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1簡介

目前的土木建築工程,以混凝土結構佔主導地位,混凝土結構由於內外因素的作用不可避免地存在裂縫,而裂縫是混凝土結構物承載能力、耐久性及防水性降低的主要原因。
北京冶建工程裂縫處理中心針對混凝土裂縫,開發了工程師自動低壓灌漿的方法進行修復。自動低壓灌漿技術是混凝土裂縫灌漿領域包括材料、機具、施工的一項綜合技術。國際發展趨勢表明,建築物維修、改造業已成為當今社會的熱門課題,而混凝土裂縫無處不在,無法避免,建築物的破壞往往是從裂縫開始,因此,對裂縫的控制和處理至關重要。
該技術研製了袖珍式可對混凝土微細裂縫進行自動壓力灌漿的新型機具和適應各種形態裂縫修復的灌漿樹脂、配套材料,提供了混凝土缺損維修的聚合物砂漿和界面處理技術,並對裂縫成因和微細裂縫注入理論進行了分析,通過大量工程實踐,總結制定了一套自動壓力灌漿操作細則和質量保證體系,為中國現有建築物的維修改造提供了有價值的技術途徑和實施手段。
該技術自1989年實施以來,填補了國內空白,開拓了中國自動低壓灌漿技術的新領域,在主要技術指標上達到國際先進水平。

2控制

  1. 優先選用低水化熱的礦渣水泥拌制混凝土,並適當使用緩凝減水劑;
  2. 在保證混凝土設計強度等級的前提下,適當降低水灰比,減少水泥用量;
  3. 降低混凝土的入模溫度,控制混凝土內外的溫差(當無設計要求時,控制在25℃以內);
  4. 及時對混凝土覆蓋保溫、保濕;
  5. 在拌合混凝土時可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥,使混凝土得到補償收縮,減少混凝土的溫度應力;
  6. 設置后澆縫,當大體積混凝土平面尺寸過大時,可以適當設置后澆縫,以減小外應力和溫度應力;
  7. 大體積混凝土可採用二次抹面工藝,減少便面收縮裂縫。

3處理

混凝土裂縫處理
混凝土裂縫處理,是指採取科學的方法對混凝土裂縫進行修復的技術。
混凝土裂縫一般有三種狀態:靜止裂縫,活動裂縫,正在發展的裂縫。混凝土裂縫處理方法的選擇一般要考慮的因素:判斷裂縫是活動的還是靜止的;修補的主要目的是什麼?是減少過多的滲漏、使裂縫處完全水;是否需要加固處理;裂縫產生的主要原因是什麼;裂縫未來的變化(數值和方向)如何。
常見的混凝土裂縫處理的基本原理、要點:
  1. 樹脂灌注法 環氧樹脂是最常見的裂縫灌注材料。它具有較高的機械強度,並能抵抗混凝土所遇到的大多數化學侵蝕,樹脂可以灌入到0.05㎜的裂縫。除某些特殊的環氧樹脂之外,當裂縫是活動的、有滲漏的、不能幹透的或者裂縫數量極多時,通常不易採用樹脂灌注法。北京冶建工程裂縫處理中心開發的具有國際領先水平的工程師自動低壓灌漿技術是樹脂灌注法的最佳工法之一。
  2. 聚合物浸入法
2.1重力滲入法 低粘度的液態樹脂可用來密封路面、橋面的不小於0.1㎜的裂縫。將樹脂塗刷到表面上,或者在水平表面上沿裂縫構築臨時的圍堤,使樹脂溢於裂縫表面。
2.2 真空滲入法 更適合封閉多重無規則表面裂縫。先將裂縫表面密封,抽去真空,使裂縫中和孔隙中的空氣全部排除。再在大氣壓力下用純環氧樹脂漿料注入裂縫表面中。
  1. 釘合法 當必須恢復主裂縫斷面的抗拉強度時,使用釘合法比較適宜。特別比較適宜在不會損壞周圍結構的場合下用來鎖閉活動裂縫。用相對薄而長的金屬「縫合U型釘」跨過裂縫嵌入事先開好的槽溝中,用無收縮砂漿或者環氧樹脂基粘合劑來固定。
  2. 表面封閉法 這是最簡單和最普通的裂縫修補方法。用於修補對結構影響不大的靜止裂縫,通過密封裂縫來防止水汽、化學物質和二氧化碳的侵入。
  3. 灌漿法
5.1普通水泥灌漿 大體積水壩、厚混凝土牆、或者水工結構的岩石基礎上的裂縫,有時通過注入硅酸鹽水泥砂漿來密閉。
5.2聚合物灌注 基於氨基甲酸乙酯或者丙烯醯胺聚合物的灌漿料,和水反應后形成固態沉澱物或泡沫材料,起到封閉裂縫的作用。可在潮濕環境中使用。
  1. 鑽孔嵌塞法 這種方法通常用來灌注牆體中的裂縫。如果要求密封防水,孔中應填入柔性瀝青來代替砂漿;如果灌注栓塞的作用比較重要,孔中則要灌注環氧樹脂。
  2. 柔性密封法 通常將活動裂縫轉變為運動節縫是比較適宜的辦法。沿裂縫邊緣開一凹槽並填入適當的柔性材料。節縫底部使用隔離層。
  3. 粘貼法 當運動不止作用於一個平面時,或者過度的運動已超過一個普通尺寸的凹槽所允許的範圍時,或者不可以切割出槽時可使用這個方法。用柔性的密封帶蓋住裂縫,僅將帶的邊緣部分粘住。
  4. 附加鋼筋法
9.1普通鋼筋 首先將裂縫密閉,然後貫穿裂縫平面大約90°的方向鑽孔,將環氧樹脂注入孔內,再將鋼筋插入孔中使之粘合成整體。
9.2外部施加預應力 通過後張法施加應力,來加強結構件的主要部分或者封閉裂縫。
  1. 干嵌填法 用手工將低水灰比的砂漿連續嵌入裂縫,形成與原有混凝土結構緊密連接的密實砂漿。先在裂縫表面開槽,大約25㎜寬、25㎜深,清理后塗刷界面劑、連續嵌入低水灰比的砂漿。
  2. 迭合面層法 當結構表面存在大量的裂縫,而且採用其它辦法單獨處理各個裂縫過於昂貴時,用這個方法來密閉、覆蓋(不是修復)裂縫非常有效。對於偶然出現大面積網狀裂縫使用該法很有效。
  3. 自閉合法 混凝土依靠自身合攏裂縫稱為「自閉合」,這是在存在濕氣並且沒有拉應力作用時發生的一種現象。機理:由於周圍空氣和水中存在二氧化碳,使水泥漿中的氫氧化鈣發生碳化作用,結果碳酸鈣和氫氧化鈣晶體在裂縫內析出並生長。晶體組合交織產生一種機械粘接作用,又被鄰近晶體之間以及晶體和水泥漿及骨料表面間的化學粘接作用所增強,最後混凝土裂縫部位的抗拉強度得到一定的恢復,裂縫也被密閉了。主要用於修補潮濕環境的結構,。整個自閉合時期的水飽和必須連續保持。
  4. 塗層及其它表面處理法 修復開裂的混凝土結構可以使用範圍很廣的表面浸漬密封劑和塗料。如果混凝土開裂已經穩定,則可通過塗料獲得成功地修補。但不適合低溫區域操作。
填充法
用修補材料直接填充裂縫,一般用來修補較寬的裂縫,作業簡單,費用低。寬度小於0.3mm,深度較淺的裂縫、或是裂縫中有充填物,用灌漿法很難達到效果的裂縫、以及小規模裂縫的簡易處理可採取開V型槽,然後作填充處理。
結構補強法
因超荷載產生的裂縫、裂縫長時 間不處理導致的混凝土耐久性降低、火災造成的裂縫等影響結構強度可採取結構補強法。
電化學防護法
電化學防腐是利用施加電場在介質中的電化學作用,改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環境狀態,鈍化鋼筋,以達到防腐的目的。陰極防護法、氯鹽提取法、鹼性復原法是化學防護法中常用而有效的三種方法。這種方法的優點是防護方法受環境因素的影響較小,適用鋼筋、混凝土的長期防腐,既可用於已裂結構也可用於新建結構。

仿生自癒合法

仿生自癒合法是一種新的裂縫處理方法,它模仿生物組織對受創傷部位自動分泌某種物質,而使創傷部位得到癒合的機能,在混凝土的傳統組分中加入某些特殊組分(如含粘結劑的液芯纖維或膠囊),在混凝土內部形成智能型仿生自癒合神經網路系統,當混凝土出現裂縫時分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新癒合。

4預防措施

一 混凝土裂縫產生的原因分析
1 塑性收縮裂縫
塑性裂縫多在新澆注的混凝土構件暴露於空氣中的上表面出現,塑性收縮是指混凝土在凝結之前,表面因失水較快而產生的收縮。塑性收縮裂縫一般在千熱或大風天氣出現,裂縫多呈中間寬、兩端細且長短不一,互不連貫狀態,較短的裂縫一般長20~30cm,較長的裂縫可達2~3m,寬1~5mm。
塑性裂縫產生的主要原因為:混凝土在終凝前幾乎沒有強度或強度很小,或者混凝土剛剛終凝而強度很小時,受高溫或較大風力的影響,混凝土表面失水過快,造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮,而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮,因此產生龜裂。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結時間,環境溫度、風速、相對濕度等等。
2 沉降收縮裂縫  
沉陷裂縫的產生是由於結構地基土質不勻、鬆軟或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降所致,或者因為模板剛度不足,模板支撐間距過大或支撐底部鬆動等導致,特別是在冬季,模板支撐在凍土上,凍土化凍后產生不均勻沉降,致使混凝土結構產生裂縫。此類裂縫多為深進或貫穿性裂縫,裂縫呈梭形,其走向與沉陷情況有關,一般沿與地面垂直或呈30~45度角方向發展,較大的沉陷裂縫,往往有一定的錯位,裂縫寬度往往與沉降量成正比關係。裂縫寬度寬度0.3~0.4mm,受溫度變化的影響較小。地基變形穩定之後,沉陷裂縫也基本趨於穩定。
3 溫度裂縫
溫度裂縫多發生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區的混凝土結構中。混凝土澆筑後,在硬化過程中,水泥水化產生大量的水化熱,(當水泥用量在350-550kg/m3,每立方米混凝土將釋放出17500-27500kJ的熱量,從而使混凝土內部溫度升達70℃左右甚至更高)。由於混凝士的體積較大,大量的水化熱聚積在混凝土內部而不易散發,導致內部溫度急劇上升,而混凝土表面散熱較快,這樣就形成內外的較大溫差,較大的溫差造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同,使混凝土表面產生一定的拉應力。當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時,混凝士表面就會產生裂縫,這種裂縫多發生在混凝土施工中後期。
在混凝土的施工中當溫差變化較大,或者是混凝土受到寒潮的襲擊等,會導致混凝土表面溫度急劇下降,而產生收縮,表面收縮的混凝土受內部混凝土的約束,將產生很大的拉應力而產生裂縫,這種裂縫通常只在混凝土表面較淺的範圍內產生。溫度裂縫的走向通常無一定規律,大面積結構裂縫常縱橫交錯。梁板類長度尺寸較大的結構,裂縫多平行於短邊,深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行,裂縫沿著長邊分段出現,中間較密。裂縫寬度大小不一。受溫度變化影啊較為明顯,冬季較寬,夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫是通常中間粗兩端細,而冷縮裂縫的粗細變化不太明顯,此種裂縫的出現會引起鋼筋的鏽蝕,混凝土的碳化。降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗滲能力等。
混凝土結構成型后,沒有及時覆蓋,表面水分散失快,體積收縮大,而混凝土內部濕度變化小,收縮也小,因而表面收縮變形受到內部混凝土的約束,出現拉應力,引起混凝土表面的收縮。溫度裂縫的走向通常無一定規律,大面積結構裂縫常縱橫交錯,梁板類長度尺寸較大的結構,裂縫多平行於短邊。深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行,裂縫沿著長邊分段出現,中間較密。裂縫寬度大小不一,受溫度變化影響較為明顯,冬季較寬,夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫是通常中間粗兩端細,而冷縮裂縫的粗細變化不太明顯。此種裂縫的出現會引起鋼筋的鏽蝕,混凝土的碳化,降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗滲能力等。
二 裂縫的防治措施
1 混凝土配合比設計時,在保證混凝土具有良好工作性的情況下,應儘可能的降低混凝土的單位用水量。
2 增配構造筋提高抗裂性能,配筋應採用小直徑、小間距。全截面的配筋率應在0.3~0.5%之間。
3 避免結構突變產生應力集中,在易產生應力集中的薄弱環節採取加強措施。
4 在易裂的邊緣部位設置暗粱,提高該部位的配筋率。提高混凝土的極限拉伸。
5 在結構設計中應充分考慮施工時的氣候特徵,合理設置后澆縫,在正常施工條件下.后澆縫間距20-30m。保留時間一般不小於60天。如不能預測施工時的具體條件,也可臨時根據具體情況作設計變更。
6 嚴格控制混凝土原材料的的質量和技術標準,選用低水化熱水泥,粗細骨料的含泥量應盡量減少(1~1.5%以下)。
7 控制混凝土的水灰比,減少混凝土的坍落度,合理摻加塑化劑和減少劑。
8 採用綜合措施,控制混凝土初始溫度、混凝土溫度和溫度變化。引起溫差裂縫澆築時間盡量安排在夜間,最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設簡易遮陽裝置,或用濕麻袋覆蓋,必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時,在水平及垂直泵管上加蓋草袋,並噴冷水。
9 根據工程特點,可以利用混凝土後期強度,這樣可以減少用水量,減少水化熱和收縮。
  • 補償收縮混凝土技術。
  • 高強混凝土.應盡量使用中熱微膨脹水泥,摻超細礦粉和膨脹劑,使用高效減水劑。通過試驗滲入粉煤灰,滲涼15%-50%。

5加固技術

1、對於寬度小於0.2mm的混凝土表層微細獨立裂縫,採用建固JGN環氧樹脂結構膠直接密閉。
2、對於寬度大於0.2mm的獨立貫通裂縫,採用壓力灌注結構膠的方法進行補強,同時沿受拉方向或垂直於裂縫方向粘貼在要補強的結構上,形成一個新的複合體,使增強粘貼材料與原有鋼筋混凝土共同受力增大結構的抗裂或抗剪能力,提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。 常用於根底修補的工字梁可以抵擋136~181kN的拉力,避免牆體彎曲,而10cm寬的碳纖維條可接受8至10倍這樣的壓力,其厚度只要3.2mm。
用碳纖維修補房屋裂縫有以下優點:
a、重量輕,厚度薄,基本不增加結構自重及截面尺寸。
b、適用面廣,靈活性強,可用於各種類型和形狀的結構構件加固。
c、施工方便快捷,不需要大型機具,沒有濕作業,無需動火,無需其他固定措施,不受原結構形狀限制。
d、高耐久性,由於不會生鏽,非常適合在高酸、鹼、鹽及大氣腐蝕壞境中使用。
混凝土裂縫

6應力計算

1.地基約束係數
(1)單純地基阻力係數Cx1(N/mm),查附表6
單純地基阻力係數Cx1(N/mm) 表6
土質名稱
承載力(kN/m)
Cx1推薦值
軟粘土
80~150
0.01~0.03
砂質粘土
250~400
0.03~0.06
堅硬粘土
500~800
0.06~0.10
風化岩石和低強度素混凝土
5000~10000
0.60~1.00
C10以上配筋混凝土
5000~10000
1.00~1.50
(2)樁的阻力係數
Cx2=Q/F (10)
式中 Cx2——樁的阻力係數(N/mm);
Q——樁產生單位位移所需水平力(N/mm);
當樁與結構鉸接時 Q=2E·I〔KnD/(4E·I)]
當樁與結構固接時 Q=4E·I[KnD/(4E·I)]
E——樁混凝土的彈性模量(N/mm);
I——樁的慣性矩(mm);
Kn——地基水平側移剛度,取1×10(N/mm);
D——樁的直徑或邊長(mm);
F——每根樁分擔的地基面積(mm)。
(3)大體積混凝土瞬時彈性模量
E(t)=E0(1-e) (11)
式中 E(t)——齡期混凝土彈性模量(N/mm);
E0——28d混凝土彈性模量(N/mm),查附表7;
混凝土常用數據 表7
強度等級
彈性模量E
(×10N/mm)
強度標準值(N/mm)
強度設計值(N/mm)
軸心抗壓fck
抗拉ftk
軸心抗壓fc
抗拉ft
C7.5
1.45
5
0.75
3.7
0.55
C10
1.75
6.7
0.90
5
0.65
C15
2.20
10
1.20
7.5
0.90
C20
2.55
13.5
1.50
10
1.10
C25
2.80
17
1.75
12.5
1.30
C30
3.00
20
2.00
15
1.50
C35
3.15
23.5
2.25
17.5
1.65
C40
3.25
27
2.45
19.5
1.80
C45
3.35
29.5
2.60
21.5
1.90
C50
3.45
32
2.75
23.5
2.00
C55
3.55
34
2.85
25
2.10
C60
3.60
36
2.95
26.5
2.20
e——常數,取2.718;
t——齡期(d)。
(4)地基約束係數
β(t)=(Cx1+Cx2)/h·E(t) (12)
式中 β(t)——t齡期地基約束係數(1/mm);
h——混凝土實際厚度(mm);
Cx1——單純地基阻力係數(N/mm),查表6;
Cx2——樁的阻力係數(N/mm);
E(t)——t齡期混凝土彈性模量(N/mm)。
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