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混凝土裂缝修补与聚合物改性水泥基修补材料摘要:钢筋混凝土结构因结构设计、环境侵蚀、施工缺陷、维护不足等各种原因在服役期间往往发生劣化，未达到预期寿命而破坏。随着我国基本建设的全面开展，在未来一段时间内钢筋混凝土结构的修补、修复与养护等问题将会日益突出。因此，研究混凝土修补原理、方法、技术与材料，采取有效技术防止混凝土的环境侵蚀、维护混凝土的长期使用性能，对保证并提高混凝土结构的安全性、耐久性与使用寿命具有重要意义。本文主要就混凝土裂缝的形成、修补材料、修补方法以及聚合物改性水泥基修补材料的特点作简要介绍。关键词：裂缝；修补材料；聚合物改性；法赫桥隧养护；性能改善 引言：1 混凝土路面的损坏形式及损坏原因简析1.1裂缝根据裂缝所处部位及特点，可分为表面裂缝、贯穿裂缝等，具体分析如下：1 表面裂缝混凝土因配合比不当或水泥质量欠佳产生离析而泌水，表面含水量增加，水分蒸发形成毛细管凹液面，产生张力，在水泥混凝土充分硬化前，使其表面产生裂缝。2 贯穿裂缝混凝土在凝结硬化过程中，会产生干缩、热缩等，如养护不当或收缩受到限制时，在混凝土内将产生较大的收缩应力而导致贯穿裂缝的产生。路基处理不好导致路基支承力不均匀或因路基强度不足，也会导致贯穿裂缝产生。水泥安定性不良, 混凝土强度不足或活性骨料发生碱集料反应，在荷载或温度作用下都可能导致贯穿裂缝的产生。1.2路表损坏1 填缝料失效及接缝板碎裂填缝料在多因素作用下易因老化、脆裂、变形而失效，因填缝料的失效而导致接缝产生空隙，被泥沙、石屑等杂物侵入，成为板块的伸缩障碍，从而引起板边胀裂。2 板面起皮、剥落板面起皮主要是因施工中水灰比过大或因施工时表面砂浆有洒水提浆现象所致；剥落与混凝土强度不足、缝内进入杂物有关。3 坑槽与孔洞砂石含泥量过大，与水泥浆体界面结合较差，容易导致坑槽与孔洞，加速损坏。1.3板块损坏1 脱空、板块活动和唧泥因填缝料失效或贯穿裂缝等原因造成雨水透过路面，侵入基层和路基。路基及基层耐水性差，在水的作用下软化，强度下降，导致支承力不均匀，在行车载荷的影响下导致路面板与基础部分脱空。完整的路面板产生翘起或下沉现象，在接缝或裂缝处，基础中细粒材料可能和水一起挤出，形成唧泥。2 错台因路基下陷或唧泥等原因引起路基高度的变化，在接缝或裂缝处的路面形成台阶。2 水泥混凝土路面修补材料的选定原则2.1修补材料的选择原则理想的裂缝修补材料必须满足下列性能要求：粘结强度高；防水抗渗性好；在自然温度范围内具有较好的稳定性；优良的抗嵌入性；优良的耐久性；使用方便，施工快捷；对环境无污染；与基质混凝土具有良好的相容性。2.2 修补材料和基质混凝土的相容性路面修补材料是否成功有效，取决于基质混凝土和旧混凝土是否有较好的相容性，其相容性表现在下列几个方面：收缩应变、蠕变系数、热膨胀系数、弹性模量、泊松比、抗张强度、疲劳性能、粘结力、孔隙率和电阻率、化学活性等。Emberson等对修补材料与基质混凝土的相容性总结如表1.1。表1.1 修补材料与基质混凝土的相容性关系修补材料必须是一种低收缩材料，否则将在修补层出现张应力。L.Brill等强调了修补材料的低收缩性。修补材料的蠕变特性则应根据具体使用环境而定，使修补材料和基质混凝土结合良好，所受应力在最低范围内；修补材料的热膨胀系数及弹性模量、泊松比等与基质混凝土应尽可能地保持一致，在温差变化及应力作用下，材料界面不至于出现应力集中，保证界面的良好结合；修补材料的抗张强度必须优于基质混凝土，因为目前各类修补材料一般都有足够的工程抗压强度，而实际在修补材料中较易产生张应力，所以必须优先选取抗张强度较大的修补材料；修补材料必须具备优良的疲劳性能和较强的粘结力，从而保证修补材料的耐久性；在配筋路面，修补材料必须和基质材料具备相似的孔隙率及电阻率，如果修补材料的孔隙率及电阻率差异较大，则会导致修补区域和基质混凝土区域的溶液电位差增加，在特定区域钢筋电化学腐蚀加剧，导致修补失败；修补材料必须具备优良的化学稳定性，较低的化学活性，优良的护筋性及与水泥混凝土中的骨料不发生碱集料反应等特点。2.3 聚合物改性修补水泥基材料简述一般的修补方法是采用普通混凝土或砂浆作为修补材料，但普通混凝土都存在一个共同的特点，即脆性大而韧性不足，主要表现在抗压强度较高，抗拉强度和粘结强度较低、弹性模量高而变形能力差，若将其用于混凝土修补，容易造成界面粘结不牢、开裂而导致混凝土再度损坏等质量问题，在使用中受到一定限制。针对上述修补材料的诸多缺点，近几十年来聚合物水泥混凝土(polymer cement concrete)和聚合物改性水泥混凝土(polymer modified cement concrete)受到了国内外普遍关注并进行了大量的研究工作。聚合物水泥基混凝土(砂浆)的出现，为混凝土工程的加固、修复等提供了有利的条件。聚合物水泥砂浆与普通水泥砂浆相比，抗拉强度高、抗拉弹模低、耐磨、耐腐蚀、抗渗、抗冻性能优异，与旧混凝土具有良好的粘结性能，适用于因碳化、气蚀、冻融破坏及化学侵蚀而引起的混凝土表层开裂、表面剥蚀破坏的修补，还可应用到防腐、防渗等工程中。聚合物品种繁多，一般分为三种类型：胶乳、液体树脂、水溶性聚合物。聚合物改性砂浆或混凝土(PMM或PMC):即以水泥和聚合物为胶结材料与骨料结合而成砂浆(混凝土)，在水泥砂浆(混凝土)的组成中加入了聚合物。我国目前已开发的PMC用聚合物品种有：丙烯酸酯共聚乳液、聚氯丁二烯橡胶、聚苯乙烯丁二烯橡胶、氯乙烯片氯乙烯共聚乳液、BJ乳液、BHC乳液、苯丙乳液等。所用聚合物占水泥胶结材的10%20%,少量聚合物的添加可以给水泥基材料带来明显的性能改善，如增加与基材的粘结强度、增加材料的抗渗透性、防水性等。与PC相比，PMC中聚合物的掺量小得多，这样对修补材料带来的负面影响相对较小，而且成本较PC为低。3 混凝土裂缝的修补方法3.1 表面修补法适用于对承载力没有影响的裂缝的处理, 亦适用于大面积细裂缝的防渗、防漏的处理。3.1.1 表面涂抹水泥砂浆或细石混凝土面层混凝土表面裂缝较多或分布面较广时常采用增加一层水泥砂浆或细石混凝土面层的处理方法。将裂缝附近的混凝土表面凿毛，或沿深进裂缝凿成深15mm20mm、宽150mm200mm的凹槽，用钢丝刷配以高压水清洗并洒水湿润，然后刷水泥砂浆一层，再用水泥砂浆分2层3层涂抹，总厚度控制在10mm20mm左右，并用铁抹压密磨光。有防水要求时应用水泥净浆(厚度2mm)及水泥砂浆(厚度4mm5mm)交替抹压4遍5遍，以形成刚性防水层。涂抹3h5h后进行覆盖，洒水养护。在水泥砂浆中掺入重量为水泥重量的1%3%的氯化铁防水剂，可起到促凝和提高防水性能的效果。为了使砂浆和混凝土表面结合良好，抹光后的砂浆面上应覆盖塑料薄膜，使用支撑模板顶紧挤压。3.1.2 表面涂抹环氧胶泥对于数量不多又不集中，缝宽大于0.1mm的裂缝可采用此方法处理。待修补裂缝的50mm100mm宽范围内应用钢丝刷、砂纸、毛刷清除干净并干燥，油污可用二甲苯和丙酮擦洗一遍，如表面湿润，应用喷灯烤干燥、预热，以保证环氧胶泥与混凝土粘结良好，若基层难以干燥，则用环氧煤焦油胶泥(涂料)涂抹。涂抹时，用毛刷或刮板均匀蘸取胶泥，并涂刮在裂缝表面。3.1.3 表面凿槽嵌补沿混凝土裂缝凿一条深槽，呈V型或U型，V型槽用于一般裂缝的治理，U型槽用于渗水裂缝的治理。槽内嵌水泥砂浆或环氧胶泥、聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等，表面作砂浆保护层。槽内混凝土面应修理平整并清理干净，不平处用水泥砂浆填补，保持槽内干燥，否则应先导渗、烘干，待槽内干燥后再进行填补。环氧砂浆适用于有结构强度要求的修补，聚氯乙烯胶泥和沥青油膏仅适用于防渗漏裂缝的修补。环氧煤焦油胶泥，可在潮湿的环境下使用，但不能有淌水现象，嵌补前，先用素水泥浆或胶泥在基层刷一层，然后用抹刀或刮刀将砂浆(或环氧胶泥、聚氯乙烯胶泥)嵌入槽内压实，最后用水泥砂浆抹平。在侧面或顶面嵌填时，应使用封槽托板(做成凸字型,表面钉铁皮)，逐段嵌托压浆,待凝固后再将托板去掉。3.2 内部修补法用压浆泵将胶结材料压入裂缝中，由于其凝结、硬化而起到补缝作用，以恢复结构的整体性。这种方法适用于对结构整体性的影响或有防水、防渗要求的裂缝修补。常用的灌浆材料有水泥和化学材料，可按裂缝的具体情况选用。一般对宽度大于0.5mm的裂缝，可采用水泥灌浆；对宽度小于0.5mm的裂缝，或较大的温度收缩裂缝，宜采用化学灌浆。3.2.1 水泥灌浆一般用于大体积混凝土结构的修补，主要施工程序是钻孔冲洗、止浆、堵漏、埋管、试水、灌浆。钻孔采用风钻或打眼机进行,孔距1m1.5m，除浅孔采用骑缝孔外，一般钻孔轴线与裂缝呈3040斜角，孔深应穿过裂缝面0.5mm以上，当有两排或两排以上的孔时，宜交错或呈梅花形布置，但应防止沿裂缝钻孔。3.2.2 化学灌浆化学灌浆能控制凝结时间，有较高粘结强度和一定的弹性恢复力，结构整体性效果好，适用于各种情况下的裂缝修补及堵漏、防渗处理。常用的灌浆材料有环氧树脂浆液(能修补缝宽为0.2mm以下的干燥裂缝)、甲凝(能灌0.03mm0.1mm以下的干燥细微裂缝)、丙凝(用于堵水、止漏及渗水裂缝的修补，能灌0.1mm以下的细裂缝)等，环氧树脂浆液具有粘结强度高、施工操作方便、成本低等优点，应用最广。灌浆操作主要工序是表面处理(布置灌浆嘴和试气)、灌浆、封孔，一般采取骑缝直接用灌浆嘴施喷，不另设钻孔。配置环氧浆液时，应根据气温控制材料温度和浆液的初凝时间(1h左右)。灌浆时操作人员要戴上防毒口罩，以防中毒。4 聚合物改性水泥基修补材料的实验研究本文中主要对聚合物改性超细水泥(Polymer Modified Superfine Cement，PMSC)的力学性能、界面粘结性能、耐久性进行试验研究。超细水泥颗粒细小，制成浆体不仅可以灌入细小的微裂缝，而且与旧水泥混凝土有良好的相容性,可作为基质材料，但其比表面大，水化快，粘度及收缩大，不利于裂缝修补。聚合物乳液掺入超细水泥可延缓凝结硬化时间，降低水化热，减小收缩。4.1 原材料U型超细水泥由细小的硅酸盐水泥颗粒组成。粒径为46um的颗粒质量分数为50%，最大的颗粒粒径不超过20um，比表面积为850m2kg-1。Acronal S400乳液(简称S400)具有柔性和双组分防水粘结性能，主要用于柔性、双组分防水水泥粘结灰浆和柔性的水泥基屏蔽性涂层，制备与沥青乳液相结合的混合物以及对水泥粘合剂和混凝土改性。4.2 试验配合比采用粘度、凝结时间和可灌性3个指标来控制配合比设计, 然后对满足施工要求的配合比再进行凝结时间筛选。为改善收缩性能和耐久性能, 还掺加了4种外加剂, 其中3种的质量分数固定, 另一种外加剂(外加剂4)的质量分数及经过筛选得到的初步配合比见表4.1。表4.1 PMSC配合比设计4.3 测试结果与讨论4.3.1 力学性能4.3.1.1 抗折与抗压强度PMSC浆体1、3、7、28d龄期的抗折、抗压强度试验结果分别如图4.1、4.2所示。结果表明：抗折强度和抗压强度随着龄期的增长而增大：28d的抗折强度都有不同程度的提高，但抗压强度却有所降低；1d、7d的抗折强度随聚灰比有一定波动；3d、28d的抗折强度随着聚灰比增大而增大。图4.1 PMSC抗折强度图4.2 PMSC抗压强度4.3.1.2 弯拉粘结强度修补材料与旧混凝土的结合面是一个薄弱面，常有气孔或水膜层存在，造成界面结构疏松、水化物晶体富集与定向排列；加之由于裂缝修补材料与旧混凝土的收缩存在差异，使得界面粘结力有所削弱。在荷载作用下，界面两侧材料弹性模量不同而产生不一致的变形，界面易形成应力集中，在结合面上造成剪切，在修补材料中产生拉应力，因此，提高界面粘结性能是裂缝修补成败的关键。表4.2 PMSC弯拉粘结强度从表4.2中结果可以看出:当聚合物质量分数较小时(聚灰比小于10%)，弯拉粘结强度有所降低；当聚灰比大于15%后，弯拉粘结强度随聚合物质量分数增大而增大；当聚灰比在20%25%范围内时，弯拉粘结强度提高24%26%；当聚灰比等于25%时，弯拉粘结强度出现最大值，达4.38MPa。4.3.2 耐久性公路工程中混凝土耐久性包括抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性能、抗冲击、抗磨耗、抑制碱集料反应等。由于公路工程中混凝土构造物大多直接裸露在大自然中, 承受交通荷载及大气作用，有些混凝土长期处于恶劣的使用环境(疲劳、磨耗、化学和生物化学介质)，为混凝土发生断裂、磨损、碱集料反应、硫酸盐侵蚀等提供了外部条件，而混凝土中的孔隙，特别是界面中的孔隙为有害离子进入混凝土内部提供了通道。本文重点研究PMSC裂缝修补材料的抗渗性、抗腐蚀性。4.3.2.1 抗渗性抗渗性指材料抵抗各种有害介质进入内部的能力，是评价耐久性的重要指标之一。抗渗性试验结果表明：未加聚合物的未改性材料SC0在1.0MPa的水压下被击穿而渗水，而PMSC却能在1.0MPa的水压下恒压8h而不发生渗漏。由于聚合物的颗粒很小，可以填充水泥浆体的孔隙，改善了材料的结构和组成，提高了密实度，阻碍了水分的吸附及渗透，从而提高了抗渗性。4.3.2.2 抗腐蚀性作为裸露在大自然中的混凝土构筑物，可能遭遇外界的水、二氧化碳及硫酸盐、镁盐等腐蚀性介质的侵害，并与水泥石中的Ca(OH)2发生反应，引起水泥硬化浆体强度降低，界面粘结性能丧失，二次形成裂缝，修补失效，因此，优质的修补材料必须具备良好的抗腐蚀性。PMSC的抗腐蚀性试验结果见图4.3：当聚灰比大于10%时，经盐酸、硫酸和冰醋酸等腐蚀性介质浸泡后的PMSC的抗压强度损失率明显小于未改性材料，在聚灰比等于25%时强度损失率降到最低，为未改性材料的7%29%。图4.3 PMSC抗腐蚀性4.3.3 耐久性改善机理聚合物乳液加入水泥浆体后，不但使晶粒细化，晶体取向性减小，而且水化物颗粒细小并填充了水泥石中较大的孔隙，使得聚合物改性水泥浆体结构更加致密，从而提高了抵抗有害介质渗入的能力。另外，混凝土材料的抗渗性与耐腐性都与材料内部的微观结构，特别是孔结构有关，基准水泥经改性后，聚合物的填充作用和聚合物膜的密封作用不但使修补材料的总孔隙率减小，而