高寒地區(qū)橋墩混凝土開裂原因及修補(bǔ)材料研究

周有祿，熊治文，牛東興，李 奮，張壽紅

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000;2.青藏鐵路公司，青海 西寧 810007)

高寒地區(qū)橋墩混凝土開裂原因及修補(bǔ)材料研究

周有祿1，熊治文1，牛東興1，李 奮1，張壽紅2

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000;2.青藏鐵路公司，青海 西寧 810007)

對(duì)高寒地區(qū)的氣溫、降水、日照、輻射等氣候環(huán)境因素進(jìn)行了調(diào)查，分析了環(huán)境因素、保濕養(yǎng)護(hù)和凍融對(duì)混凝土開裂的影響，提出了高寒地區(qū)選擇混凝土裂縫修補(bǔ)材料及方法的原則，并對(duì)所選取的柔性環(huán)氧樹脂和改性FEVE氟碳涂料的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果顯示:柔性環(huán)氧樹脂的斷裂伸長(zhǎng)率提高明顯，與基體粘結(jié)強(qiáng)度高，改性FEVE氟碳涂料具有附著力強(qiáng)、拉伸強(qiáng)度高和彈性好的特點(diǎn)。

高寒地區(qū) 混凝土裂縫 裂縫原因 修補(bǔ)材料 試驗(yàn)研究

高寒地區(qū)氣候干旱少雨，年平均氣溫較低，日溫差較大，紫外線照射強(qiáng)烈。這些因素極大地加劇了混凝土的塑性收縮、干燥收縮等。尤其是每日溫度、濕度的交替變化，使得混凝土的應(yīng)力不斷累加，極易導(dǎo)致混凝土開裂［1］。另外，高寒地區(qū)橋墩混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過程中，承受高達(dá)數(shù)百應(yīng)變的變形，易造成混凝土表面開裂;頻繁的正負(fù)溫交替，極易引起水位變動(dòng)區(qū)墩臺(tái)混凝土遭受凍融破壞;干燥氣候條件會(huì)造成混凝土的干燥收縮加劇［2-3］。

多種自然因素的作用，極易使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。因此，有必要針對(duì)高寒地區(qū)氣候、環(huán)境特點(diǎn)，進(jìn)行橋墩混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)研究。對(duì)于高寒地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的橋梁混凝土結(jié)構(gòu)，若采用適宜的裂縫修補(bǔ)材料，可對(duì)裂縫進(jìn)行有效治理，從而提高工程的服務(wù)質(zhì)量，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的服務(wù)壽命，減少維修及重建費(fèi)用。

1 高寒地區(qū)環(huán)境條件

1)氣溫

青藏鐵路以條帶狀自北向南穿越青藏高原，氣溫的分布規(guī)律受緯度和海拔高度的影響明顯。海拔一定，氣溫隨緯度的增加而降低;緯度一定，氣溫隨海拔的升高而降低。青藏高原的氣溫因受海拔的制約，具有明顯的垂直分帶性。已有的資料表明，海拔每升高100 m，年平均氣溫下降0.5℃左右。由于海拔高，青藏高原大部分地區(qū)的年平均氣溫在0℃以下，最低可達(dá)－7.5℃。

2)降水

青藏高原降水主要集中在暖季的6～9月，占全年降水的80%以上，降水主要以冰雹、雪等固態(tài)降水為主，全年固態(tài)降水天數(shù)是降雨的兩倍。該區(qū)寒季氣候嚴(yán)寒，降水極少，因而寒季基本不積雪，這和高緯度寒區(qū)有明顯的差別。在東北大小興安嶺地區(qū)降雪積雪主要集中在最寒冷的冬季，而青藏高原多年凍土區(qū)的降雪主要集中在暖季，太陽輻射強(qiáng)烈，蒸發(fā)量大，降雪很快就融化蒸發(fā)，因而該區(qū)雪蓋薄，積雪時(shí)間短。

該區(qū)年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，降水量與蒸發(fā)量比值約為1∶5，蒸發(fā)量較大的月份集中在6～9月，其蒸發(fā)量占全年的1/2左右。

3)日照和輻射

青藏高原日照時(shí)間長(zhǎng)且強(qiáng)烈。一年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)達(dá)2 600～3 000 h。日照百分率平均在50%～80%左右。

由于海拔高空氣密度小，水氣和氣溶膠含量少，大氣透明度高，因而該區(qū)太陽輻射平均年總量6 700～9 200 MJ/m2，居全國(guó)之最。高原和內(nèi)地同緯度地區(qū)太陽的總輻射值差別很大，高原的總輻射值隨海拔的升高而增加。

高原夏季夜間空氣濕度較大，甚至趨于飽和，這也是高原多夜雨的原因之一［4］。研究表明，高原西南邊緣可能為高原水汽來源的重要通道之一，其水平輸送可影響高原部分地區(qū)的水汽分布及其近地表水汽垂直分布，成為影響高原局部地區(qū)水分循環(huán)變化的重要因素之一［5］。

2 裂縫原因分析

混凝土開裂原因復(fù)雜，涉及混凝土構(gòu)造配筋、施工

工藝、氣候環(huán)境條件、日常養(yǎng)護(hù)等方面。其中，氣候環(huán)境因素是影響混凝土開裂的重要外部因素［6］。只有對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的種類、狀態(tài)和分布進(jìn)行認(rèn)真分類分析，才能有針對(duì)性地提出防治措施。

2.1 環(huán)境濕度對(duì)混凝土干燥收縮的影響

為了分析混凝土的干縮對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響，以青藏鐵路和平原地區(qū)環(huán)境濕度為依據(jù)，對(duì)比兩種環(huán)境條件下橋梁墩臺(tái)混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力。一般環(huán)境條件下，橋梁墩臺(tái)混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力約為1.94 MPa，而在青藏高原環(huán)境條件下橋梁墩臺(tái)混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力約為3.88 MPa，可見，高原環(huán)境條件下拉應(yīng)力接近于混凝土極限抗拉強(qiáng)度的上限［7］。因此，低濕環(huán)境是使青藏鐵路橋梁墩臺(tái)混凝土開裂的原因之一。

2.2 保濕養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土收縮變形的影響

保濕養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土早期收縮和硬化收縮的影響見圖1。從圖1(a)可見，自混凝土成型至終凝前(即0～8 h)，在未采取保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土塑性收縮近1 000× 10－6，而采取保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土在塑性階段幾乎不收縮。從圖1(b)可見，以1 d齡期脫模作為起始零點(diǎn)，在未采取保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土240 d硬化收縮約600× 10－6，而采取保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土硬化收縮僅為300× 10－6。可見，保濕養(yǎng)護(hù)顯著減小混凝土因失水引起的塑性收縮和長(zhǎng)期干燥收縮，從而降低混凝土在早期抗拉強(qiáng)度相對(duì)低時(shí)的開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此施工期間混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)不到位也是橋梁墩臺(tái)混凝土開裂的原因之一［8］。

圖1 混凝土早期收縮與硬化收縮

2.3 凍融對(duì)混凝土開裂的影響

根據(jù)表現(xiàn)形式的不同，混凝土凍融造成的損傷可以分為內(nèi)部劣化和表面剝蝕2種類型。

①內(nèi)部劣化。混凝土結(jié)構(gòu)受到凍融作用時(shí)，其內(nèi)部水分的凍結(jié)將引起體積膨脹。在反復(fù)凍融的作用下，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生松弛、微裂紋等。并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，龜裂也不斷增加。

②表面剝蝕。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，內(nèi)部劣化裂紋增多，混凝土表面也逐漸出現(xiàn)裂縫，并進(jìn)一步出現(xiàn)剝離。

3 高寒地區(qū)橋墩混凝土裂縫修補(bǔ)材料的選擇及試驗(yàn)

3.1 修補(bǔ)材料的選擇原則

l)根據(jù)高寒地區(qū)所處位置及氣候環(huán)境特點(diǎn)，所選施工方法應(yīng)具備簡(jiǎn)易、速度快、方便、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，材料應(yīng)不怕凍，低溫使用時(shí)性能要良好。

2)應(yīng)根據(jù)混凝土裂縫深度和寬度等情況，選擇合適的修補(bǔ)方法。

3)對(duì)于相同的裂縫修補(bǔ)效果，應(yīng)當(dāng)考慮價(jià)格比較適中，能夠大面積推廣使用的裂縫修補(bǔ)材料及方法。

3.2 高寒地區(qū)橋墩混凝土裂縫修補(bǔ)材料

從青藏鐵路的具體環(huán)境出發(fā)，在國(guó)內(nèi)外混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照耐久老化性能優(yōu)先、力學(xué)性能適宜和施工便利的原則使用了改性FEVE氟碳涂料和柔性環(huán)氧樹脂［9］。其性能指標(biāo)見表1和表2。

表1 改性FEVE氟碳涂料性能指標(biāo)

表2 柔性環(huán)氧樹脂性能指標(biāo)

由表1可見，改性FEVE氟碳涂料與普通市售柔性氟碳涂料相比，老化性能良好，且具有附著力強(qiáng)、拉伸強(qiáng)度高和彈性好的特點(diǎn)。由表2可見，柔性環(huán)氧樹脂材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足青藏鐵路特殊環(huán)境下注漿材料技術(shù)要求。

3.3 高寒地區(qū)混凝土裂縫修補(bǔ)材料強(qiáng)度試驗(yàn)

本次試驗(yàn)主要針對(duì)實(shí)際工程采用的修補(bǔ)材料，包括柔性環(huán)氧樹脂及改性FEVE氟碳涂料，研究了兩種修補(bǔ)材料不同的破壞形態(tài)，并且對(duì)其強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，見表3和表4。

表3 柔性環(huán)氧樹脂抗壓強(qiáng)度 MPa

表4 改性FEVE氟碳涂料抗拉強(qiáng)度

改性前和改性后修補(bǔ)材料抗壓、抗拉強(qiáng)度均能達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。改性后柔性環(huán)氧樹脂抗壓強(qiáng)度有所降低，但影響不是很大。改性后FEVE氟碳涂料抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率得到了改善，均有所提高。

4 結(jié)論

1)通過實(shí)地大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高寒地區(qū)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)在干燥收縮、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等自然因素的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)開裂較多，其大部分裂縫以非結(jié)構(gòu)性裂縫為主。

2)對(duì)高寒地區(qū)橋墩混凝土裂縫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并且從低溫環(huán)境、保濕養(yǎng)護(hù)和凍融對(duì)混凝土裂縫的影響進(jìn)行了分析。

3)提出了壓力注漿法和表面封閉法相結(jié)合的適應(yīng)于高寒地區(qū)的防治技術(shù)，并對(duì)修補(bǔ)材料的抗壓、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。從現(xiàn)場(chǎng)的修補(bǔ)情況來看，修補(bǔ)材料能夠滿足高寒地區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn)。

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Study on crack causes of bridge pier concrete in extremely cold area and its patching materials

ZHOU Youlu1，XIONG Zhiwen1，NIU Dongxing1，LI Fen1，ZHANG Shouhong2
(1.Northwest Research Institute Co.Ltd of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China; 2.Qinghai-Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810007，China)

T he environmental conditions in extremely cold area，including temperature，precipitation，sunlight and radiation，were investigated.T he effect of environment，moisture cure and freeze thawing on concrete cracking was analyzed.T he selection of patching materials and patching disciplines in the extremely cold area were proposed.T he performance of the selected flexibility epoxy resins and modified FEVE fluorocarbon coating was tested.T he results show that the elongation of the flexibility epoxy resins increase significantly and its bond strength to the matrix is strong.T he advantages of the modified FEVE fluorocarbon coating include strong attachment，high tension strength and well-performed elasticity.

Extremely cold area;Concrete crack;Crack cause;Patching materials;Experiment research

U443.22

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.12

(責(zé)任審編 葛全紅)

2015-04-10;

:2015-07-20

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013T003-A);中國(guó)中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012-重大-7)

周有祿(1984— )，男，甘肅白銀人，工程師，碩士。

1003-1995(2015)09-0038-03