混凝土裂縫水下封閉修復技術及其工程應用

王益國，李國豹，吳友仁，范紅枝

（1.招商局蛇口工業區有限公司，廣東 深圳 518067；2.中交四航工程研究院有限公司，水工構造物耐久性技術交通行業重點實驗室，廣東 廣州 510230；3.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

0 引言

由于地質條件復雜、勘察設計出現偏差、施工操作不當以及其他不可控因素的影響等，混凝土工程或多或少存在一些缺陷，裂縫是最為常見的一種缺陷。裂縫的存在，勢必影響混凝土的強度和耐久性，有些甚至會引起嚴重的滲漏，影響到建筑物的正常和安全使用[1]，因此，必須對裂縫缺陷進行修復處理。

港口工程混凝土構件根據所處環境不同，可分為大氣區、水位變動區、水下區和泥下區。裂縫所處位置不同，修復處理難易程度差別很大。當混凝土裂縫處于大氣區，修復相對簡單，即使是在水位變動區，也可等退潮后，采用傳統技術方法進行修復。當裂縫處于水下，修補粘合材料與混凝土的交界面上會產生一層水層，相當于形成了一個薄弱夾層，若無特殊措施，粘結效果會降低，從而導致修補效果欠佳[2]。而且水下修補工作環境惡劣，一般由潛水員直接進行水下操作施工，如果沒有特殊工藝技術，修補工作比較困難。

本文從水下修補材料和水下修補工藝兩方面研究分析混凝土裂縫水下封閉修補技術，并通過工程實踐驗證修補效果，為后續類似工程提供借鑒和參考。

1 裂縫修補技術現狀

對于陸上混凝土裂縫的處理，工民建工程中有相對較為成熟的技術方法和相應的規范，但對于水下混凝土構件裂縫的處理幾乎沒有涉及[3]。

我國在水工方面維修加固起步相對較晚，交通運輸部于2011年才頒布關于水工結構維修方面的行業標準JTS 311—2011《港口水工建筑物修補加固技術規范》。規范中規定處于水下部位且截面不大的構件，其裂縫和缺損可采用水下包覆層法或立模澆筑水下不分散混凝土法修補[4]。但從實施方面考慮，包覆層法技術含量要求高、施工難度大，而立模澆筑水下不分散混凝土法，以目前制作水下不分散混凝土的水平，一般情況下強度僅能達到C30左右，不僅工期長、成本高，混凝土澆筑質量還難以保證，因此這兩種方法都存在一定的局限性。

2 水下混凝土裂縫封閉修復技術

目前對于工程缺陷的處理，比較成熟的程序為：分析缺陷成因→材料及工藝選擇→典型施工（同條件模擬施工）→效果評估→方案調整→大面積施工→檢測及驗收。其中關鍵的步驟是材料及工藝選擇。

筆者在對工民建工程中混凝土裂縫修補技術和水工結構特點分析研究基礎上，試圖將混凝土裂縫嵌縫封閉修補技術通過改進后運用到水下工程，從修補材料和封閉工藝兩方面，探索適合水下混凝土裂縫的耐久性封閉修補技術。

2.1 修補材料選擇與試驗研究

混凝土裂縫的修補加固，修補材料與結構之間的粘接是關鍵，粘結質量的好壞往往直接決定修補加固成功與否。對于水下構件的裂縫修補，更是要解決好修補材料在水中與混凝土的粘接問題。

混凝土為高表面能的無機材料，對水的吸附能力很強，因而在有水情況下，會存在受表面剩余力場作用被吸附在表面的附著水，采用一般的方法無法將其排走。在這種情況下進行粘合，封閉粘結材料覆蓋到被粘物表面時，在界面上不可避免地會留下一層水層，就相當于在粘接面上形成了一個薄弱表面層，因而使得粘接效果大大下降。為了解決這個問題，必須從分子結構的設計上入手，在粘合材料分子結構中利用共混作用引入強極性親水基團，當粘合材料分子與潮濕表面接觸時，親水性基團就可以溶于水膜，從而既大大降低粘合劑與水膜的界面張力，同時也降低了水膜的表面張力，因此有利于粘合劑在水膜中自發溶解和擴散，這樣就可以減少水的影響，使粘合劑的效果得到充分發揮[2]。

另外，受水流沖刷、水溫、水中各種腐蝕鹽類等的影響，修補材料還應能在水中快速固化，固化后還應滿足修補所需的強度、抵抗水流沖刷的抗沖擊性能和抵抗海水腐蝕的耐腐蝕性。

目前，在這方面具備一定功效的材料主要包括合成樹脂類、聚合物膠凝類等，聚合物膠凝類一般需要進行壓力灌漿或者立模澆筑，水下施工可操作性相對較差。

因此，本文研究選用了合成樹脂類嵌縫材料，即環氧樹脂改性物和改性胺類固化劑按照一定比例配合生成的改性環氧修補材料。該材料適用的被粘基材廣泛，具備固化收縮低、固化時放熱緩和、固化后粘結力強、固化物韌性好、抗沖擊性能好、耐冷熱沖擊、抗開裂性優良等特點，同時由于其合成物中擁有強極性親水基團，是水下裂縫的封閉修補的理想材料[5]。為驗證改性環氧材料水下修補的可行性及修補效果，筆者進行了兩方面的試驗研究，一個是材料性能指標測試，另一個是水下修補模擬試驗。

2.1.1 材料性能測試

按照國標GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》對該種改性環氧合成物的膠體抗壓強度、膠體抗拉強度、與干表面混凝土正拉粘結強度、與濕表面混凝土正拉粘結強度等進行測試[6]，驗證其是否滿足JTS 311—2011《港口水工建筑物修補加固技術規范》第4.2.3條封縫修補材料性能指標的規定。材料性能測試結果見表1。

表1 改性環氧封縫材料性能測試結果Table 1 Performance test results of the improving epoxy joint sealing material

根據材料性能測試結果，該種改性環氧修補材料膠體抗拉、抗壓、與干、濕表面混凝土正拉粘結強度等級較高，滿足JTS 311—2011《港口水工建筑物修補加固技術規范》第4.2.3條封縫修補材料性能指標的各項規定，尤其是與濕表面混凝土正拉粘結強度高于原混凝土的抗拉強度標準值，破壞界面都在混凝土內，表明這種改性環氧修補材料用于濕表面粘結時效果良好。

2.1.2 水下修補模擬試驗

水下修補模擬試驗是在抗壓強度等級為C40、尺寸為100mm×100mm×100mm的標準混凝土試塊表面，采用切割和鑿除設備切鑿開一個寬2 cm、深3 cm的U形凹槽，清除掉槽內碎屑，然后將配制好的改性環氧修補材料在水下嵌縫封閉修補，修補構件達到一定強度后，進行劈裂試驗，觀察其修補效果。

試驗過程及試驗效果記錄如圖1所示。

圖1 混凝土試塊改性環氧水下嵌縫修補模擬試驗Fig.1 Simulation test of the underwater caulking repair with improving epoxy material for concrete block

從水下修補模擬試驗結果來看，該種改性環氧嵌縫修補材料，施工方便，水下可操作性較強，修補后構件修補部位表面外觀良好，通過目測和敲擊等方法，未發現有縫隙、夾層和空腔等情況，且修補膠與混凝土結合緊密，表明改性環氧修補膠嵌縫封閉修補效果良好，可以進行正式施工。

2.2 封閉工藝

對于水下部位的裂縫，由于受到水的影響，封閉材料與施工工藝、設備的選擇受到限制，若直接采用常規的工藝方法來處理，結果往往不理想。

根據水下修補模擬試驗，結合實際工程水下混凝土所處環境，對于水下混凝土的裂縫修補，除了要用特殊的水下修補材料外，在采用嵌縫的方法進行封閉處理時，應采取以下封閉工藝和措施：

對混凝土水下開裂情況進行探摸→對裂縫處混凝土表面進行清理→采用水下切割設備沿裂縫走向進行切縫處理→采用水下鑿除設備沿裂縫走向進行鑿槽處理→采用鋼刷或高壓水槍等設備對凹槽進行表面清洗→岸上按比例稱量配制修補膠→潛水員將配制好的修補膠帶至待修補部位→人工把修補膠壓入凹槽進行嵌縫修補→采用橡膠墊或擋板等對裂縫修補部位進行防護→待修補膠固化后拆除防護擋板對裂縫修補情況進行檢查→存在修補缺陷時對修補缺陷進行處理。

值得注意的是，切割開鑿形成的凹槽大小影響到嵌縫效果，實際施工時應滿足水工建筑物修補加固技術規范規定的至少寬2 cm、深3 cm的尺寸要求。另外，根據改性環氧修補膠的特性，人工嵌縫時修補膠應略高于凹槽，并適當增加修補膠的寬度和長度；同時將修補材料充分壓實，將修補膠與混凝土結合面的水分盡量擠壓走，并使修補膠保持受壓狀態一段時間，待其初步固化后，采用橡膠墊或擋板等對修補膠進行防護，盡量減少水流沖刷的影響。

3 工程應用

3.1 工程概況

某高樁梁板碼頭，基樁為φ1200mm后張法大管樁，樁身混凝土強度等級為C60。部分基樁在沉樁后發現樁身開裂現象，基本上為豎向裂縫，多數分布于水面以下泥面以上5m范圍，基樁開裂情況如圖2所示。經專家多次研討，認為開裂基樁在沉樁后承載力已達到設計要求，對于出現的開裂缺陷應按照JTS 311—2011《港口水工建筑物修補加固技術規范》的要求進行耐久性修復。

圖2 混凝土基樁水下典型開裂情況Fig.2 Typical under water cracking conditions of concrete foundation piles

3.2 施工工藝

本工程裂縫采用改性環氧水下嵌縫封閉修復技術，封閉修復示意如圖3所示，具體工藝流程為：

圖3 基樁裂縫封閉法修補工藝示意圖Fig.3 Sketch of the closing patch technology for foundation pile cracks

1）對開裂情況進行探摸復核；

2）清理裂縫處基樁表面附著海生物；

3）根據裂縫走向在裂縫兩側各1 cm左右位置，采用水下風動金剛石鋸開兩道切割線；

4）在兩切割線內用水下氣鑿鑿開一條寬2 cm、深3 cm的U形凹槽，凹槽在裂縫兩端的長度應比裂縫長不少于10 cm，如圖4所示；

圖4 水下沖擊鉆鑿縫Fig.4 Bore cracks by underwater impact drill

5）采用鋼刷對凹槽進行表面清洗；

6）岸上按比例稱量配制修補膠，由潛水員將配制好的修補膠帶至待修補部位；

7）人工把修補膠一次或分次壓入凹槽內使其略高出槽面，適當增加補膠的寬度，并采用灰刀進一步壓實抹平修整，如圖5所示；

圖5 人工嵌縫修補壓實Fig.5 Caulking patch and compaction by artificial

8）采用橡膠墊對裂縫修補部位進行防護，減少水流沖刷的影響；

9）待修補膠固化后拆除防護擋板對裂縫修補情況進行檢查記錄。

3.3 質量保證措施

為保證裂縫修補質量，項目在施工過程中主要采取了以下質量保證措施：

1）嚴把材料關，不合格產品不得使用，材料送檢合格方能使用；

2）加強施工過程管理，潛水員使用無線電通訊裝置與岸上人員溝通，確保施工步驟和修補部位的準確；

3）采用水下攝像的方式對修補過程進行監控和檢查，發現問題，及時整改；

4）采取逐步驗收的方法，上一步工作不合格不進行下一步施工；

5）修補完成后由潛水員采用目測、敲擊等方法進行外觀檢驗，構件修補連接處應結合緊密，發現有縫隙、夾層和空腔等修補缺陷時應及時采取補救措施。

3.4 效果檢驗

為檢驗水下裂縫的修補效果，施工完成后，通過潛水探摸發現基樁裂縫修補膠已經固化、密實飽滿，修補膠與基樁連接處結合緊密，未發現有縫隙、夾層和空腔等修補缺陷（裂縫修補后典型效果如圖6所示）。

圖6 裂縫修補典型效果Fig.6 Typical effect of crack patch

另外進行抽水試驗時在基樁裂縫修補處樁內位置也未發現漏水、滲水現象（現場抽水檢查如圖7所示）。由此表明，基樁裂縫修補效果良好，改性環氧修補膠對混凝土水下裂縫的封閉起到了很好的作用。

圖7 現場抽水檢查結果（樁內側）Fig.7 On-site pumping inspection result（inner side of pile）

4 結語

混凝土水下裂縫修復難度大、修復質量容易受施工人員的操作影響出現偏差等問題一直是困擾工程技術人員的一大難題。本文在分析以往研究成果和水下修補材料與混凝土粘結機理的基礎上，從改性環氧修補材料性能測試和水下混凝土裂縫封閉修補模擬試驗兩方面進行研究，成功提出混凝土水下裂縫改性環氧封閉修補技術，并結合工程應用情況對其可行性和修補效果進行驗證，取得了良好的成效。

[1] 陳佳偉，梁超.SXM、PBM-3在水下混凝土裂縫修補中的應用[J].吉林水利，2009，4（4）：33-35.CHEN Jia-wei，LIANG Chao.Application of SXM，PBM-3 at the underwater concrete crack patch[J].Jilin Water Resources，2009，4（4）：33-35.

[2] 張捷.大壩混凝土缺陷水下修補技術[J].大壩與安全，2004（4）：8-13.ZHANG Jie.Underwater patching technology of dam concrete cracks[J].Dam&Safety，2004（4）：8-13.

[3] GB 50367—2006，混凝土結構加固設計規范[S].GB 50367—2006，Design code for strengthening concrete structure[S].

[4] JTS311—2011，港口水工建筑物修補加固技術規范[S].JTS 311—2011，Technical code for repair and strengthening of harbor and marine structures[S].

[5] 黃強，劉波，王超，等.改性環氧樹脂膠粘劑耐人工海水的性能研究[J].黑龍江大學自然科學學報，2010，12（6）：718-722.HUANG Qiang，LIU Bo，WANG Chao，et al.Study on durability of modification epoxy adhesive in saltwater[J].Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2010，12（6）：718-722.

[6] GB/T 2567—2008，樹脂澆鑄體性能試驗方法[S].GB/T 2567—2008，Performance test methods of the resin casting[S].