裂缝、渗漏、剥蚀！混凝土建筑物常见老化病害

点击次数：更新时间：2023-10-27 09:38:10 【关闭】分享:

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。

一、裂缝

裂缝是混凝土建筑物普遍、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。同时在施工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。

二、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，甚至出现蜂窝孔洞，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坏。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。

三、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T.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，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，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(Cl-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，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，在混凝土孔隙中将产生不断增加的膨胀应力，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。

声明：根据黄国兴、纪国晋编著的《混凝土建筑物修补材料及应用》摘编，版权归原作者所有。

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