一、混凝土建筑物的老化病害 混凝土建筑物的老化病害從現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、地基凍脹、混凝土質量差、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、化學侵蝕、堿骨料反應及低強風化等原因引起的。 1、裂縫 裂縫是混凝土建筑物最普遍、最常見的病害之一，不發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合作用的結果。裂縫對混凝土建筑物危害程度不一，嚴重的裂縫不僅危害建筑物的整體性和穩定性，而且還會產生大量的漏水，使閘壩及其他水工建筑物的安全運行受到嚴重威脅。另外，裂縫往往會引起其他病害的發生與發展，如滲漏溶蝕、環境水侵蝕、凍融破壞及鋼筋銹蝕等。這些病害與裂縫形成惡性循環，會對混凝土建筑物的耐久性造成很大危害。 混凝土是多相復合脆性材料，當其拉應力大于抗拉強度，或拉伸變形大于極限拉伸變形時，就會產生裂縫。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，水泥水化熱使內部混凝土溫度升高，當水化熱溫升到達高峰后，由于環境溫度較低，因此混凝土溫度開始下降。溫降過程中混凝土發生收縮，在約束條件下，當溫降收縮變形大于混凝土極限拉伸變形時，混凝土容易發生裂縫，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外溫差引起的，如混凝土遭受寒潮侵襲或夏天混凝土經陽光曝曬后突然下雨，都會使混凝土內部與表層產生很大溫差，混凝土表層溫度下降，而內部溫度基本不降，這樣內部混凝土對表層混凝土起約束作用，同樣會導致溫度裂縫。 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％)和熱膨脹系數小的骨料，如石灰巖骨料混凝土熱膨脹系數為(5～6)×10—6／℃，而砂巖骨料混凝土熱膨脹系數為(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巖骨料混凝土的溫度變形大1倍。同時在施下中還應嚴格采取溫控措施，盡量避免裂縫發生。 (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。溫度的擴散速度比干縮的擴散速度要快1000倍。例如，大體積混凝土干縮擴散深度達到6cm需花30d時間，而在這段時間內，溫度卻可傳播6m深。因此，大體積混凝土內部不存在干縮問題，但其表面干縮是一個不能忽視的問題。正因為干縮擴散速度小，混凝土表面已干縮，而其內部不縮，這樣內部混凝土對表面混凝土干縮起約束作用，使混凝土表面產生干縮應力。當混凝土的干縮應力大于抗拉強度時， 混凝土就會產生裂縫，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果。 (3)鋼筋銹蝕裂縫。混凝土中鋼筋發生銹蝕后，其銹蝕產物(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生膨脹應力，當該膨脹應力大于混凝土抗拉強度時，混凝土就會產生裂縫，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展的順筋裂縫。 (4)堿骨料反應裂縫。堿骨料反應主要有堿一硅酸鹽反應和堿一碳酸鹽反應，它們都是水泥中的堿(Na2O、K2O)與骨料中的某些活性物質如活性SiO2、微晶白云石(碳酸鹽)，以及變形石英等發生反應而生成吸水性較強的凝膠物質。當反應物增加到一定數量，且有充足水時，就會在混凝土中產生較大的膨脹作用，導致混凝土產生裂縫，這種裂縫稱為堿骨料反應裂縫。與最常見的混凝土干縮裂縫和荷載引起的超載裂縫不同，堿骨料反應裂縫的形貌及分布與鋼筋限制有關，當限制力很小時，常出現地圖狀裂縫，并在縫中伴有白色浸出物；當限制力強時，則出現順筋裂縫。 (5)超載裂縫。當建筑物遭受超載作用時，其結構構件產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。 2、滲漏 水工混凝土建筑物的主要任務是擋水、引水、輸水和泄水，都與“水”密切相關，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。滲漏會使建筑物內部產生較大的滲透壓力和浮托力，甚至危及建筑物的穩定與安全；滲漏還會引發溶蝕、侵蝕、凍融、鋼筋銹蝕、地基凍脹等病害，加速混凝土結構老化，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，影響經濟效益和社會效益。 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量差造成的。例如，生產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，抗滲等級低或在其內部形成相互連通的蜂窩孔隙，從而導致集中或零散滲漏和大面積散滲發生。 線滲漏較為常見，發生率高。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。 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)、溫度及干濕循環等有關，如冬季溫度低、裂縫寬度大，在同樣水位下滲漏量就大。 (2)止水結構失效，瀝青止水井混進了水泥漿、止水片材性能不佳，發生斷裂、腐爛，伸縮縫變形大導致繞止水帶滲漏，還有止水帶施工工藝不當等也會引起滲漏。 (3)混凝土施工質量差，密實度低，甚至出現蜂窩孑L洞，從而導致水在混凝土中滲漏。 (4)基礎灌漿帷幕破壞是引起基礎滲漏的主要原因，如帷幕灌漿施工沒有達到設計要求；運行中，帷幕受環境水的侵蝕而破壞；基礎處理不善，基巖出現不均勻沉降，導致帷幕斷裂失效等。 滲漏對水工混凝土建筑物的危害性很大，首先，滲漏會使混凝土產生溶蝕破壞。所謂溶蝕，即滲漏水對混凝土產生溶出性侵蝕。眾所周知，混凝土中水泥的水化產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物凝聚、結晶穩定的保證。以上水化產物中，氫氧化鈣在水中的溶解度較高。正常情況下，混凝土毛細孔中均存在飽和氫氧化鈣溶液，而一旦產生滲漏，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晶。這樣就破壞了水泥其他水化產物穩定存在的平衡條件，從而引起水化產物的分解，導致混凝土性能的下降。當混凝土中總的氫氧化鈣含量(以氧化鈣量計算)被溶出25％時，混凝土抗壓強度要下降50％；而當溶出量超過33％時，混凝土將完全失去強度而松散破。由此可見，滲漏對混凝土產生溶蝕將造成嚴重的后果。其次，滲漏會引起并加速其他病害的發生與發展。當環境水對混凝土有侵蝕作用時，滲漏會促使環境水侵蝕向混凝土內部發展，從而增加破壞的深度與廣度；在寒冷地區，滲漏會使混凝土的含水量增大，促進混凝土的凍融破壞；對水工鋼筋混凝土結構物，滲漏還會加速鋼筋銹蝕等。 3、剝蝕 混凝土產生剝蝕破壞是由于環境因素(包括水、氣、溫度、介質)與混凝土及其內部的水化產物、砂石骨料、摻合料、外加劑、鋼筋相互之間產生一系列機械的、物理的、化學的復雜作用，從而形成大于混凝土抵抗能力(強度)的破壞應力所致。最常見的剝蝕破壞有下列四種。 (1)凍融破壞?；炷廉a生凍融破壞，從宏觀上看是混凝土在水和正負溫度交替作用下而產生的疲勞破壞；在微觀上，其破壞機理有多種解釋，較有代表性和公認程度較高的是美國學者J．C．Powers的凍脹壓和滲透壓理論。這種理論認為，混凝土在凍融過程中受到的破壞應力主要有兩方面來源，一個是混凝土孔隙中充滿水時，當溫度降低至冰點以下而使孔隙水產生物態變化，即水變成冰，其體積要膨脹9％，從而產生膨脹應力；與此同時，混凝土在凍結過程中還可能出現過冷水在孔隙中的遷移和重分布，從而在混凝土的微觀結構中產生滲透壓。這兩種應力在混凝土凍融過程中反復出現，并相互促進，最終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生沖磨和空蝕破壞，但沖磨與空蝕的破壞機理是不同的。沖磨破壞是一種單純的機械作用，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，當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，這種作用是連續的和不規則的，最終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的突然變化，在局部產生負壓，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時又迅速破滅，此時對混凝土表面產生類似爆炸的剝蝕應力，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生碳化而使混凝土內部堿度降低，鋼筋鈍化膜破壞，從而使鋼筋產生電化學腐蝕現象，導致鋼筋生銹；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腐蝕。因此，鋼筋銹蝕過程實際是大氣(CO2、O2)、水、侵蝕介質(C1—等)向混凝土內部的滲透、遷移而引起鋼筋鈍化膜破壞，并產生電化學反應，使鐵變成氫氧化鐵的過程。鋼筋生銹后，其銹蝕產生的體積比原來增長2～4倍，從而在周圍的混凝土中產生膨脹應力，最終導致鋼筋保護層混凝土開裂、剝落。而保護層的剝落又會進一步加速鋼筋銹蝕。這一惡 性循環將使混凝土結構的鋼筋保護層大量剝落、鋼筋截面積減小，從而降低結構的承載能力和穩定性，影響結構物的安全。 (4)化學侵蝕?；瘜W侵蝕引起混凝土剝蝕破壞的原因也較復雜，從總體上看，都是可溶性侵蝕介質隨著水滲透擴散到混凝土中，再與混凝土中水泥水化產物或其他組分發生化學反應，生成膨脹性產物或溶解度較大的反應產物，從而使混凝土產生脹裂剝蝕或溶出性剝離?；炷潦艿交瘜W侵蝕出現的破壞主要有兩類：一類是硫酸鹽侵蝕，屬膨脹型破壞。當這些溶解度小而又有體積膨脹的產物不斷增加時，在混凝土孑L隙中將產生不斷增加的膨脹應力，最終導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物分解、水泥石結構疏松，混凝土強度降低。 二、混凝土建筑物修補材料的分類 針對混凝土建筑物老化病害—裂縫、滲漏及剝蝕，為了便于選用，將混凝土建筑物修補材料分為以下8類： (1)表面嵌填堵漏材料。 (2)表面防滲材料。 (3)裂縫灌漿材料。 (4)剝蝕破壞修補材料。 (5)磨蝕破壞修補材料。 (6)結構補強加固材料。 (7)水下修補材料。 (8)化學侵蝕防護材料。 1、表面嵌縫封堵材料 表面嵌縫封堵材料主要用于裂縫灌漿處理開槽嵌填、伸縮縫堵漏嵌填、集中滲漏封堵等。常用的表面嵌縫封堵材料有聚合物水泥砂漿、環氧砂漿、非硫化丁基橡膠、GB嵌縫材料、SR塑性止水材料、彈性聚氨酯嵌縫材料、膩子型膨脹橡膠、聚硫嵌縫密封材料等。 2、表面防滲材料 表面防滲材料主要用于處理較大面積散滲。常用的表面防滲材料有聚合物水泥砂漿、瀝青砂漿、鋼絲網噴混凝土(砂漿)、環氧玻璃絲布復合材料(玻璃鋼)、橡膠片材、聚氯乙烯(PVC)防水卷材、GB復合土工膜止水板、SR防滲蓋片、水泥基滲透結晶型防水材料、防水涂料等。 3、裂縫灌漿材料 灌漿材料主要用于滲水裂縫防滲處理、混凝土裂縫結構補強、混凝土伸縮縫滲水處理，以及基礎與繞壩滲漏處理等。常用的灌漿材料有水泥類漿材、環氧樹脂類漿材、丙烯酰胺類漿材、丙烯酸鹽類漿材、甲基丙烯酸酯類漿材、聚氨酯類漿材、瀝青類漿材、互穿網絡復合漿材等。 4、剝蝕破壞修補材料 剝蝕破壞修補材料主要用于凍融破壞、鋼筋銹蝕引起的混凝土保護層剝落等。常用的剝蝕破壞修補材料有水泥砂漿、預縮水泥砂漿、聚合物水泥砂漿、環氧砂漿、水泥混凝土、聚合物水泥混凝土、環氧樹脂混凝土、噴射混凝土、高抗凍性混凝土、鋼筋阻銹劑、界面處理劑與防護涂層材料等。 5、磨蝕破壞修補材料 磨蝕破壞修補材料主要用于高速水流或夾沙(石)高速水流引起的混凝土沖磨與空蝕破壞修補。常用的磨蝕破壞修補材料有高強水泥砂漿、高強水泥石英砂漿、環氧砂漿、高強耐磨硅粉混凝土(砂漿)、高強耐磨粉煤灰混凝土(砂漿)、鐵礦石骨料抗磨蝕混凝土(砂漿)、鋼纖維硅粉混凝土、鑄石骨料混凝土(砂漿)、低收縮硅粉混凝土、多元膠凝材料抗沖磨混凝土、聚脲抗沖磨材料，以及“海島結構”環氧合金抗沖磨材料等。 6、結構補強加固材料 結構補強材料主要用于混凝土結構與鋼筋混凝土結構承載能力不夠的補強加固工程。常用的結構補強材料有補強灌漿材料、鋼板與黏結劑、預應力錨桿或錨索、玻璃鋼、噴射混凝土、碳纖維復合材料等。 7、水下修補材料 水下修補材料主要用于水下混凝土建筑物裂縫、滲流等病害的修補。常用的水下修補材料有水下環氧砂漿、SXM水下快速密封材料、GBW遇水膨脹止水條、HK—963水下黏結劑、橡膠片材、SR防滲蓋片、GB復合土工膜止水板、水下不分散混凝土(砂漿)、水下聚合物混凝土(砂漿)、水下環氧灌漿材料、水溶性聚氨酯漿材、聚氨酯／環氧樹脂復合漿材、聚氨酯／甲凝復合漿材等。 8、化學侵蝕防護材料 化學侵蝕防護材料主要用于溶出性侵蝕(滲漏、擴散)、分解性侵蝕(酸性侵蝕、碳酸與硫氫酸侵蝕、鎂鹽與銨鹽侵蝕)、鹽類侵蝕(硫酸鹽侵蝕、鹽類結晶侵蝕、苛性堿侵蝕)、有機質侵蝕(油類侵蝕、生物侵蝕)等化學侵蝕的防護，以及化學侵蝕破壞的修補。常用的化學侵蝕防護材料有硫鋁酸鹽水泥、抗硫酸鹽水泥、摻礦渣硫鋁酸鹽水泥、摻活性摻合料硅酸鹽水泥、聚合物水泥砂漿等。 |
