裂縫、滲漏、剝蝕！混凝土建筑物常見老化病害

點擊次數(shù)：更新時間：2023-10-27 09:38:10 【關(guān)閉】分享:

混凝土建筑物的老化病害從現(xiàn)象上來看主要有裂縫、滲漏、剝蝕三種，而每一種病害又是由多方面原因造成的。裂縫主要是由荷載、溫度、干縮、地基變形、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、地基凍脹、混凝土質(zhì)量差、水泥水化熱溫升等原因引起的；滲漏主要是由混凝土密實性差、裂縫、伸縮縫止水失效等原因引起的；剝蝕主要是由凍融、沖磨空蝕、鋼筋銹蝕、化學(xué)侵蝕、堿骨料反應(yīng)及低強(qiáng)風(fēng)化等原因引起的。

一、裂縫

裂縫是混凝土建筑物普遍、常見的病害之一，不發(fā)生裂縫的混凝土建筑物是極少的。而且混凝土裂縫往往是多種因素聯(lián)合作用的結(jié)果。裂縫對混凝土建筑物危害程度不一，嚴(yán)重的裂縫不僅危害建筑物的整體性和穩(wěn)定性，而且還會產(chǎn)生大量的漏水，使閘壩及其他水工建筑物的安全運行受到嚴(yán)重威脅。另外，裂縫往往會引起其他病害的發(fā)生與發(fā)展，如滲漏溶蝕、環(huán)境水侵蝕、凍融破壞及鋼筋銹蝕等。這些病害與裂縫形成惡性循環(huán)，會對混凝土建筑物的耐久性造成很大危害。

混凝土是多相復(fù)合脆性材料，當(dāng)其拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，或拉伸變形大于極限拉伸變形時，就會產(chǎn)生裂縫。裂縫按深度不同，可分為表層裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫；按裂縫開度變化可分為死縫(寬度和長度不再變化)、活縫(寬度隨外界環(huán)境條件和荷載條件變化而變化，長度不變或變化不大)和增長縫(寬度或長度隨時間而增長)；按產(chǎn)生原因可分成溫度裂縫、干縮裂縫、鋼筋銹蝕裂縫、超載裂縫、堿骨料反應(yīng)裂縫、地基不均勻沉陷裂縫等。

1、溫度裂縫。大體積混凝土澆筑后，水泥水化熱使內(nèi)部混凝土溫度升高，當(dāng)水化熱溫升到達(dá)高峰后，由于環(huán)境溫度較低，因此混凝土溫度開始下降。溫降過程中混凝土發(fā)生收縮，在約束條件下，當(dāng)溫降收縮變形大于混凝土極限拉伸變形時，混凝土容易發(fā)生裂縫，這種裂縫通常稱為溫度裂縫，還有一種溫度裂縫是由混凝土內(nèi)外溫差引起的，如混凝土遭受寒潮侵襲或夏天混凝土經(jīng)陽光曝曬后突然下雨，都會使混凝土內(nèi)部與表層產(chǎn)生很大溫差，混凝土表層溫度下降，而內(nèi)部溫度基本不降，這樣內(nèi)部混凝土對表層混凝土起約束作用，同樣會導(dǎo)致溫度裂縫。為了減少溫度裂縫，一般選用中熱水泥或具有微膨脹性的中熱水泥(自生體積變形為膨脹變形，如水泥中MgO含量較高，但不大于5%)和熱膨脹系數(shù)小的骨料，如石灰?guī)r骨料混凝土熱膨脹系數(shù)為(5～6)×10-6/℃，而砂巖骨料混凝土熱膨脹系數(shù)為(10～12)×10-6/℃，同樣溫度降低1℃，砂巖骨料混凝土溫度變形比石灰?guī)r骨料混凝土的溫度變形大1倍。同時在施工中還應(yīng)嚴(yán)格采取溫控措施，盡量避免裂縫發(fā)生。

2、干縮裂縫。置于未飽和空氣中的混凝土因水分散失而引起的體積縮小變形，稱為干燥收縮變形，簡稱干縮。干縮僅是混凝土收縮的一種，除干燥收縮外，混凝土還有自生收縮(自縮)、溫度收縮(冷縮)、碳化收縮等。溫度的擴(kuò)散速度比干縮的擴(kuò)散速度要快1000倍。例如，大體積混凝土干縮擴(kuò)散深度達(dá)到6cm需花30d時間，而在這段時間內(nèi)，溫度卻可傳播6m深。因此，大體積混凝土內(nèi)部不存在干縮問題，但其表面干縮是一個不能忽視的問題。正因為干縮擴(kuò)散速度小，混凝土表面已干縮，而其內(nèi)部不縮，這樣內(nèi)部混凝土對表面混凝土干縮起約束作用，使混凝土表面產(chǎn)生干縮應(yīng)力，當(dāng)混凝土的干縮應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，這種裂縫稱為干縮裂縫。實際上，水工混凝土建筑物產(chǎn)生干縮裂縫，也包含有混凝土自生體積收縮和碳化收縮作用的結(jié)果。

3、鋼筋銹蝕裂縫。混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕后，其銹蝕產(chǎn)物(氫氧化鐵)的體積將比原來增長2～4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)該膨脹應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，這種裂縫稱為鋼筋銹蝕裂縫。鋼筋銹蝕裂縫一般都為沿鋼筋長度方向發(fā)展的順筋裂縫。

4、堿骨料反應(yīng)裂縫。堿骨料反應(yīng)主要有堿一硅酸鹽反應(yīng)和堿一碳酸鹽反應(yīng)，它們都是水泥中的堿(Na2O、K2O)與骨料中的某些活性物質(zhì)如活性SiO2、微晶白云石(碳酸鹽)，以及變形石英等發(fā)生反應(yīng)而生成吸水性較強(qiáng)的凝膠物質(zhì)。當(dāng)反應(yīng)物增加到一定數(shù)量，且有充足水時，就會在混凝土中產(chǎn)生較大的膨脹作用，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，這種裂縫稱為堿骨料反應(yīng)裂縫。與最常見的混凝土干縮裂縫和荷載引起的超載裂縫不同，堿骨料反應(yīng)裂縫的形貌及分布與鋼筋限制有關(guān)，當(dāng)限制力很小時，常出現(xiàn)地圖狀裂縫，并在縫中伴有白色浸出物；當(dāng)限制力強(qiáng)時，則出現(xiàn)順筋裂縫。

5、超載裂縫。當(dāng)建筑物遭受超載作用時，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫稱為超載裂縫。此外，常見的混凝土裂縫還有地基不均勻沉陷裂縫、地基凍脹裂縫等。

二、滲漏

水工混凝土建筑物的主要任務(wù)是擋水、引水、輸水和泄水，都與“水”密切相關(guān)，而水又是無孔不入，特別是壓力水。因此，滲漏也是水工混凝土建筑物常見的主要病害之一。滲漏會使建筑物內(nèi)部產(chǎn)生較大的滲透壓力和浮托力，甚至危及建筑物的穩(wěn)定與安全；滲漏還會引發(fā)溶蝕、侵蝕、凍融、鋼筋銹蝕、地基凍脹等病害，加速混凝土結(jié)構(gòu)老化，縮短建筑物的使用壽命，同時，滲漏會引起混凝土建筑物的水量損失，影響經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

按照滲漏的幾何形狀，滲漏可分為點滲漏、線滲漏和面滲漏三種。
點滲漏和面滲漏一般是由混凝土施工質(zhì)量差造成的。例如，生產(chǎn)混凝土所用原材料不合格、攪拌不均勻、澆筑振搗不密實或漏振、骨料分離、早期凍害、塑性收縮裂縫等使混凝土疏松、不密實，抗?jié)B等級低或在其內(nèi)部形成相互連通的蜂窩孔隙，從而導(dǎo)致集中或零散滲漏和大面積散滲發(fā)生。
線滲漏較為常見，發(fā)生率高。線滲漏又可分為病害裂縫滲漏和變形縫滲漏兩種。
根據(jù)滲漏水的速度，滲漏又可分為慢滲、快滲、漏水和射流四種，滲漏水量與滲徑長度、靜水壓力、滲流截面積三個因素有關(guān)。
水工混凝土建筑物的滲漏問題是一種較為普遍的病害，歸納起來造成滲漏的原因主要有以下幾點：
(1)裂縫，尤其貫穿性裂縫是產(chǎn)生滲漏的主要原因之一，而漏水程度又與裂縫的性狀(寬度、深度、分布)、溫度及干濕循環(huán)等有關(guān)，如冬季溫度低、裂縫寬度大，在同樣水位下滲漏量就大。
(2)止水結(jié)構(gòu)失效，瀝青止水井混進(jìn)了水泥漿、止水片材性能不佳，發(fā)生斷裂、腐爛，伸縮縫變形大導(dǎo)致繞止水帶滲漏，還有止水帶施工工藝不當(dāng)?shù)纫矔饾B漏。
(3)混凝土施工質(zhì)量差，密實度低，甚至出現(xiàn)蜂窩孔洞，從而導(dǎo)致水在混凝土中滲漏。
(4)基礎(chǔ)灌漿帷幕破壞是引起基礎(chǔ)滲漏的主要原因，如帷幕灌漿施工沒有達(dá)到設(shè)計要求；運行中，帷幕受環(huán)境水的侵蝕而破壞；基礎(chǔ)處理不善，基巖出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致帷幕斷裂失效等。
滲漏對水工混凝土建筑物的危害性很大，首先，滲漏會使混凝土產(chǎn)生溶蝕破壞。所謂溶蝕，即滲漏水對混凝土產(chǎn)生溶出性侵蝕。眾所周知，混凝土中水泥的水化產(chǎn)物主要有水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣及氫氧化鈣，而足夠的氫氧化鈣又是其他水化產(chǎn)物凝聚、結(jié)晶穩(wěn)定的保證。以上水化產(chǎn)物中，氫氧化鈣在水中的溶解度較高。正常情況下，混凝土毛細(xì)孔中均存在飽和氫氧化鈣溶液，而一旦產(chǎn)生滲漏，滲漏水就可能把混凝土中的氫氧化鈣溶出帶走，在混凝土外部形成白色碳酸鈣結(jié)晶。這樣就破壞了水泥其他水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的平衡條件，從而引起水化產(chǎn)物的分解，導(dǎo)致混凝土性能的下降。當(dāng)混凝土中總的氫氧化鈣含量(以氧化鈣量計算)被溶出25%時，混凝土抗壓強(qiáng)度要下降50%；而當(dāng)溶出量超過33%時，混凝土將完全失去強(qiáng)度而松散破壞。由此可見，滲漏對混凝土產(chǎn)生溶蝕將造成嚴(yán)重的后果，其次，滲漏會引起并加速其他病害的發(fā)生與發(fā)展。當(dāng)環(huán)境水對混凝土有侵蝕作用時，滲漏會促使環(huán)境水侵蝕向混凝土內(nèi)部發(fā)展，從而增加破壞的深度與廣度；在寒冷地區(qū)，滲漏會使混凝土的含水量增大，促進(jìn)混凝土的凍融破壞；對水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，滲漏還會加速鋼筋銹蝕等。

三、剝蝕

混凝土產(chǎn)生剝蝕破壞是由于環(huán)境因素(包括水、氣、溫度、介質(zhì))與混凝土及其內(nèi)部的水化產(chǎn)物、砂石骨料、摻合料、外加劑、鋼筋相互之間產(chǎn)生一系列機(jī)械的、物理的、化學(xué)的復(fù)雜作用，從而形成大于混凝土抵抗能力(強(qiáng)度)的破壞應(yīng)力所致。最常見的剝蝕破壞有下列四種。

1、凍融破壞。混凝土產(chǎn)生凍融破壞，從宏觀上看是混凝土在水和正負(fù)溫度交替作用下而產(chǎn)生的疲勞破壞；在微觀上，其破壞機(jī)理有多種解釋，較有代表性和公認(rèn)程度較高的是美國學(xué)者T.C.Powers的凍脹壓和滲透壓理論，這種理論認(rèn)為，混凝土在凍融過程中受到的破壞應(yīng)力主要有兩方面來源，一個是混凝土孔隙中充滿水時，當(dāng)溫度降低至冰點以下而使孔隙水產(chǎn)生物態(tài)變化，即水變成冰，其體積要膨脹9%，從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；與此同時，混凝土在凍結(jié)過程中還可能出現(xiàn)過冷水在孔隙中的遷移和重分布，從而在混凝土的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生滲透壓，這兩種應(yīng)力在混凝土凍融過程中反復(fù)出現(xiàn)，并相互促進(jìn)，造成混凝土的疲勞破壞。

2、沖磨與空蝕。在水工建筑物過流部位往往容易發(fā)生沖磨和空蝕破壞，但沖磨與空蝕的破壞機(jī)理是不同的。沖磨破壞是一種單純的機(jī)械作用，它既有水流作用下固體材料間的相互摩擦，又有相互間的沖擊碰撞。不同粒徑的固體介質(zhì)，當(dāng)它的硬度大于混凝土硬度時，在水流作用下就形成對混凝土表面的磨損與沖擊，這種作用是連續(xù)的和不規(guī)則的，對混凝土面造成沖磨破壞。而空蝕破壞是在高速水流下由于水流形態(tài)的突然變化，在局部產(chǎn)生負(fù)壓，從而使水氣化而形成空穴(氣泡)，這些空穴隨水流運動到高壓區(qū)時又迅速破滅，此時對混凝土表面產(chǎn)生類似爆炸的剝蝕應(yīng)力，從而形成混凝土表面的空蝕破壞。

3、鋼筋銹蝕破壞。混凝土中鋼筋銹蝕的原因主要有兩方面：

①由于混凝土在空氣中發(fā)生碳化而使混凝土內(nèi)部堿度降低，鋼筋鈍化膜破壞，從而使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼筋生銹；
②由于氯離子侵入到混凝土中，也使鋼筋的鈍化膜破壞，從而形成鋼筋的電化學(xué)腐蝕。因此，鋼筋銹蝕過程實際是大氣(CO2、O2)、水、侵蝕介質(zhì)(Cl-等)向混凝土內(nèi)部的滲透、遷移而引起鋼筋鈍化膜破壞，并產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，使鐵變成氫氧化鐵的過程，鋼筋生銹后，其銹蝕產(chǎn)生的體積比原來增長2～4倍，從而在周圍的混凝土中產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致鋼筋保護(hù)層混凝土開裂、剝落。而保護(hù)層的剝落又會進(jìn)一步加速鋼筋銹蝕。這一惡性循環(huán)將使混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋保護(hù)層大量剝落、鋼筋截面積減小，從而降低結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，影響結(jié)構(gòu)物的安全。

4、化學(xué)侵蝕。化學(xué)侵蝕引起混凝土剝蝕破壞的原因也較復(fù)雜，從總體上看，都是可溶性侵蝕介質(zhì)隨著水滲透擴(kuò)散到混凝土中，再與混凝土中水泥水化產(chǎn)物或其他組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膨脹性產(chǎn)物或溶解度較大的反應(yīng)產(chǎn)物，從而使混凝土產(chǎn)生脹裂剝蝕或溶出性剝離。混凝土受到化學(xué)侵蝕出現(xiàn)的破壞主要有兩類：一類是硫酸鹽侵蝕，屬膨脹型破壞。當(dāng)這些溶解度小而又有體積膨脹的產(chǎn)物不斷增加時，在混凝土孔隙中將產(chǎn)生不斷增加的膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂和剝蝕。另一類是酸性水的溶出性侵蝕，溶出性侵蝕會促使混凝土中的氫氧化鈣不斷溶出，從而引起水泥水化產(chǎn)物分解、水泥石結(jié)構(gòu)疏松，混凝土強(qiáng)度降低。

聲明：根據(jù)黃國興、紀(jì)國晉編著的《混凝土建筑物修補材料及應(yīng)用》摘編，版權(quán)歸原作者所有。

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