水工建筑物混凝土裂缝处理

混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性材料。由于由于混凝土施工、本身变形和约束等一系列问题,使混凝土裂缝成了土木、水利、桥梁、隧道等工程中最常见的工程病害。硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝,正是由于这些初混凝土建筑和构件通常都是带缝工作的,由于裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀,降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力,影响建筑物的外观、使用寿命,严重的将威胁到人民的生命、财产。

一、水工建筑物产生裂缝因素

混凝土裂缝产生的原因很多,水工建筑物产生裂缝主要有以下几种:

(1)混凝土在硬化的过程中,由于干缩引起的体积变形受到约束时产生的裂缝,这种裂缝的宽度有时会很大,甚至会贯穿整个构件。

(2)大体积混凝土水化时产生的大量水化热得不到散发,导致混凝土内外温差较大,使混凝土的形变超过极限引起裂缝。

(3)在厚度较大的构件中,由于混凝土的塑性塌落引起的裂缝。

(4)当有约束时,混凝土热涨冷缩所产生的体积涨缩,因为受约束力的限制,在内部产生了温度应力,由于混凝土抗拉强度低,容易被温度引起的拉应力拉裂,从而产生温度裂缝。由于太阳暴晒产生裂缝也是工程中最常见的现象。

(5)混凝土加水拌和后,水泥中的碱性物质与活性骨料中活性氧化硅等起反应,析出的胶状碱——硅胶从周围介质中吸水膨涨,体积增大三倍,从而使混凝土涨裂产生裂缝。

(6)在炎热的大风天气,混凝土表面蒸发较过快,造成混凝土内部水化热过高,在混凝土浇筑数小时仍处于塑性状态,易产生塑性收缩裂缝。

(7)构件超载产生的裂缝,例如:构件在超出设计的均布荷载或集中荷载作用下产生内力弯矩,出现垂直于构件纵轴的裂缝,构件在较大剪力作用下,产生斜裂缝,并向上、下延伸。

(8)当结构的基础出现不均匀沉陷,就有可能会产生裂缝,随着沉陷的进一步发展,裂缝会进一步扩大。

(9)当钢筋混凝土处于不利环境中,例如:侵蚀性水,由于混凝土保护层厚度有限,特别是当混凝土密实性不良,环境中的氯离子等和溶于水中的氧会使混凝土中的钢筋生锈,生成氧化铁,氧化铁的体积比原来金属的体积大的多,铁锈体积膨胀,对周围混凝土挤压,使混凝土胀裂。

二、水工混凝土工程的常见缺陷修补

国内外修补裂缝的方法很多,归纳起来主要有以下三大类

(1)开槽法修补裂缝: 该法适合于修补较宽裂缝大于0.5mm,采用环氧树脂:10,聚硫橡胶:3,水泥:12.5,砂:28。首先用人工将晒干筛后的砂、水泥按比例配好搅拌均匀后,将环氧树脂聚硫橡胶也按配比拌匀。然后掺入已拌好的砂、水泥当中,再用人工继续搅拌。最后用少量的丙酮将已拌好的砂浆稀释到适中稠度(约0.4斤丙酮就可以了)。及时将已拌好的改性环氧树脂砂浆用橡胶桶装到已凿好洗净吹干后的混凝土凿槽内进行嵌入。从砂浆开始拌和到嵌入混凝土缝内,一组砂浆的整个施工过程需要30分钟左右完成。嵌入后的砂浆养护即砂浆嵌入缝槽内处理好后两小时以内及时用毛毡、麻袋将聚硫橡胶改性环氧树脂砂浆进行覆盖,待完全初凝后,开始用水养护。

(2)低压注浆法修补裂缝:低压注浆法适用于裂缝宽度为0.2mm~0.3mm的混凝土裂缝修补。修补工序如下:裂缝清理—试漏—配制注浆液—压力注浆—二次注浆—清理表面。当裂缝数量较多时,先要在裂缝位置上贴医用白胶布,再用窄毛刷沾浆沿裂缝来回涂刷封缝,使裂缝封闭,大约10分钟后,揭去胶布条,露出小缝,粘贴注浆嘴用键包严。固化后周边可能有裂口,必须反复用浆补上,以避免注浆漏浆。注浆操作一般在粘嘴的第二天进行,若气温高的话,半天就可注浆。操作时先用补缝器吸取注浆液,插入注浆嘴,用手推动补缝器活塞,使浆液通过注浆嘴压入裂缝,当相邻的嘴中流出浆液时,就可拔出补缝器,堵上铝铆钉。一般由上往下注浆,水平缝一般从一端到另一端逐个注浆。为了保证浆液充满,在注浆后约半小时可以对每个注浆嘴再次补浆。

(3)表面覆盖法修补裂缝:这是一种在微细裂缝(一般宽度小于0.2mm)的表面上涂膜,以达到修补混凝土微细裂缝的目的。分涂覆裂缝部分及全部涂覆两种方法,这种方法的缺点是修补工作无法深入到裂缝内部,对延伸裂缝难以追踪其变化。表面覆盖法所用材料视修补目的及建筑物所处环境不同而异,通常采用弹性涂膜防水材料,聚合物水泥膏、聚合物薄膜(粘贴)等。施工时,首先用钢丝刷子将混凝土表面打毛,清除表面附着物,用水冲洗干净后充分干燥,然后用树脂充填混凝土表面的气孔,再用修补材料涂覆表面。

三、工程实例

在实际工程中要区别对待各种裂缝,根据实际情况解决问题。现结合工程实例,讨论一下自己工程中遇到的裂缝形式、成因、最终处理方法及效果。

重庆市渝北区六一水库溢洪道控制段净宽2(孔)×12.0m,最大下泄流量123m3/s,溢洪道控制段右边墙与土坝衔接,左边墙与岸边公路衔接,左右边墙均为C20混凝土结构,控制段公路桥与宽4.0m坝顶连接。溢洪道进口段左、右岸边墙均为C20混凝土结构,溢流堰为C25钢筋混凝土结构。溢流堰高5m、顶宽0.6m、底宽5.0m,长25m,上游为直立面,下游边坡为1:0.66m,从堰顶面至下游堰底布设φ12@250纵、横向钢筋。溢洪道进口段的溢流堰和左右岸挡墙已施工完毕。2004年12月5日(施工完毕后4天)现场溢流堰养护工人发现溢流堰离左岸4.4m~4.9m的位置出现一条垂直于坝轴线方向的裂缝,裂缝呈上宽下窄的趋势,上宽1mm、下宽0.3mm,裂缝从溢流堰上游迎水面底部到顶面,再沿溢流堰顶面至下游堰底呈贯通状(详见附图一)。

分析裂缝产生的原因分析:根据施工单位、监理单位对溢流堰混凝土施工过程中的施工方法、施工工序、混凝土后期养护情况介绍,分析归纳影响因素主要是溢流堰体内外温差、混凝土的干缩、自生体积变形和外部约束作用等几方面,其中主导因素是外部约束作用—施工单位将25m长的溢流堰和两端的边墙的混凝土合仓浇筑所致。合仓浇筑的后果是两端大、重的挡墙和中间相对小、轻的溢流堰形成了一个整体的混凝土块体。两端大重混凝土块体约束了整个块体的自由收缩度,致使中间相对薄弱部位被拉裂。正常浇筑应该是两岸边墙和溢流堰分仓分段浇筑。

裂缝安全影响分析:溢流堰属重力坝型式,主要靠溢流堰自重满足结构稳定安全要求。由于裂缝是沿溢流堰横剖面方向展沿,裂缝的产生对溢流堰的结构安全不构成威胁,但水库蓄水后,将沿裂缝产生渗漏,影响水库正常蓄水和非洪水期的美观,如长期渗水将影响坝体结构安全。

经分析裂缝处理适合选用开槽法修补裂缝,具体处理方法如下:

1、迎水面裂缝处理:迎水面裂缝范围内开槽,槽尺寸为1000mm×150mm(位置详见附图二)。即沿缝隙凿深150mm并向两侧各扩大约500mm形成一个矩形槽。人工开槽,当遇已浇钢筋混凝土内钢筋时应保留钢筋完整性,并进行适当处理;开槽的中间布置“651”型橡胶止水带,“651”型橡胶止水厚8mm,宽280mm。橡胶止水带中间缝宽10mm,缝内采用沥青油毡(4毡5油)。新浇钢筋混凝土时布设钢筋应绕开橡胶止水,橡胶止水深入基础300mm;新浇钢筋混凝土迎水面保护层为50mm,①号钢筋深入已浇混凝土内100mm(浇筑前先钻孔)。Φ12锚筋锚深300mm~500mm,锚筋深度不超过下游溢流堰面;Φ12锚筋间距为500mm。  

2、下游背水堰面裂缝处理:溢流面裂缝为一贯穿性裂缝,因裂缝位于溢流面,溢流面有防渗、抗冲、耐磨要求,故对溢流面下游裂缝应进行表面处理。(但暂不考虑对裂缝内部进行灌浆处理,水库先蓄水、运行,同时监测、记录其运行情况,再进一步确定是否对裂缝内部进行灌浆处理。)

裂缝表面处理:在溢流面的下游面沿裂缝(以裂缝为中心)凿一条宽80mm,深40mm,的“V”型槽(详见附图三),并清洗干净,刷去松动颗粒,回填弹性环氧砂浆。

下游背水面裂缝宽0.3mm或更细,故采用化学灌浆方法处理内部裂缝。施工工序:钻孔→压气(或压水)检测→止浆→试漏→灌浆→封孔→检查

施工技术要求:(1)钻孔 布孔方式:裂缝较深,缝的走向不规则,布孔采用骑缝孔和斜孔,骑缝孔采用灌浆嘴施灌,斜孔采用埋设灌浆管施灌。  孔距和孔径:孔距、排距应视裂缝的宽度和通畅情况、浆液粘独及允许灌浆压力而定,孔距、排距初定为0.5m;钻孔采用风钻孔,为减少孔内浆量,孔径宜采用30mm~36mm。

(2)压气检测:环氧树脂(化学灌浆材料)属于憎水性材料,采用压气检测检验的方法。压气时在缝外面刷上肥皂水,以检查钻孔与缝面畅通情况;并用耗气量来检查堰内部是否有缺陷,以推估吸浆量。气压宜大于灌浆压力。

(3)缝面止浆:化学灌浆材料的渗透性能较好,造价高,为保证灌浆质量,节省浆液,要求对缝面进行严格而又细致的止浆。止浆方法是沿缝凿槽,洗刷干净后再嵌填环氧砂浆或其它速凝早强的砂浆,并将表面压实抹光。

(4)试漏:目的检查止浆效果,以选择主灌浆孔。灌浆材料采用环氧树脂,则采用压气检测,压力大于灌浆压力,当发现止浆有缺陷时,应在灌浆前进行修补。

①灌浆:灌浆材料:灌浆材料采用环氧树脂。因环氧树脂适用较干燥裂缝或经处理后已无渗水裂缝的补强,能灌0.3mm左右的细裂缝。环氧树脂粘度高较,在潮湿或水中粘合强度不高,故选在裂缝较干燥或经处理后裂缝已无渗水时施工。

灌浆压力:灌浆压力初选(4~5)Kg/cm2,灌浆压力由低到高,当压力骤升而停止吸浆时,即可停止灌浆。

灌浆方法:灌浆前,应将灌浆孔(嘴)上的阀们全部打开,用压缩空气将孔内、缝内的积水尽量吹挤干净,并争取达到处于无水状态,然后准备灌浆。

根据裂缝情况选择灌浆方法,对细微裂缝,需用较长凝结时间的浆液,采用单液法灌浆;对于较宽的裂缝,需用较短的凝结时间的浆液,采用双液法灌浆。 当一条裂缝上布有几个灌浆孔(嘴)时,可按由深至浅,由下而上的顺序灌浆。灌浆的结束标准是以不吸浆为原则。如吸浆率小于0.01L/min,并延长适当时间,亦可作为结束标准,停止灌浆。

②封孔:对于固化后强度达到或超过混凝土强度的灌浆材料,灌浆后孔内的固结物不必清除。

注意两点:一是灌浆材料—环氧树脂有毒,配料和施工时注意防护;二是选择裂缝灌浆最佳时间。对混凝土构件来说,选择最低气温时进行灌浆比较适宜。因为此时裂缝开度最大,浆液易于灌入,且其固结体在裂缝内也不会因混凝土收缩而重新被拉开,只能出现混凝土因气温升高而膨胀使固结体受压的情况。

附环氧树脂性能及配方:

(一)环氧树脂浆液的组成

环氧树脂灌浆:环氧树脂浆液是环氧树脂为主体,加入一定比例的固化剂,稀释剂,增韧剂等混合而成。硬化后,粘结力强,收缩性小,强度高,稳定性好,在抗渗、抗冲、抗气蚀方面,亦有良好能。环氧树脂因有毒性,故在配方浆液和施工中应注意防护。

主剂:环氧树脂是含有环氧基的线型高分子聚合物,目前广泛使用的是双酚A型环氧树脂,它是环氧氯丙烷与二酚基丙烷在苛性钠溶液中缩聚而成的。

固化剂:灌浆对固化剂的要求是粘度低并能在低温和潮湿状态下固化,固化剂的掺量须适宜,如固化不全,则强度降低。常用的固化剂有乙二胺、二乙烯三胺、多烯多胺等。

稀释剂:掺用稀释剂目的是降低环氧树脂浆液的粘度,增强其流动性。稀释剂有活性和非活性之分。非活性稀释剂仅起稀释作用,不参加化学反应,如丙酮、甲苯、乙醇等。活性稀释剂不仅起稀释作用,还参加化学反应,如690#环氧丙烷苯基醚、501#环氧丙烷苯丁基醚、662#甘油环氧树脂、糠醛-丙酮等。

增韧剂:其作用是改善浆液固化后的脆性。常用的增韧剂有650#聚酰胺树脂、651#聚酰胺树脂、304#聚酯树脂、邻苯二甲酸二丁脂等。

促进剂:其作用是缩短固化时间,常用是促进剂是苯酚。

(二)环氧树脂浆液的基本配方

根据一些单位的试验成果,经综合分析和选择,得出环氧树脂浆液的基本配方。

该工程溢流堰裂缝处理为2004年12月中旬,距今该溢流堰经历两次洪水期的考验,裂缝未发展,并且库内蓄水期未发生渗漏。证明处理措施是合理、有效的,达到防漏和控制裂缝的效果。

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此严格按规程、规范要求施工,严把质量关,防患于未来,尽可能地降低混凝土裂缝的出现;对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待,采用合理的方法进行处理,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作。

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