混凝土裂縫和修補材料研究論文
摘要：混凝土作為一種多相復合基材料，具有較高彈性模量和抗拉強度，較低的抗拉強度，在受約束作用下少許收縮就會產生裂縫，裂縫產生的材性原因比較多。當裂縫產生時，為保證結構的耐久性，就需要修補，而修補材料的材性和基性材料的材性需要有效協調，以免產生二次裂縫。
關鍵詞：事故處理 結構材料
引 言
混凝土是由水泥、摻和料、外加劑和水配制的膠結材料漿體將分散的砂、石經攪拌粘結在一起的工程材料。硬結的混凝土是一種多元、多相、非勻質的水泥基復合材料，具有較高的彈性模量，較低的抗拉強度，在受約束條件下只要發生少許收縮，產生的拉應力往往會大于該齡期混凝土的抗拉強度，導致混凝土發生裂縫。混凝土在澆注成型后，骨料對漿體產生約束，使混凝土內部從一開始產生微裂縫，在環境溫度、濕度、荷載等因素作用下，這些微裂縫就可能發展為宏觀裂縫。
混凝土開裂的原因很多，下面僅就材料這方面予以研究。
由于混凝土本身材性所導致的裂縫主要有以下幾類。
1、塑性收縮裂縫
混凝土在初凝前由于水分蒸發，內部水分不斷向表面遷移，形成混凝土在塑性階段體積收縮。一般混凝土的塑性收縮約為1％，坍落度大的混凝土則可達2％。當施工時溫度高，相對濕度較低時，混凝土內部水分向表面遷移供應不上蒸發量的情況下，表面失水干縮受下面混凝土的約束，表面會出現不規則的塑性收縮裂縫。這種塑性收縮裂縫在混凝土初凝前及時抹壓或二次振搗可以愈合，但是如果不及時處理，可能發展為貫通性有害裂縫。
2、水化收縮及自生干縮裂縫
水泥在水化反應過程中，會產生水化收縮。硅酸鹽水泥的水化收縮量約為1％～2％。水化收縮在初凝前表現為漿體的宏觀體積收縮，初凝后則在已形成的水泥石骨架內生成空隙。水泥在繼續水化過程不斷消耗水分導致毛細孔中自由水減少，濕度降低，在外部養護水供應不充分的情況下，內部產生自干燥現象。由于自干燥作用導致毛細孔內產生負壓，引起混凝土自干燥收縮。由于一般混凝土的水膠比較高所以比較少發生自干燥收縮。但是對于高強商品砼水膠比可能小于0.35，自干燥收縮則不可忽略。
3、溫差脹縮裂縫
混凝土澆注后，水泥的水化熱使混凝土內部溫度升高，一般每100kg水泥可以使混凝土溫度升高10℃左右，加入混凝土的入模溫度，在2～3d內，內部溫度可達50～80℃，而混凝土的線膨脹系數約為10×10－6/℃。試驗表面，在標準環境下，混凝土表面溫度和環境溫差大于25℃時，即出現肉眼可見的溫差收縮裂縫。對于大體積混凝土，溫差脹縮裂縫的影響非常大。
4、干燥收縮裂縫
混凝土在硬化以后，內部的游離水會由表及里逐漸蒸發失水，導致混凝土由表及里逐漸產生干燥收縮。在約束條件下，收縮變形量導致的收縮應力大于混凝土的抗拉強度時，混凝土就會出現由表及里的干燥收縮裂縫。早期的干燥收縮裂縫比較細微，隨著時間推移，混凝土大蒸發量和干燥收縮量逐漸增大，裂縫逐漸明顯，一般混凝土90d干縮率為0.04～0.06％，這是混凝土結構比較普遍地發生裂縫的主要原因。
5、堿骨料反應膨脹裂縫
堿骨料反應一般需要幾十年的累計，才會使反應產物積累到一定程度出現吸水吸濕膨脹，導致混凝開裂，并加速凍融、鋼筋銹蝕等綜合損壞。
從上面的分析可以看出很多因素都會導致混凝土產生不同程度的裂縫，針對上述幾種原因，預防裂縫的主要措施除了施工措施外，可以從下面幾個方面作些努力。
（1） 凝土除選擇發熱量低、含堿量低的水泥外，在工作性允許的情況下，在合
理的水灰比條件下，減少摻水量，增加粗骨料用量。在合理的水灰比條件下，可以保證充分水化，減少塑性收縮，。減少用水量，這樣導致收縮開裂的漿體也就少了，而且水膠比低的漿體的收縮量較小，有利于防止混凝土裂縫。
（2）為了控制混凝土初凝前的塑性收縮裂縫，要將強混凝土的保濕養護，控制表面的水分蒸發速度。
前面論述了混凝土裂縫產生的材性原因及其預防措施，但是當裂縫已經發生存在，影響耐久性了，那就要采用修復補救措施來保持結構的正常使用功能。修補處理一般采用表面處理、壓力灌漿、填充法等處理方法，具體的操作方法，這里不一一提及了，這里關注修補材料自生的有關性能。
混凝土修補為了達到耐久性目的，必須考慮影響設計和選擇修補措施的諸多因素。選擇修補材料是許多相關的措施之一，無論修補工作如何細心，修補材料的不恰當使用都可能導致修補工作過早失效。
與現澆混凝土結構物相比，修補材料的約束收縮，即通過先澆混凝土基面上的膠結材料產生的約束力是大大增加大多數修補工作復雜性的主要因素。當相對薄的修補段由于修補材料干縮、自身體積變形和溫度變化時，修補材料也產生了收縮拉應力。當這些應力超過修補材料的極限抗拉強度時，裂縫發生了。在大面積較厚的修補中，通過在修補的界面或收縮縫上涂抹防粘劑可使約束作用減到最小。
在討論耐久、無裂縫的修補材料時，應該考慮下述的材料的一些性能。
1、 收縮
由于大多數修補是在老混凝土結構上進行的，如果有干縮的話，老混凝土結構干縮也很小。因此，修補材料基本上也一定要無收縮或即使有收縮但沒有失去粘結性。無論任何原因，當以水泥為主的修補材料失去水分時，它會收縮。而且，這種收縮通常被先澆混凝土的基面膠合力所約束。當收縮引起的應變超過修補材料的極限抗拉強度時便產生裂縫。
修補材料的干縮早在的20世紀80年代已開始引起特別注意。例如，Gurjar 和 Carter (1987)報導了46種通常使用的修補材料中的 85％的收縮值超過了常規新澆混凝土的收縮值。使用C類粉煤灰似乎是解決收縮問題的可行方法。在配比中以C類粉煤灰代替50％的水泥在試驗期間收縮基本上是穩定的。在隨后的試驗中，完全不摻水泥，只用少量的石膏與C類粉煤灰，初步試驗結果表明最佳的石膏含量大約是7％，這個配比表明28天齡期的收縮值不到萬分之一，大約不到硅酸鹽水泥砂漿的1/15，大約不到常規混凝土的1/50，抗壓強度可與這兩種砂漿相比。C類粉煤灰減少干縮的潛力有待進一步研究。
2、熱膨脹系數
研究混凝土修復材料的熱相容性在溫度經常有很大變化的環境中是很重要的，特別是在大面積修補和覆蓋中。使用的修補材料如聚合物,有更高的熱膨脹系數，在修補中將經常導致裂縫、剝落和分離。根據聚合物的不同類型，未加填料的聚合物的熱膨脹系數超過混凝土的6～14倍，在聚合物中增加填料或骨料將使情況有所改善。但是加骨料的聚合物的熱膨脹系數仍是混凝土的1.5到 5倍。結果是，含有聚合物的修補材料比混凝土基面更易收縮。當修補材料出現膨脹時，先澆混凝土基面上膠結材料產生的約束力引起的應力能使修補材料裂縫或出現翹曲和剝落。
3 、抗拉塑性變形
在混凝土結構物修補中，修補材料的塑性變形應該與混凝土基面塑性變形類似，然而在保護性的修補中，更高塑性變形也有其優點。對于后者，通過抗拉塑性變形釋放的應力減少了裂縫發生的可能性。彈性模量E就工程而言，結構修補材料的彈性模量應該與混凝土基面的彈性模量相同，使載荷能均勻地穿過修補的地方。盡管如此，有較低彈性模量的修補材料將表現出較低的內部應力和較高塑性變形，這減少了非結構性或保護性修補中裂縫和分離產生的可能。
4、拉應力
拉應力是指在沒有形成一條連續的裂縫時修補材料所能承受的最大應變能力。達到極限應力90％的拉應變通常被定義為極限應變。所有測量拉應力(彎曲、直接拉伸和內部約束)的常規方法中的應變速率比在收縮過程中生產的應變速率快很多。一旦超過最大拉應力或者極限應變，混凝土就開裂。
減少裂縫可以通過最大限度地減小干縮引起的應變和最大限度地提高抗拉強度。在實踐中，可能很少選擇材料或修改配比，這樣對所有相關特性都有相當大的影響。比如，在有裂縫傾向的硅酸鹽水泥修補砂漿中加入2種不同的聚合物，與對比組相比，乙烯基醋酸鹽砂漿有類似的收縮能力并增加抗拉塑性變形60 %，預期可能產生較高的抗裂能力。但實際不是這么回事，在模擬修補的材料中，使用乙烯基醋酸鹽砂漿產生了裂縫而丙烯酸砂漿不產生裂縫。顯然，丙烯砂漿較低的收縮值、較高的抗拉強度和很低的模量足以抵消較低的塑性變形。擁有較高的抗拉強度和較低模量的丙烯酸砂漿有助于達到較高的抗拉強度。
5、滲透性
滲透性即材料滲透液體或氣體的能力，在許多修補中是重要的材料性能。然而，不顧具體情況，規定采用低滲透性修補材料的趨勢應該避免。同樣，注意到下列事實也是重要的，即在修補中的產生的一些貫穿裂縫將大大抵消使用很低滲透性修補材料所帶來的好處。因此，在提出耐久性修補時，無裂縫的混凝土修補應該是主要的目標。
6、粘附 /膠結
在大多數情況中，在修補材料和先澆混凝土基面之間膠結良好是成功修補的主要要求。準備很好且結實的混凝土基面總能提供足夠的膠結強度。表面準備所達到的標準最能體現出膠結的情況。直接的拉伸膠結試驗是評估修補材料、表面準備和澆筑過程的最佳技術手段。
7、抗壓強度
一般認為修補材料的抗壓強度應該與先澆混凝土基面的抗壓強度相同。通常，修補材料的抗壓強度高于混凝土基面的抗壓強度，不一定就有多少好處。事實上，膠結材料的較高強度表明其含有過多的水泥，這有助于產生更高的水化熱并增加干縮。另外，與高抗壓強度相聯系的較高的彈性模量將降低塑性變形。
為達到耐久的修補效果，必須通盤考慮影響設計和選擇修補手段的諸多因素，這里只是略提修補材料所要關注的一些特性。
對混凝土使用中的裂縫及其耐久修復問題，我們要了解發生的機理，通過事前預防控制來減少混凝土的裂縫發生，同時通過有效的事后補救來達到保持結構正常使用功能。
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