楊 鑫 張新文 劉萬成 孫林柱

(溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

0 引言

混凝土是目前用量最大的建筑材料之一，廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。但是混凝土作為一種復(fù)合型的建筑材料，在其施工和服役的過程中會(huì)受到內(nèi)部因素和外部環(huán)境影響而產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的防水和耐久性能下降，影響結(jié)構(gòu)的正常使用或者縮短結(jié)構(gòu)的使用壽命。

采取有效的修補(bǔ)材料和可行的修補(bǔ)方案恢復(fù)結(jié)構(gòu)因開裂而降低的防水和耐久性能十分重要。ECC(Engineered Cementations Composite)是一種亂向分布纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有超高韌性、應(yīng)變硬化以及多裂縫開裂的特性。目前已有大量的研究證明，ECC具有良好的變形能力、抗裂性能、耐久性能以及抗疲勞能力，是一種理想的耐久性修補(bǔ)材料［1］。

由于混凝土結(jié)構(gòu)開裂機(jī)理復(fù)雜，要根據(jù)多種因素來選擇有效的修補(bǔ)材料和可行的修補(bǔ)方案。ECC作為修補(bǔ)材料，目前只有在國外有部分工程應(yīng)用案例，但對(duì)于ECC可以修補(bǔ)哪些裂縫，如何修補(bǔ)等問題，還沒有一套完整的施工方法。本文從混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的分類以及常規(guī)的修補(bǔ)方法出發(fā)，再結(jié)合ECC的應(yīng)用案例，對(duì)ECC修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的分類

1.1 按裂縫產(chǎn)生的原因分類

1)變形作用。

由變形作用引起的非受力裂縫，包括失水干縮、溫度變化、不均勻沉陷等原因引起的裂縫。其基本特征是結(jié)構(gòu)要求變形，但受到約束而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生裂縫時(shí)變形得到滿足，應(yīng)力就發(fā)生松弛。

2)荷載作用。

由外荷載引起的裂縫，包括由動(dòng)、靜載荷直接應(yīng)力和次應(yīng)力引起的裂縫。根據(jù)國內(nèi)外調(diào)查資料表明，工程結(jié)構(gòu)由于變形作用而引起的裂縫約占80%，由于荷載作用而引起的裂縫約占20%。

1.2 按裂縫的深進(jìn)分類

裂縫按深進(jìn)的情況可分為表面裂縫、深入裂縫、貫穿性裂縫。

1.3 按裂縫的形成分類

1)靜止裂縫:形態(tài)、尺寸和數(shù)量均已經(jīng)穩(wěn)定不再發(fā)展的裂縫。

2)活動(dòng)裂縫:寬度在現(xiàn)有的環(huán)境和工作條件下始終不能保持穩(wěn)定，隨著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力、變形和環(huán)境溫濕度變化而時(shí)張、時(shí)閉的裂縫。

3)尚在發(fā)展的裂縫:長度、寬度或者數(shù)量尚在發(fā)展，但經(jīng)歷一段時(shí)間后將會(huì)終止的裂縫。

2 常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)方法

在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫修補(bǔ)前，需要對(duì)原有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，綜合判斷結(jié)構(gòu)承載力是否滿足要求。若承載力不足，需對(duì)結(jié)構(gòu)加固后再進(jìn)行裂縫修補(bǔ)。

1)表面修補(bǔ)法。

通過在裂縫表面涂抹水泥砂漿、聚合物水泥膏等修補(bǔ)材料，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的防水性和耐久性要求。主要用于處理靜止的和對(duì)結(jié)構(gòu)承載力沒有影響的，但會(huì)有損美觀或?qū)?dǎo)致鋼筋銹蝕的表面以及深入細(xì)微裂縫(裂縫寬度小于0.2 mm)。涂料應(yīng)選擇粘結(jié)力強(qiáng)、耐久性好的材料，對(duì)于活動(dòng)裂縫應(yīng)采用彈性材料。該方法的缺點(diǎn)是修補(bǔ)工作無法深入到裂縫內(nèi)部。

2)灌漿法。

利用壓力設(shè)備將膠結(jié)材料(如樹脂漿液、聚合物漿液等)壓入混凝土的裂縫中，膠結(jié)材料硬化后與混凝土形成一個(gè)整體，從而起到恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性、防水性和耐久性的目的。適用于對(duì)獨(dú)立裂縫、貫穿性裂縫、混凝土的蜂窩狀缺陷等有影響結(jié)構(gòu)整體性和防水性的裂縫修補(bǔ)。

3)填充密封法。

在構(gòu)件表面沿裂縫走向騎縫鑿出V，U形溝槽，然后嵌填修補(bǔ)材料，適用于寬度大于0.5 mm且鋼筋銹蝕的活動(dòng)裂縫或靜止裂縫。填充完畢后，其表面應(yīng)做防護(hù)層。

3 ECC修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的工程案例

3.1 擋土墻的表面修補(bǔ)［2］

2003 年，日本對(duì)一座已經(jīng)服役30年的混凝土擋土墻(寬約18 m，高約5 m)進(jìn)行了表面修補(bǔ)。由于堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致?lián)跬翂Ρ砻娑嗵庨_裂，工程采用ECC和修補(bǔ)砂漿進(jìn)行了對(duì)比修補(bǔ)，并通過鋪設(shè)焊接鋼絲網(wǎng)等增加界面粘結(jié)強(qiáng)度。

修補(bǔ)24個(gè)月后，采用ECC修補(bǔ)的墻面出現(xiàn)的裂縫小于0.12 mm，并且細(xì)微裂縫呈網(wǎng)狀，而與之對(duì)比的砂漿修補(bǔ)的墻面則出現(xiàn)了0.3 mm的裂縫。與砂漿相比，ECC具有多縫開裂特性，能夠控制基體內(nèi)部反射到表面修補(bǔ)層的裂縫。在一定程度上減少了外界物質(zhì)的侵入，提高了結(jié)構(gòu)的防水性和耐久性。如圖1所示是修補(bǔ)前后的對(duì)比。

圖1 邊坡修補(bǔ)前后對(duì)比

3.2 大壩的表面修補(bǔ)［3］

2003 年，日本對(duì)廣島一座已經(jīng)服役60多年的水壩進(jìn)行了修復(fù)。通過對(duì)大壩強(qiáng)度可靠性分析，大壩承載力滿足要求，但由于長期使用，壩體表面保護(hù)層混凝土嚴(yán)重老化、開裂，導(dǎo)致大壩防水性和耐久性下降，所以壩體表面約600 m2的混凝土保護(hù)層需要進(jìn)行修復(fù)。最后工程在大壩表面噴射了一層20 mm厚的ECC作為覆蓋層，并通過設(shè)置鉚釘增加覆蓋層與原基體的粘結(jié)強(qiáng)度。整個(gè)修補(bǔ)過程簡單而高效，恢復(fù)了大壩的防水性和耐久性要求，如圖2所示。

圖2 大壩總圖和施工圖

4 ECC修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的技術(shù)分析

4.1 ECC的材料特性

ECC具有多縫開裂以及應(yīng)變硬化的特性，從目前的研究看，ECC具有如下基本性能:抗疲勞能力強(qiáng)、變形能力強(qiáng)、耐久性和抗裂性能好以及良好的抗凍融性能。基本滿足修補(bǔ)材料的性能要求，是一種理想的耐久性修補(bǔ)材料。

4.2 能夠修補(bǔ)的裂縫

通過國外的工程案例，結(jié)合已有的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫處理技術(shù)，ECC可以應(yīng)用于大面積混凝土結(jié)構(gòu)開裂的表面修補(bǔ)。例如混凝土結(jié)構(gòu)長時(shí)間工作而老化、堿骨料反應(yīng)等，特別是需要大面積修補(bǔ)的結(jié)構(gòu)(如大壩、擋土墻、飛機(jī)跑道等)，并且可以采用噴射技術(shù)，大大提高作業(yè)效率。雖然ECC具有較強(qiáng)的變形能力，但是能否修補(bǔ)活動(dòng)裂縫和尚在發(fā)展中的裂縫還要進(jìn)一步驗(yàn)證。在實(shí)際工程中，混凝土開裂往往是多因素造成，并且開裂形式多樣。ECC是一種表面修補(bǔ)的良好材料，但還是無法深入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，所以需要采用多種修補(bǔ)方式結(jié)合的辦法，ECC可作為最后一步工序的表面覆蓋修補(bǔ)。

4.3 施工工藝

ECC修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫與常規(guī)的表面修補(bǔ)法的施工工藝幾乎相同，施工程序?yàn)?裂縫調(diào)查→裂縫表面打磨→清理→涂刷或噴射ECC修補(bǔ)材料。如作業(yè)面積較大，應(yīng)設(shè)置鋼絲網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)片等，提高修補(bǔ)層與原基材的粘結(jié)強(qiáng)度。最重要的是選擇合適的材料，配制出性能可靠的ECC。

5 結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)目的是為了恢復(fù)結(jié)構(gòu)的防水性和耐久性。裂縫的種類和形式很多，要從根本上解決混凝土裂縫問題，需要正確判斷和分析混凝土開裂原因，并結(jié)合裂縫性狀、結(jié)構(gòu)重要性和環(huán)境條件等因素來選擇修補(bǔ)材料和修補(bǔ)方法。ECC是一種理想的大面積混凝土開裂表面修補(bǔ)材料，但還面臨以下問題:

1)我國的ECC研究起步較晚，目前還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，并且ECC的制作成本較高，所以要加速制備技術(shù)的改進(jìn)以及原材料的國產(chǎn)化發(fā)展。

2)作為表面修補(bǔ)材料，要保證ECC與原基材有足夠的粘結(jié)力，對(duì)于ECC與原基材的粘結(jié)強(qiáng)度需要進(jìn)一步深入研究。

3)目前國內(nèi)還沒有ECC修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的案例，特別是噴射修補(bǔ)技術(shù)還要進(jìn)一步研究。

［1］徐世烺，李賀東.超高韌性水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展及其工程應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(6):45.

［2］Rokugo K，Kunieda M，Lim S C.Patching Repair with ECC on Cracked Concrete Surface［C］.Proc.CONMA T 5，Aug.2005.

［3］Kojima S，Sakata N，Kanda T，et al.Application of direct sprayed ECC for retrofitting dam structure surface application for mitakadam［J］.Concrete Journal，Japan Concrete Institute，2004，42(5):135-139.