地鐵混凝土管片裂縫修補(bǔ)后抗侵蝕性能研究

徐少云，高培偉，潘金敢，張麗芳，孫亞飛,4，劉宏偉，陳衛(wèi)峰

(1.南京航空航天大學(xué)土木工程系，南京 210016；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127；3.南京中聯(lián)混凝土有限公司，南京 211100；4.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，鹽城 224051)

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地鐵混凝土管片裂縫修補(bǔ)后抗侵蝕性能研究

徐少云1,2，高培偉1，潘金敢3，張麗芳1，孫亞飛1,4，劉宏偉1，陳衛(wèi)峰1

(1.南京航空航天大學(xué)土木工程系，南京 210016；2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127；3.南京中聯(lián)混凝土有限公司，南京 211100；4.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，鹽城 224051)

通過(guò)模擬地鐵隧道管片裂縫，研究了采用四種修補(bǔ)材料修復(fù)C50地鐵混凝土管片裂縫后的抗侵蝕性能，研究結(jié)果表明：丙烯酸酯共聚乳液(ACE)修復(fù)后混凝土抗Cl-滲透性有所減小，其余三種修補(bǔ)材料修補(bǔ)后混凝土抗Cl-滲透性均有所提高，其中聚氨酯(LW)修補(bǔ)后提高幅度最大；四種修補(bǔ)材料修補(bǔ)后的混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力均有不同程度的減小，采用環(huán)氧樹(shù)脂(ER)修補(bǔ)后混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度降幅最大，聚氨酯(LW)修補(bǔ)后抗折強(qiáng)度降幅最小，丙烯酸酯共聚乳液(ACE)修補(bǔ)后抗壓強(qiáng)度降幅最小。

地鐵管片； 裂縫修補(bǔ)； 抗氯離子滲透； 抗硫酸鹽侵蝕

1 引 言

近年來(lái)，隨著城市交通的快速發(fā)展，很多城市已經(jīng)擁有或正在建造地鐵，其中盾構(gòu)法主要采用管片作為隧道的永久襯砌，部分管片在生產(chǎn)、施工和運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)了裂縫，管片開(kāi)裂滲漏的報(bào)道也逐年增多[1-3]，目前混凝土裂縫修補(bǔ)材料主要為有機(jī)與無(wú)機(jī)兩大類(lèi)，影響無(wú)機(jī)修補(bǔ)材料修復(fù)效果的主要是新舊材料的界面粘結(jié)力[4,5]，有機(jī)修補(bǔ)材料主要以環(huán)氧樹(shù)脂為基材的一類(lèi)修補(bǔ)材料，界面粘結(jié)強(qiáng)度高，承載能力也得到了相應(yīng)的提高[6,7]，范玉波分別用環(huán)氧改性砂漿、丙乳改性砂漿涂抹混凝土表面，得到環(huán)氧改性砂漿涂抹后混凝土抗Cl-滲透性有明顯提高，而丙乳涂抹后的抗Cl-滲透性相對(duì)較差[8]，王建輝等研究得出聚氨酯修復(fù)混凝土后的抗?jié)B性較基體要好，但抗壓、抗拉強(qiáng)度要明顯低于原基體[9]，葉嬌鳳通過(guò)優(yōu)化配合比，研究出了一種耐侵蝕、力學(xué)性能優(yōu)良的改性環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)材料[10]。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

選用52.5 MPa硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)的要求；細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)2.3的河砂；粗集料采用粒徑5～20 mm的玄武巖碎石；礦物摻合料采用Ⅰ級(jí)粉煤灰；外加劑選用超塑化劑，最大減水率≥35%；拌合水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

兩組成分聚氨酯修補(bǔ)材料為上海某貿(mào)易公司銷(xiāo)售的進(jìn)口修補(bǔ)材料(LW)；E-51環(huán)氧樹(shù)脂為上海某化學(xué)有限公司生產(chǎn)(ER)；丙烯酸乳液采用江蘇某研究院研制的丙烯酸酯共聚乳液(ACE)， XJ修補(bǔ)材料是課題組自行研制的新型修補(bǔ)材料，性能指標(biāo)見(jiàn)表1；固化劑、非活性稀釋劑均為常州某化工廠生產(chǎn)。

表1 新型修補(bǔ)材料的性能Tab.1 Physical properties of XJ

2.2 試驗(yàn)配比

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157-2013)規(guī)定裝配式鋼筋混凝土管片最低設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，C50等級(jí)混凝土配合比及基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示；根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)新型修補(bǔ)材料XJ采用180 mPa·s粘度，1.5%的固化劑摻量作為實(shí)驗(yàn)配合比；聚氨酯修補(bǔ)材料按照使用說(shuō)明的兩種組分體積比1∶1采用；環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)材料采用的配合比為環(huán)氧樹(shù)脂E-51、稀釋劑、固化劑與流化劑的比例為100∶10∶13∶5；采用聚灰比為0.65的丙烯酸酯共聚乳液改性水泥修補(bǔ)材料；為保證管片裂縫修補(bǔ)效果，在實(shí)際修補(bǔ)時(shí)應(yīng)沿裂縫進(jìn)行鉆孔并使用壓力注漿機(jī)進(jìn)行注漿修補(bǔ)，修補(bǔ)材料主要適用寬度在0.5 mm～2 mm的微細(xì)裂縫。氯離子滲透實(shí)驗(yàn)采用圖1模擬裂縫，硫酸鹽侵蝕試件采用40 mm×40 mm×160 mm的長(zhǎng)方體，折斷后用不同的修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ)，裂縫修復(fù)后在濃度5%Na2SO4溶液中浸泡30 d為一組，另一組修補(bǔ)后未浸泡作為對(duì)比試件。

圖1 混凝土裂縫模擬試件(單位：mm)Fig.1 Repairing specimen of test

/kg·m-3

2.3 試驗(yàn)方法

氯離子滲透按照NEL法執(zhí)行，將試件放入4 mo1/L NaCl溶液中真空飽鹽，擦去試件表面鹽水并置于試樣夾具上的尺寸為φ50 mm的兩個(gè)電極之間，通過(guò)NEL型氯離子測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)。硫酸鹽侵蝕測(cè)試參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》(GB/T 749-2008)和《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》JTG E30-2005進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 抗氯鹽侵蝕

通常用氯離子的電通量和擴(kuò)散系數(shù)來(lái)衡量抗氯離子滲透的能力，同時(shí)也能反映混凝土的抗?jié)B性的優(yōu)劣，評(píng)價(jià)混凝土抵抗氯鹽侵蝕的能力，圖2和圖3是采用不同修補(bǔ)材料修補(bǔ)混凝土裂縫后與未開(kāi)裂混凝土的電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)示意圖。

圖2 不同材料修補(bǔ)后Cl-滲透電壓-電流關(guān)系 Fig.2 Voltage-current of different material repaired

圖3 不同材料修補(bǔ)后Cl-擴(kuò)散系數(shù)Fig.3 Cl- diffusion coefficient of different material repaired

從圖2和圖3可見(jiàn)采用ACE修補(bǔ)材料修補(bǔ)混凝土裂縫后電流和擴(kuò)散系數(shù)比沒(méi)有開(kāi)裂混凝土的稍大，擴(kuò)散系數(shù)為基體的102.6%，說(shuō)明其修補(bǔ)后界面抗氯離子滲透性能較原基體有所降低；LW修補(bǔ)后的電流與擴(kuò)散系數(shù)均小于原基體，擴(kuò)散系數(shù)較原基體降低22.6%；XJ與ER修補(bǔ)后的電流和擴(kuò)散系數(shù)較原基體有明顯減小，其修補(bǔ)后擴(kuò)散系數(shù)較原基體分別降低了7.6%和15.6%，說(shuō)明XJ和ER修補(bǔ)后界面抗氯離子滲透性較原基體有明顯提高，抗Cl-滲透能力同修補(bǔ)材料與基體之間的粘結(jié)有直接關(guān)系，LW是聚氨亞酯類(lèi)材料，能夠在裂縫內(nèi)部形成內(nèi)榫結(jié)構(gòu)，能將修補(bǔ)材料滲透到混凝土內(nèi)部，LW抗Cl-滲透能力最優(yōu)，ACE修復(fù)后抗Cl-滲透能力退化最為嚴(yán)重，其余三種修補(bǔ)材料抗Cl-滲透能力較原基體無(wú)退化，反而有所提高。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕

圖4和圖5是采用不同修補(bǔ)材料修補(bǔ)混凝土裂縫后，浸泡在硫酸鹽溶液中的試件與未浸泡試件的強(qiáng)度變化示意圖。

由圖4可得XJ修補(bǔ)后浸泡的抗壓強(qiáng)度為未浸泡的80.3%，LW修補(bǔ)后浸泡的抗壓強(qiáng)度為未浸泡的74.4%，ER修補(bǔ)后浸泡的抗壓強(qiáng)度為未浸泡的70.3%，ACE修補(bǔ)后浸泡的抗壓強(qiáng)度為未浸泡的86.6%，同時(shí)ER修復(fù)后未浸泡硫酸鹽抗壓強(qiáng)度最大，說(shuō)明在無(wú)硫酸鹽侵蝕條件下ER修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度最優(yōu)，ACE修復(fù)硫酸鹽侵蝕后抗壓強(qiáng)度最大，單從抗硫酸鹽侵蝕抗壓強(qiáng)度看，ACE修補(bǔ)后的性能降幅最小，ER修補(bǔ)后的性能降幅最大；從抗壓強(qiáng)度抗硫酸鹽侵蝕能力看，ACE修補(bǔ)效果最好。

圖4 修補(bǔ)后抗硫酸鹽侵蝕抗壓變化圖 Fig.4 Change of compressive strength of sulfate attack

圖5 修補(bǔ)后抗硫酸鹽侵蝕抗折強(qiáng)度變化Fig.5 Change of flexural strength of sulfateattack

從圖5可以得到浸泡后的試件抗折強(qiáng)度均低于未浸泡的抗折強(qiáng)度，其中XJ修補(bǔ)后浸泡后的抗折強(qiáng)度為未浸泡試件抗折強(qiáng)度的68.7%，LW修補(bǔ)后浸泡后的抗折強(qiáng)度為未浸泡試件抗折強(qiáng)度的84.7%，ER修補(bǔ)后浸泡后抗折強(qiáng)度僅為未浸泡試件抗折強(qiáng)度的59.1%；ACE修補(bǔ)后浸泡后的抗折強(qiáng)度為未浸泡試件抗折強(qiáng)度的76.1%，同時(shí)ER修復(fù)后未浸泡硫酸鹽抗折強(qiáng)度最大，說(shuō)明在無(wú)硫酸鹽侵蝕條件下ER修復(fù)后的抗折強(qiáng)度最優(yōu)，ER和ACE修補(bǔ)硫酸鹽侵蝕后的抗折強(qiáng)度最大，說(shuō)明經(jīng)硫酸鹽侵蝕后，ER和ACE的修復(fù)效果較好，總體上看，ER修復(fù)后抗硫酸鹽侵蝕抗折強(qiáng)度降幅最為明顯，LW修補(bǔ)后的降幅最小，而XL和ACE的降幅介于ER和LW之間。

4 結(jié) 論

除丙烯酸酯共聚乳液ACE修補(bǔ)管片裂縫后的抗Cl-滲透性有所降低，其余三種修補(bǔ)材料修補(bǔ)管片裂縫后抗Cl-滲透性均有所提高，其中聚氨酯LW修補(bǔ)后提高幅度最大，擴(kuò)散系數(shù)較原基體降低了22.6%。

管片裂縫修補(bǔ)后，抗硫酸鹽侵蝕抗壓強(qiáng)度降幅由大到小依次為環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)ER、聚氨酯類(lèi)LW、新型修補(bǔ)材料XJ、丙烯酸酯類(lèi)ACE；抗硫酸鹽侵蝕抗折強(qiáng)度降幅由大到小依次為環(huán)氧樹(shù)脂ER、新型修補(bǔ)材料XJ、丙烯酸酯共聚乳液ACE、聚氨酯LW。

[1] 何 川,封 坤,方 勇.盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,50(1):97-109.

[2] 賴金星,樊浩博,曹小軍,等.盾構(gòu)隧道涌水導(dǎo)致管片裂縫錯(cuò)臺(tái)病害處治方法[J].工程勘察,2015,10:20-24.

[3] “中國(guó)公路學(xué)報(bào)”編輯部.中國(guó)隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2015[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2015,28(5):1-65.

[4] 唐春平.磷酸鹽修補(bǔ)材料粘結(jié)強(qiáng)度影響因素研究[J].混凝土與水泥制品,2012,2:22-24.

[5] 張西玲,姚愛(ài)玲,李 銘,等.一種環(huán)保型混凝土路面修補(bǔ)材料的試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2011,30(3):688-693.

[6] 陸洲導(dǎo),孫 慧.環(huán)氧樹(shù)脂修復(fù)混凝土裂縫的斷裂試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013,6:1049-1052.

[7] 楊志偉,徐玲玲.MMA基混凝土修補(bǔ)材料的改性[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,5:64-67.

[8] 范玉波.西北地區(qū)橋墩混凝土修補(bǔ)及防護(hù)技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)學(xué)位論文,2011.

[9] 王建輝,張浩博.桑國(guó)臣.混凝土裂縫修復(fù)材料的研究[J].新型建筑材料,2012,5:32-35.

[10] 葉嬌鳳.混凝土裂縫修補(bǔ)用長(zhǎng)效抗凍融環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)發(fā)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)學(xué)位論文,2013.

[11] 錢(qián)振東,何長(zhǎng)江.鋼橋鋪面裂縫快速修復(fù)材料性能試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,2:255-259.

[12] 張 磊,黃 衛(wèi),宗 海.高性能環(huán)氧樹(shù)脂處治水泥混凝土路面裂縫研究[J].公路交通科技,2006,8:9-13.

[13] 曹征良,袁雄洲,邢 鋒.美國(guó)混凝土硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法評(píng)析[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版),2006,23(3):54-57.

[14] Tixier R,Mobasher B.Modeling of damage in cement based materials subjected to external sulphate attack:comparison with experiments[J]. Journal of Materials Civil Engmeermg Materials in Civil Engineering,2003,15(4):314-322.

[15] 耿 飛,高培偉,劉 冰,等.高性能丙烯酸類(lèi)混凝土裂縫修補(bǔ)材料的制備研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2013,45(2):255-259.

[16] Gao P W,Shao-yun Xu,Xiong Chen.Research on autogenous volume deformation of concrete with MgO[J]. Construction and Building Materials,2013,(40):998-1001.

[17] Gao P W,Lu XiaoLin,Tang Mingshu.Shrinkage and expansive strain of concrete with fly ash and expansive agent[J] Journal of Wuhan University of Technology Materials Science,2009,24(1):150-153.

[18] 杜喜龍,周 虎,王黎軍,等.西北高原混凝土納米表面處理劑應(yīng)用試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2015,34(7):2036-2041.

[19] 張紅波,高培偉,陳雄等.摻新型膨脹材料水泥砂漿變形性能研究[J].工業(yè)建筑,2012,42(7):119-123.

Corrosion Resistance Attack after Repairing the Subway Concrete Segment Crack

XUShao-yun1,2,GAOPei-wei1,PANJin-gan3,ZHANGLi-fang1,SUNYa-fei1,4,LIUHong-wei1,CHENWei-feng1

(1.Department of Civil Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China;2.College of Architectural Engineering,Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou 225127,China;3.Nanjing Zoomlion Concrete Co.Ltd,Nanjing 211100,China;4.Department of Civil Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng,224051,China)

Study on four kinds of repairing materials for C50 concrete segment crack to repair the erosion resistance by simulating the subway tunnel segment crack. The results show that concrete resistance to chloride ion permeability is reduced by using the acrylic copolymer emulsion (ACE), it is increased by using the remaining three kinds of repair materials respectively, the polyurethane (LW) improves the sharpest; The resistance to sulfate attack of concrete is decreased in different degrees by using four kinds of repairing materials respectively, the largest decline in flexural and compressive strength by using epoxy resin (ER),the smallest decline in flexural strength by using polyurethane (LW),the smallest decline in compressive strength by using acrylic copolymer emulsion (ACE).

the subway segment;crack repair;resistance to chloride ion permeability;resistance to sulfate attack

中國(guó)和江蘇省博士后基金(1301057B、2014M551588)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項(xiàng)目(2015-K4-023)；江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技項(xiàng)目(2013ZD12)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(NS2015010)聯(lián)合資助

徐少云(1985-)，男，博士研究生.主要從事土木工程材料結(jié)構(gòu)與性能研究.

高培偉，教授，博士生導(dǎo)師.

TU528.7

A

1001-1625(2016)08-2596-04