裂缝的修补

一、混凝土建筑物的老化病害

混凝土建筑物的老化病害从现象上来看主要有裂缝、渗漏、剥蚀三种，而每一种病害又是由多方面原因造成的。裂缝主要是由荷载、温度、干缩、地基变形、钢筋锈蚀、碱骨料反应、地基冻胀、混凝土质量差、水泥水化热温升等原因引起的；渗漏主要是由混凝土密实性差、裂缝、伸缩缝止水失效等原因引起的；剥蚀主要是由冻融、冲磨空蚀、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱骨料反应及低强风化等原因引起的。

1、裂缝

裂缝是混凝土建筑物最普遍、最常见的病害之一，不发生裂缝的混凝土建筑物是极少的。而且混凝土裂缝往往是多种因素联合作用的结果。裂缝对混凝土建筑物危害程度不一，严重的裂缝不仅危害建筑物的整体性和稳定性，而且还会产生大量的漏水，使闸坝及其他水工建筑物的安全运行受到严重威胁。另外，裂缝往往会引起其他病害的发生与发展，如渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻融破坏及钢筋锈蚀等。这些病害与裂缝形成恶性循环，会对混凝土建筑物的耐久性造成很大危害。

混凝土是多相复合脆性材料，当其拉应力大于抗拉强度，或拉伸变形大于极限拉伸变形时，就会产生裂缝。裂缝按深度不同，可分为表层裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝；按裂缝开度变化可分为死缝(宽度和长度不再变化)、活缝(宽度随外界环境条件和荷载条件变化而变化，长度不变或变化不大)和增长缝(宽度或长度随时间而增长)；按产生原因可分成温度裂缝、干缩裂缝、钢筋锈蚀裂缝、超载裂缝、碱骨料反应裂缝、地基不均匀沉陷裂缝等。

(1)温度裂缝。大体积混凝土浇筑后，水泥水化热使内部混凝土温度升高，当水化热温升到达高峰后，由于环境温度较低，因此混凝土温度开始下降。温降过程中混凝土发生收缩，在约束条件下，当温降收缩变形大于混凝土极限拉伸变形时，混凝土容易发生裂缝，这种裂缝通常称为温度裂缝。还有一种温度裂缝是由混凝土内外温差引起的，如混凝土遭受寒潮侵袭或夏天混凝土经阳光曝晒后突然下雨，都会使混凝土内部与表层产生很大温差，混凝土表层温度下降，而内部温度基本不降，这样内部混凝土对表层混凝土起约束作用，同样会导致温度裂缝。

为了减少温度裂缝，一般选用中热水泥或具有微膨胀性的中热水泥(自生体积变形为膨胀变形，如水泥中MgO含量较高，但不大于5％)和热膨胀系数小的骨料，如石灰岩骨料混凝土热膨胀系数为(5～6)×10—6／℃，而砂岩骨料混凝土热膨胀系数为(10～12)×10—6／℃，同样温度降低1℃，砂岩骨料混凝土温度变形比石灰岩骨料混凝土的温度变形大1倍。同时在施下中还应严格采取温控措施，尽量避免裂缝发生。

(2)干缩裂缝。置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小变形，称为干．燥收缩变形，简称干缩。干缩仅是混凝土收缩的一种，除干燥收缩外，混凝土还有自生收缩(自缩)、温度收缩(冷缩)、碳化收缩等。温度的扩散速度比干缩的扩散速度要快1000倍。例如，大体积混凝土干缩扩散深度达到6cm需花30d时间，而在这段时间内，温度却可传播6m深。因此，大体积混凝土内部不存在干缩问题，但其表面干缩是一个不能忽视的问题。正因为干缩扩散速度小，混凝土表面已干缩，而其内部不缩，这样内部混凝土对表面混凝土干缩起约束作用，使混凝土表面产生干缩应力。当混凝土的干缩应力大于抗拉强度时，

混凝土就会产生裂缝，这种裂缝称为干缩裂缝。

实际上，水工混凝土建筑物产生干缩裂缝，也包含有混凝土自生体积收缩和碳化收缩作用的结果。

(3)钢筋锈蚀裂缝。混凝土中钢筋发生锈蚀后，其锈蚀产物(氢氧化铁)的体积将比原来增长2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，当该膨胀应力大于混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝，这种裂缝称为钢筋锈蚀裂缝。钢筋锈蚀裂缝一般都为沿钢筋长度方向发展的顺筋裂缝。

(4)碱骨料反应裂缝。碱骨料反应主要有碱一硅酸盐反应和碱一碳酸盐反应，它们都是水泥中的碱(Na2O、K2O)与骨料中的某些活性物质如活性SiO2、微晶白云石(碳酸盐)，以及变形石英等发生反应而生成吸水性较强的凝胶物质。当反应物增加到一定数量，且有充足水时，就会在混凝土中产生较大的膨胀作用，导致混凝土产生裂缝，这种裂缝称为碱骨料反应裂缝。与最常见的混凝土干缩裂缝和荷载引起的超载裂缝不同，碱骨料反应裂缝的形貌及分布与钢筋限制有关，当限制力很小时，常出现地图状裂缝，并在缝中伴有白色浸出物；当限制力强时，则出现顺筋裂缝。

(5)超载裂缝。当建筑物遭受超载作用时，其结构构件产生的裂缝称为超载裂缝。

此外，常见的混凝土裂缝还有地基不均匀沉陷裂缝、地基冻胀裂缝等。

2、渗漏

水工混凝土建筑物的主要任务是挡水、引水、输水和泄水，都与“水”密切相关，而水又是无孔不入，特别是压力水。因此，渗漏也是水工混凝土建筑物常见的主要病害之一。渗漏会使建筑物内部产生较大的渗透压力和浮托力，甚至危及建筑物的稳定与安全；渗漏还会引发溶蚀、侵蚀、冻融、钢筋锈蚀、地基冻胀等病害，加速混凝土结构老化，缩短建筑物的使用寿命。同时，渗漏会引起混凝土建筑物的水量损失，影响经济效益和社会效益。

按照渗漏的几何形状，渗漏可分为点渗漏、线渗漏和面渗漏三种。

点渗漏和面渗漏一般是由混凝土施工质量差造成的。例如，生产混凝土所用原材料不合格、搅拌不均匀、浇筑振捣不密实或漏振、骨料分离、早期冻害、塑性收缩裂缝等使混凝土疏松、不密实，抗渗等级低或在其内部形成相互连通的蜂窝孔隙，从而导致集中或零散渗漏和大面积散渗发生。

线渗漏较为常见，发生率高。线渗漏又可分为病害裂缝渗漏和变形缝渗漏两种。

根据渗漏水的速度，渗漏又可分为慢渗、快渗、漏水和射流四种，渗漏水量与渗径长度、静水压力、渗流截面积三个因素有关。

水工混凝土建筑物的渗漏问题是一种较为普遍的病害，归纳起来造成渗漏的原因主要有以下几点：(1)裂缝，尤其贯穿性裂缝是产生渗漏的主要原因之一，而漏水程度又与裂缝的性状(宽度、深度、分

布)、温度及干湿循环等有关，如冬季温度低、裂缝宽度大，在同样水位下渗漏量就大。

(2)止水结构失效，沥青止水井混进了水泥浆、止水片材性能不佳，发生断裂、腐烂，伸缩缝变形大导致绕止水带渗漏，还有止水带施工工艺不当等也会引起渗漏。

(3)混凝土施工质量差，密实度低，甚至出现蜂窝孑L洞，从而导致水在混凝土中渗漏。

(4)基础灌浆帷幕破坏是引起基础渗漏的主要原因，如帷幕灌浆施工没有达到设计要求；运行中，帷幕受环境水的侵蚀而破坏；基础处理不善，基岩出现不均匀沉降，导致帷幕断裂失效等。

渗漏对水工混凝土建筑物的危害性很大，首先，渗漏会使混凝土产生溶蚀破坏。所谓溶蚀，即渗漏水对混凝土产生溶出性侵蚀。众所周知，混凝土中水泥的水化产物主要有水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙及氢氧化钙，而足够的氢氧化钙又是其他水化产物凝聚、结晶稳定的保证。以上水化产物中，氢氧化钙在水中的溶解度较高。正常情况下，混凝土毛细孔中均存在饱和氢氧化钙溶液，而一旦产生渗漏，渗漏水就可能把混凝土中的氢氧化钙溶出带走，在混凝土外部形成白色碳酸钙结晶。这样就破坏了水泥其他水化产物稳定存在的平衡条件，从而引起水化产物的分解，导致混凝土性能的下降。当混凝土中总的氢氧化钙含量(以氧化钙量计算)被溶出25％时，混凝土抗压强度要下降50％；而当溶出量超过33％时，混凝土将完全失去强度而松散破。由此可见，渗漏对混凝土产生溶蚀将造成严重的后果。其次，渗漏会引起并加速其他病害的发生与发展。当环境水对混凝土有侵蚀作用时，渗漏会促使环境水侵蚀向混凝土内部发展，从而增加破坏的深度与广度；在寒冷地区，渗漏会使混凝土的含水量增大，促进混凝土的冻融破坏；对水工钢筋混凝土结构物，渗漏还会加速钢筋锈蚀等。

3、剥蚀

混凝土产生剥蚀破坏是由于环境因素(包括水、气、温度、介质)与混凝土及其内部的水化产物、砂石骨料、掺合料、外加剂、钢筋相互之间产生一系列机械的、物理的、化学的复杂作用，从而形成大于混凝土抵抗能力(强度)的破坏应力所致。最常见的剥蚀破坏有下列四种。

(1)冻融破坏。混凝土产生冻融破坏，从宏观上看是混凝土在水和正负温度交替作用下而产生的疲劳破坏；在微观上，其破坏机理有多种解释，较有代表性和公认程度较高的是美国学者J．C．Powers的冻胀压和渗透压理论。这种理论认为，混凝土在冻融过程中受到的破坏应力主要有两方面来源，一个是混凝土孔隙中充满水时，当温度降低至冰点以下而使孔隙水产生物态变化，即水变成冰，其体积要膨胀9％，从而产生膨胀应力；与此同时，混凝土在冻结过程中还可能出现过冷水在孔隙中的迁移和重分布，从而在混凝土的微观结构中产生渗透压。这两种应力在混凝土冻融过程中反复出现，并相互促进，最终造成混凝土的疲劳破坏。

(2)冲磨与空蚀。在水工建筑物过流部位往往容易发生冲磨和空蚀破坏，但冲磨与空蚀的破坏机理是不同的。冲磨破坏是一种单纯的机械作用，它既有水流作用下固体材料间的相互摩擦，又有相互间的冲击碰撞。不同粒径的固体介质，当它的硬度大于混凝土硬度时，在水流作用下就形成对混凝土表面的磨损与冲击，这种作用是连续的和不规则的，最终对混凝土面造成冲磨破坏。而空蚀破坏是在高速水流下由于水流形态的突然变化，在局部产生负压，从而使水气化而形成空穴(气泡)，这些空穴随水流运动到高压区时又迅速破灭，此时对混凝土表面产生类似爆炸的剥蚀应力，从而形成混凝土表面的空蚀破坏。

(3)钢筋锈蚀破坏。混凝土中钢筋锈蚀的原因主要有两方面：①由于混凝土在空气中发生碳化而使混凝土内部碱度降低，钢筋钝化膜破坏，从而使钢筋产生电化学腐蚀现象，导致钢筋生锈；②由于氯离子侵入到混凝土中，也使钢筋的钝化膜破坏，从而形成钢筋的电化学腐蚀。因此，钢筋锈蚀过程实际是大气(CO2、O2)、水、侵蚀介质(C1—等)向混凝土内部的渗透、迁移而引起钢筋钝化膜破坏，并产生电化学反应，使铁变成氢氧化铁的过程。钢筋生锈后，其锈蚀产生的体积比原来增长2～4倍，从而在周围的混凝土中产生膨胀应力，最终导致钢筋保护层混凝土开裂、剥落。而保护层的剥落又会进一步加速钢筋锈蚀。这一恶

性循环将使混凝土结构的钢筋保护层大量剥落、钢筋截面积减小，从而降低结构的承载能力和稳定性，影响结构物的安全。

(4)化学侵蚀。化学侵蚀引起混凝土剥蚀破坏的原因也较复杂，从总体上看，都是可溶性侵蚀介质随着水渗透扩散到混凝土中，再与混凝土中水泥水化产物或其他组分发生化学反应，生成膨胀性产物或溶解度较大的反应产物，从而使混凝土产生胀裂剥蚀或溶出性剥离。混凝土受到化学侵蚀出现的破坏主要有两类：一类是硫酸盐侵蚀，属膨胀型破坏。当这些溶解度小而又有体积膨胀的产物不断增加时，在混凝土孑L隙中将产生不断增加的膨胀应力，最终导致混凝土开裂和剥蚀。另一类是酸性水的溶出性侵蚀，溶出性侵蚀会促使混凝土中的氢氧化钙不断溶出，从而引起水泥水化产物分解、水泥石结构疏松，混凝土强度降低。

二、混凝土建筑物修补材料的分类

针对混凝土建筑物老化病害—裂缝、渗漏及剥蚀，为了便于选用，将混凝土建筑物修补材料分为以下8类：

(1)表面嵌填堵漏材料。

(2)表面防渗材料。

(3)裂缝灌浆材料。

(4)剥蚀破坏修补材料。

(5)磨蚀破坏修补材料。

(6)结构补强加固材料。

(7)水下修补材料。

(8)化学侵蚀防护材料。

1、表面嵌缝封堵材料

表面嵌缝封堵材料主要用于裂缝灌浆处理开槽嵌填、伸缩缝堵漏嵌填、集中渗漏封堵等。常用的表面嵌缝封堵材料有聚合物水泥砂浆、环氧砂浆、非硫化丁基橡胶、GB嵌缝材料、SR塑性止水材料、弹性聚氨酯嵌缝材料、腻子型膨胀橡胶、聚硫嵌缝密封材料等。

2、表面防渗材料

表面防渗材料主要用于处理较大面积散渗。常用的表面防渗材料有聚合物水泥砂浆、沥青砂浆、钢丝网喷混凝土(砂浆)、环氧玻璃丝布复合材料(玻璃钢)、橡胶片材、聚氯乙烯(PVC)防水卷材、GB复合土工膜止水板、SR防渗盖片、水泥基渗透结晶型防水材料、防水涂料等。

3、裂缝灌浆材料

灌浆材料主要用于渗水裂缝防渗处理、混凝土裂缝结构补强、混凝土伸缩缝渗水处理，以及基础与绕坝渗漏处理等。常用的灌浆材料有水泥类浆材、环氧树脂类浆材、丙烯酰胺类浆材、丙烯酸盐类浆材、甲基丙烯酸酯类浆材、聚氨酯类浆材、沥青类浆材、互穿网络复合浆材等。

4、剥蚀破坏修补材料

剥蚀破坏修补材料主要用于冻融破坏、钢筋锈蚀引起的混凝土保护层剥落等。常用的剥蚀破坏修补材料有水泥砂浆、预缩水泥砂浆、聚合物水泥砂浆、环氧砂浆、水泥混凝土、聚合物水泥混凝土、环氧树脂混凝土、喷射混凝土、高抗冻性混凝土、钢筋阻锈剂、界面处理剂与防护涂层材料等。

5、磨蚀破坏修补材料

磨蚀破坏修补材料主要用于高速水流或夹沙(石)高速水流引起的混凝土冲磨与空蚀破坏修补。常用的磨蚀破坏修补材料有高强水泥砂浆、高强水泥石英砂浆、环氧砂浆、高强耐磨硅粉混凝土(砂浆)、高强耐磨粉煤灰混凝土(砂浆)、铁矿石骨料抗磨蚀混凝土(砂浆)、钢纤维硅粉混凝土、铸石骨料混凝土(砂浆)、低收缩硅粉混凝土、多元胶凝材料抗冲磨混凝土、聚脲抗冲磨材料，以及“海岛结构”环氧合金抗冲磨材料等。

6、结构补强加固材料

结构补强材料主要用于混凝土结构与钢筋混凝土结构承载能力不够的补强加固工程。常用的结构补强材料有补强灌浆材料、钢板与黏结剂、预应力锚杆或锚索、玻璃钢、喷射混凝土、碳纤维复合材料等。

7、水下修补材料

水下修补材料主要用于水下混凝土建筑物裂缝、渗流等病害的修补。常用的水下修补材料有水下环氧砂浆、SXM水下快速密封材料、GBW遇水膨胀止水条、HK—963水下黏结剂、橡胶片材、SR防渗盖片、GB复合土工膜止水板、水下不分散混凝土(砂浆)、水下聚合物混凝土(砂浆)、水下环氧灌浆材料、水溶性聚氨酯浆材、聚氨酯／环氧树脂复合浆材、聚氨酯／甲凝复合浆材等。

8、化学侵蚀防护材料

化学侵蚀防护材料主要用于溶出性侵蚀(渗漏、扩散)、分解性侵蚀(酸性侵蚀、碳酸与硫氢酸侵蚀、镁盐与铵盐侵蚀)、盐类侵蚀(硫酸盐侵蚀、盐类结晶侵蚀、苛性碱侵蚀)、有机质侵蚀(油类侵蚀、生物侵蚀)等化学侵蚀的防护，以及化学侵蚀破坏的修补。常用的化学侵蚀防护材料有硫铝酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、掺矿渣硫铝酸盐水泥、掺活性掺合料硅酸盐水泥、聚合物水泥砂浆等。