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非荷载裂缝是混凝土结构的常见问题，其对结构承载能力可能影响不大，但在不同服役环境中可能对结构耐久性造成重大影响。我国《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中规定，钢筋混凝土结构构件，以及在使用阶段允许出现裂缝的预应力混凝土结构构件，在设计中需验算裂缝宽度，并给出了最大裂缝宽度限值。但上述验算中使用的裂缝宽度计算公式，只适用于外荷载引起的正截面裂缝。工程实践表明，此类裂缝在混凝土结构全部裂缝中仅占20%左右，其余80%的裂缝由其他因素造成，如混凝土硬化前的塑性沉降裂缝，硬化后的温度、收缩、干缩裂缝，钢筋锈蚀引起的裂缝、碱-骨料反应裂缝等。这些裂缝可笼统称为“非荷载裂缝”，其对结构承载能力的影响远没有荷载裂缝直接，但对结构耐久性的影响可能很大（尤其是在较恶劣的服役环境中）。 裂缝的检测、评估与修复技术，一直是世界各国非常关注的领域之一，发达国家基本建设比我国早几十年，在此领域进行了大量的研究和实践，并开发了相应的修补材料和工法，形成了技术规范或标准。如美国混凝土学会ACI 224委员会的技术报告ACI 224. 1R-93：混凝土结构裂缝的成因、评价和修复；日本混凝土工学协会出版了“混凝土裂缝调查、修补、补强指南-2003”等。上述文件中有相当篇幅是针对非荷载裂缝的修复问题。我国建工、水工、铁道、公路等部门也在混凝土结构裂缝修补方面积累了大量经验，并逐步开始重视非荷载裂缝的修复技术。 本文针对工程中常见的几类非荷载裂缝，分析了其修复技术及对结构耐久性的影响。 渗水裂缝的修复 钢筋混凝土构件的自防水是建筑物防水体系的重要组成部分。当构件因温度、收缩出现裂缝后，随之而来的渗漏往往给使用者带来很大麻烦。如现在多数写字楼均建有地下车库，地下室现浇的顶板、墙体出现开裂渗漏的案例时有发生。此类裂缝一般通过灌缝处理解决，因所处环境为室内，构件的耐久性问题不突出。但在桥梁、隧道等生命线工程中，裂缝渗水不仅带来适用性的降低，更不能忽视的是，裂缝对结构长期耐久性和安全性的影响。 以我国铁路隧道工程为例，据统计漏水隧道的数量占总数的50.4%，有的区段高达94.2%,漏水较为严重的约占1/3。长期漏水造成衬砌混凝土腐蚀，是影响隧道耐久性的重要原因。而且衬砌漏水还会造成钢轨及其配件的锈蚀，影响机车电力系统的正常运营，威胁行车和人身安全。 对渗水裂缝，修补前应弄清开裂的原因。例如，如果开裂由收缩引起，经过一段时间后裂缝会稳定；在其他情况，例如开裂是由于地基沉降引起的，则沉降问题未解决之前进行修补是无效的。对于“活动缝”，要求选用柔性材料进行防水和封闭处理，以适应裂缝宽的变化；对于“死缝”，则可选用刚性材料进行防水和补强处理。 针对隧道渗漏的治理，一般需遵循“堵、截、排结合”的原则进行综合治理。在保证行车安全的前提下，可用衬砌背后注浆、衬砌内化学压浆、表面涂抹聚合物水泥防水砂浆、在边墙凿排水槽集中排水等方法。目前常用的灌浆材料有环氧树脂类、聚氨酯类等。某地下工程边墙裂缝注浆情况如图1所示。 图1 某地下工程采用注浆法对渗水裂缝进行治理 钢筋锈蚀裂缝的修复 一般而言，钢筋锈蚀是导致混凝土结构劣化的最重要因素。造成钢筋锈蚀的原因有二：碳化或氯离子侵蚀。当锈蚀积累到一定程度后，往往导致构件的顺筋开裂，此类裂缝用灌缝等方法是无法根治的，必须针对具体的锈蚀原因进行修复。 对碳化锈蚀引起的裂缝，可以采用挖补法，替换原来的混凝土保护层，并在钢筋上涂保护材料，如使钢筋恢复钝化的物质，或保护钢筋的富锌底漆等。最后，可在混凝土表面采用防碳化涂料进行涂装。 对氯离子引发的锈蚀裂缝，还需进一步分析氯离子的来源：是混凝土原材料带入的，还是从外界环境中侵入的，处理方法也不同。 内掺型氯离子 这种情况是建造时氯离子已在混凝土中，结构建成后全面替换混凝土是不可能的。若氯离子含量超过一定限值，要抑制钢筋的锈蚀，可能的方案包括电化学脱盐或阴极保护。这两种方案实施的代价较高，实际上有的工程负担不起，只能拆除建筑物，如台湾的“海砂屋”事件。我国最近某些沿海地区也拆除了一些使用海砂的混凝土结构。 侵入型氯离子 海洋环境中混凝土桥梁的主要威胁来自氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀。虽然2000年交通部推出了《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275，提出了提高海港工程混凝土结构防止氯离子侵蚀的技术措施，但仍有海边桥梁工程在设计中未采纳防腐蚀措施。如2003年在我国海南某城市海边桥梁，采用多跨简支预应力钢筋混凝土板梁式桥，桥长约280m，共13跨，中间10跨，每跨22.0m，边跨为21.53m、17.17m，使用仅10年左右，就出现了严重的钢筋锈蚀，先是开裂，然后是整片混凝土脱落，如图2所示。 图2 海边桥梁受氯离子侵蚀导致的板底脱落 对外界侵入型氯离子导致的钢筋锈蚀，处理方法首先需确定氯离子渗透的范围和程度。处理时需尽量凿出受到氯离子污染的混凝土，如剔除已渗透的保护层。采用挖补法时一定要慎重，因新补保护层材料和原保护层混凝土之间会出现“萌生阳极”，造成新的锈蚀。所以为解决此类问题，需考虑综合阻锈措施：在钢筋上涂刷阻锈或钝化剂，使用含阻锈剂的修补砂浆重建保护层，在修复后全面涂刷迁移型阻锈剂等。或者使用牺牲阳极式的阴极保护方法，可以很好地避免修复界面“萌生阳极”的现象，如图3所示。 图3 氯离子污染混凝土裂缝修复时用牺牲阳极消除“萌生阳极” 对受到氯离子污染的混凝土结构，为防止构件锈胀裂缝的发生，也可采用电化学脱盐、外加电流阴极保护等方法。最近我国一些码头的混凝土结构，在修复与维护中就使用了外加电流的阴极保护，解决了过去仅用修补砂浆修复维持时间短的问题。 碱-骨料反应裂缝的修复 所谓碱-骨料反应(Alkali Aggregate Reaction，以下简称AAR)，是骨料中的活性矿物与混凝土中的碱性细孔溶液之间的化学反应。由于这种反应，混凝土内部局部发生体积膨胀，使混凝土产生裂纹。严重时会造成混凝土毁坏。AAR一般可分为碱-硅酸反应、碱-硅酸盐反应（慢膨胀型碱-硅酸反应）和碱-碳酸盐反应。目前世界各国发现的破坏实例主要为碱-硅酸反应（Alkali Silica Reaction, 简称ASR）。 混凝土中发生碱－骨料反应必须具备以下三个条件：碱性离子（K2O, Na2O）、活性骨料和水。所以预防该反应的主要思路是使上述三个条件不同时满足，目前已能通过多种手段做到。但对发生碱-骨料的结构，则很难进行修复，原因很简单：这是一种混凝土内部的恶性膨胀反应，除非拆除结构，否则无法替换混凝土中的骨料或水泥。 裂缝是AAR最直接和可见的外部现象：在不受约束的构件中，AAR开裂呈地图状或无规则网状；在受约束的构件中，裂缝常平行于主筋方向。在裂缝处常可见到碱-硅反应的凝胶状产物形成。 在修复此类结构时，首先需做的就是封堵裂缝。裂缝的注入和密封应该在对未来活性和膨胀仔细评估的基础上。用压缩空气清除干净裂缝及附近区域，注入环氧树脂、氯丁橡胶等密封剂来封堵宽的裂缝，有助于阻止外界侵蚀性介质的侵入，同时还能阻断凝胶流动和凝胶填充的通道。但是封堵后会增加内部压力，导致新的裂缝出现。 如果用环氧树脂填充缝宽为0.2mm的表面裂缝，只能填充25～30mm深，并不能渗透进入很窄的裂缝。当裂缝在0.5～2.0mm时，硅烷的渗透也很小。环氧树脂是很脆弱的，很少能够起到裂缝搭桥的作用。已经有采用环氧树脂注入修补后，环氧树脂开裂，新的裂缝出现，其他裂缝加宽的例子。 目前认为保护性涂层是一种保护混凝土结构免受周围环境和正在进行的碱-骨料反应的有效可靠的措施。如：使用柔性的聚合物水泥砂浆涂层（含有聚丙烯树脂、硅酸盐水泥和外加剂）、硅烷防护剂等。选择的保护性涂层应该具备如下要求： 应该对常用的服役条件具有足够的抵抗力，如对紫外线、浪溅区和磨蚀环境（海工结构）、干湿和冷热循环等。如：大坝和水电站在发生AAR破坏的同时，还受到干湿和冻融循环的复合破坏，保护性涂层必须具有足够的保护能力。 减少AAR的保护性涂层应该与混凝土有很好的相融性，足够的粘接或者能够渗入不规则混凝土表面及潮湿的碱性基底（如使用硅烷时）。 从目前经验看，在世界范围内使用此类涂层、密封剂、渗透剂、浸渍剂、隔膜的效果还不总是令人满意。因为同类的涂层在性能和抵抗外部侵蚀的能力上差别很大，有的长期耐久性很差。此领域的研究还在深入进行中。日本某桥梁治理ASR裂缝的情况如图4所示。 图4a 桥墩端部因ASR网状开裂 图4b 裂缝封堵后涂装保护 图4 日本某桥梁碱-硅反应裂缝的治理 混凝土结构的非荷载裂缝在实际工程中普遍存在，对结构耐久性的影响不容忽视。如渗水裂缝、钢筋锈蚀裂缝、碱-骨料反应裂缝，如不及时治理修复将威胁整个结构的长期耐久性和安全性。在治理此类裂缝病害时，首先需通过检测弄清裂缝形成的原因，再根据裂缝目前的形态和将来的发展规律，提出有针对性的修复方案。在施工中，现场情况复杂多变，而裂缝修复材料种类繁多，必须针对具体问题因地制宜地制定修复工法，合理运用修复材料和技术才能成功解决此类问题。 本文刊载 /《桥梁》杂志 2019年 第5期 总第91期 作者 / 郝挺宇 张润 作者单位 /中冶建筑研究总院有限公司 天津市建筑工程材料企业重点实验室 编辑 / 周洋 美编 / 赵雯 责编 / 陈晨 审校 / 盛超 廖玲 |
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