，固化后的樹脂易發生變形，容易產生二次裂縫。對施工環境和施工面的要求相對較高，樹脂類材料的制造和使用可能對環境造成污染，并對工作人員的健康存在風險。

水泥通常被選作無機質填充裂縫的原材料，但在進行固化過程中體積會縮小，可能導致細線般的裂縫留在原處。又因為水泥是粒狀的，所以無法滲透到極細的裂縫內，只能在裂縫寬度達到或超過2 mm的地方使用。一般而言，水泥漿液的初始水和水泥的比例在1∶1～3∶1，過于稀薄的水泥漿液在干燥后會引發更大的裂縫。為了提升水泥漿液的灌漿性和耐久度，同時避開固化后的收縮問題，可以通過減小水泥的粒度使其能夠填補更微小的裂縫，并阻止灌漿后的體積收縮，還能借此改善其力學特性。

有機無機復合型裂縫注塑材料繼承了無機材料的高強度、低成本和良好灌注性等優勢，同時也擁有有機材料的快速固化、水下不散亂，以及凝固初期良好塑性的優點。因此，有機無機復合類材料已成為裂縫灌漿材料研究的熱點，現今應用范圍也越來越廣泛。

3裂縫修補技術

3.1傳統裂縫修補技術

傳統的裂縫修補方法主要有填充法、涂膜封閉法、灌漿嵌縫封堵法、混凝土置換法、電化學防護法、結構補強法等，其中灌漿嵌縫封堵法又可分為壓力注漿法、開槽填補法和涂膜封閉法3種［58］。

涂膜封閉法非常適合修補最大0.2 mm的微小裂縫，同時也具備對混凝土外部表面的裝飾和防水處理能力，此外還能防止混凝土保護層發生炭化和防止有害離子腐蝕混凝土。而寬度介于0.2～0.3 mm的裂縫，一般會通過灌漿填縫封堵的方式來進行補償。當裂縫過大，灌漿嵌縫封堵法無法修補時，可以將混凝土構件重新澆筑，并在構件的周圍使用鋼筋進行加固。

3.2裂縫自修復技術

自愈合混凝土是指在水泥基體中預先埋入特殊組分，當混凝土結構產生損傷裂縫時，基體內的愈合劑在物理或化學作用下得以釋放，封堵裂縫，限制其進一步擴展，達到愈合的目的。混凝土結構的自修復，從機制上來說分為3種：自然修復、自動修復、自主修復［910］。其中自然修復取決于混凝土材料本身，自動修復和自主修復則由各種添加劑或不同外部影響來實現。其中自主修復方法通常有：膠囊自修復、形狀記憶合金自修復、纖維混凝土自修復、生物自修復。

自然修復常用的方法是在混凝土中加入修復劑，自動修復混凝土出現的損傷、阻止裂縫的發展，修復裂縫可大幅節約在結構維護上的花費，提高結構的安全性。

膠囊自修復是將修復劑封存于膠囊之中，然后在混凝土中加入固化劑，當混凝土受力出現裂縫的同時，裝有修復劑的膠囊隨之破裂，接觸固化劑，所產生的物質填堵裂縫，從而達到修復裂縫的目的。

4裂縫監測技術

4.1柔性導電涂料

對于采用彈性導電涂料的混凝土裂縫監測技術，其工作原理是在混凝土表面涂覆飽含大量導電粒子的彈性膠質材料。當混凝土裂縫產生并逐漸擴展時，裂縫影響區的導電粒子間距也相應增大，導致涂料中的電阻值明顯增大或突變。

4.2長標距光纖光柵

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器是橋梁健康檢測經常運用的光纖靈敏器材，其主要的運行機制是利用光源發出的光波沿著傳輸路線進入FBG傳感器，隨后在壓力和氣溫的影響下對光波作出調整，并通過反射將帶有壓力、氣溫信息的光波引入接收通道，最后被探測器接收并解析出結果。通過運用長波長光柵監測混凝土裂縫的技術，不僅可以實現大規模的監測，還可以利用錨定端剛度變化保護和防止紫外線照射刻線衰退等措施，大幅提升了其長期穩定性，理論上其使用壽命能夠超過20年。

4.3機器視覺自動化

采用機器視覺實現自動化檢測，是利用可見光、紅外線、激光、聲吶等各種成像技術來獲得橋梁結構的外觀圖像（這種能力超過人類視覺，并且擁有更多的成像頻段和種類），接著運用人工智能或者自動識別算法在圖像中尋找是否有結構裂縫、銹蝕、蜂窩、麻面等問題。一旦找到這些問題，就會對裂縫的位置和寬度等進行量化測量。

5結論

通過對裂縫修補材料、技術、監測等進行總結歸納，分析其工作原理、應用條件、優缺點以及應用案例。主要結論如下：

（1） 根據受力狀態，混凝土裂縫分為結構性裂縫和非結構性裂縫。結構性裂縫主要分為彎曲裂縫、剪切裂縫、扭轉裂縫和拼接裂縫。非結構性裂縫主要分為收縮裂縫、溫度變形裂縫、鋼筋銹蝕裂縫和凍脹裂縫。

（2） 裂縫修補材料主要分為表面封閉修補材料和內部灌漿修補材料。表面封閉修補材料的選用根據裂縫寬度而有所不同。內部灌漿修補材料主要分為有機類、無機類和有機無機復合類三種。

（3） 在裂縫修補傳統技術的基礎上，又出現一些新技術，如裂縫自修復技術，該技術根據其自修復原理不同，可分為自然修復、自動修復以及自主修復三種。

（4） 在裂縫監測傳統方法的基礎上，又出現一些新的監測技術，如基于柔性導電涂料的裂縫監測技術、基于長標距光纖光柵的裂縫監測技術以及基于機器視覺的自動化裂縫監測技術。

參考文獻：

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作者簡介：王進軍，男，寧夏銀川人，高級工程師，本科，研究方向：水利水電工程建設管理。

通信作者：李祿祿，男，河南鄭州人，工程師，碩士，研究方向：水利工程檢驗檢測。