混凝土裂縫修復的研究進展

劉桂賓,胡俊,錢文隆,方祥位

(1后勤工程學院供油系,重慶401311;2后勤工程學院土木工程系,重慶401311)

混凝土裂縫修復的研究進展

劉桂賓1,胡俊1,錢文隆1,方祥位2

(1后勤工程學院供油系,重慶401311;2后勤工程學院土木工程系,重慶401311)

裂縫是混凝土的常見問題,極大影響了混凝土結構的使用效能,給土木工程和建筑行業帶來了巨大的經濟損失,嚴重制約了混凝土工程的發展.為滿足混凝土耐久性的工藝要求,需及時對裂縫進行修復.該文著眼于實際應用和高新技術的發展前沿,介紹了填充法、灌漿法、自修法和微生物法的發展情況,對混凝土修復方法進行了展望.

混凝土裂縫;填充;灌漿;自修;微生物;修復

0 引言

改革開放近40年來,我國建筑業規模迅速擴大,混凝土憑借其原料來源廣泛、價格低廉、制作簡單和成品具有高強度、耐腐蝕等特點,被廣泛使用在房屋建筑、道路橋梁、堤壩隧道等建筑工程中.根據中國建筑業協會混凝土分會2014年工作報告,我國混凝土年產量已連續多年超過世界混凝土年產量的一半,混凝土工程規模和混凝土行業的從業人數均居于世界第一[1].但是,混凝土裂縫的修復問題一直懸而未決,每年因為混凝土裂縫而引發的事故比比皆是,造成了難以挽回的經濟損失,在很大程度上制約著土木工程施工和建筑行業的進一步發展.

混凝土裂縫的成因有很多,特別是在混凝土剛剛澆筑到成型這一段時間內,熱脹冷縮較為明顯,內外水分丟失的速率不一致,會導致收縮差[2]的產生,而混凝土的抗拉強度并不能完全消除收縮差對混凝土整體結構的影響,加之在日常使用和維護過程中管理的不合理、不科學,在各種載荷和地基沉降的共同作用下,混凝土很容易產生裂縫.本文立足混凝土裂縫屬性,介紹了幾種在工程建設中常用的修復方法.

1 混凝土主要修復方法

1.1 填充法

填充法是沿原有的混凝土裂縫開U型槽或者V型槽[3],嵌入填充材料進行修復,通常適用于縫寬大于5mm,縫深不超過混凝土結構厚度1/2的裂縫.該方法的關鍵在于填料的選擇,需根據混凝土成分和裂縫屬性而確定,效果較好的填料有聚合物超細水泥(PMSC)[4]、環氧樹脂砂漿等.

聚合物超細水泥是一種利用聚合物乳液S400調制的一種具有良好的粘結性和防水性的新型混凝土裂縫修復材料,其良好的毛細滲透特性使得PMSC可以充滿裂縫中細小的空隙,能夠與混凝土集體形成致密的纖維狀網絡骨架,極大地增強了整體強度.環氧樹脂砂漿可被視為一種合成膠粘劑,環氧樹脂分子中含有活潑的環氧基團,能夠與多種類型的固化劑發生交聯反應而形成不溶的具有三向網狀結構的高聚物,使得環氧樹脂砂漿具有粘接強度高、固化收縮率小、耐腐蝕等特點.大量實驗數據表明,采用環氧樹脂砂漿修復后的裂縫其起裂載荷和極限載荷都得到了明顯提升[5],故被廣泛采用.

當混凝土裂縫中存在被銹蝕的金屬時,開鑿的凹槽應適當增加寬度和深度,對銹蝕的金屬進行清理,并涂上防護涂料,或將防銹劑添加到填料中均勻混合后嵌入裂縫進行修補.目前,有關專家正在研究一種可以不需要開鑿凹槽,類似于浸潤機理直接作用于裂縫表面的防銹劑,該種防銹劑可滲透到裂縫內部的銹蝕金屬表面,形成防銹保護膜.

1.2 灌漿法

灌漿法是將配好的漿材注入裂縫以達到修復混凝土的目的,適用于縫寬較小(0.05~5mm)、縫深較深的裂縫,常用的灌漿方法有自流注入法、加壓注入法和真空吸入法.為盡可能使混凝土在修復后保持其原有的耐久性和安全性,所用漿材需具備良好的流動性、適當的粘度、較小的收縮率和快速恢復的整體性等特點,主要漿材有環氧樹脂、氨基甲酸乙酯、丙烯酰胺聚合物和硅酸鹽水泥等.

隨著新材料和多分子聚合物的發展,用于灌漿的材料越來越豐富,但是,具有粘度低、滲透性強、固結物韌性好等特點的配方并不多.以環氧樹脂砂漿為例,配方中常見的非活性稀釋劑盡管能與環氧樹脂混合均勻,但其較強的揮發性會對砂漿固化反應產物的力學性質環繞粘結能力產生較大影響;若采用活性稀釋劑,砂漿固化反應產物的粘結力增強的同時,粘度也變大了,會降低砂漿的流動性和可灌性.經過大量的實驗和論證,結合活性稀釋劑和非活性稀釋劑各自的優缺點,最終研制出了混合稀釋劑[6],才使得環氧樹脂砂漿配方有了很大的改觀.低溫條件下,環氧樹脂砂漿的粘度增大,固結時間延長,需要在配方中加入適量的固化劑和促進劑,以加快固結反應速度和降低收縮性.

1.3 自修法

自修法通過模仿動物肌肉組織在受到外界創傷時的再生機理,借助修復膠粘劑實現自行愈合[7].水泥自愈現象最初是由Abram偶然發現,后經過挪威學者的反復試驗和美日科學家的不斷鉆研,最終研制出了裝有修復膠粘劑的玻璃纖維和微膠囊載體,并將其逐步運用到工程實踐中.我國對自修混凝土的研究起步較晚,廣東工業大學張妃二等[8]利用充滿高分子溶液膠的光線進行了對比試驗;同濟大學習志臻等[9]采用空心玻璃做修復膠粘劑得載體,論證了修復后混凝土的承載能力;哈爾濱工業大學歐進萍等[10]探究了自修混凝土的再生機理,并且建立相應的數學物理模型.

自修混凝土在受到損傷時,會破壞膠粘劑載體,膠粘劑流出后對受損部位自行修復.發展至今,修復膠粘劑的載體主要有兩種形式:空心玻璃和微膠囊.空心玻璃呈纖維狀,按長度分為玻璃長管和玻璃斷短管[11],其中,玻璃長管在水泥中分布較為規則,玻璃短管則更傾向于不定向分布,類似于神經網絡.空心玻璃其彈性模量受溫度影響不大,泊松比變化范圍小[12];抗張強度、抗壓強度高;熱膨脹系數小,高溫條件下性質穩定;化學性質穩定,不與管內的修復膠粘劑和管外的混凝土發生反應,防腐性好.微膠囊由囊壁和囊核組成,囊壁將囊核中的修復膠粘劑與外界隔離,起到保護作用.囊壁由聚合物組成,有單層和多層之分,囊核可以是單個,也可以是多個.因此,微膠囊主要有四種結構:單壁單核、單壁多核、多壁單核、多壁多核[13].在實際工程建設中,需根據建筑物具體位置的受力情況來確定微膠囊的結構.微膠囊可通過物理方法制得,也可以化學合成,目前,制備工藝已經較為成熟.

自修法采用的黏膠劑種類多樣,性質也有所側重[14],共同的優點主要有個方面:一是固化性質好,能夠實現裂縫的快速修復;二是性質穩定,能夠長期保存;三是粘度較小、粘溫特性好,低溫條件下也能實現對微小縫隙的修復;四是環保、無毒.選擇時需根據混凝土的配比、環境溫差等因素來確定,目前,使用較為廣泛的是環氧樹脂黏膠劑[15].

1.4 微生物法

微生物修復混凝土裂縫是近些年新興的修復方法,利用微生物的新陳代謝和酶化反應產生CaCO3對較小裂縫進行修復,與傳統的修復方法相比,微生物法更環保、更健康.微生物產生CaCO3最初是由EBoquet等[16]發現,后經過各國科學家的不懈努力和探究,已成功應用于歷史文物的修復和巖土工程的改造,目前,正推廣至建筑物的裂縫修補.國內東南大學錢春香等[17]利用巴氏芽孢桿菌進行了大量試驗,也獲得了多項專利.

巴氏芽孢桿菌可以合成自然界中最穩定的CaCO3晶體---方解石,故常作為實驗室研究微生物修復混凝土的常用微生物.方解石的生成是一系列酶化反應的結果,其中最關鍵的是尿素酶,它能夠將代謝產生的尿素水解,生成大量CO2, CO2溶于水會產生當環境中存在鈣離子時,就會形成Ca-CO3沉淀,巴氏芽孢桿菌在提供尿素酶的同時,也確定了CaCO3晶體晶核的位置,具體的化學反應過程[18]如下:

由于水解反應的可逆性,為促進方解石的沉淀,實驗環境的PH值應大于7.

國外也有用好氧型細菌進行實驗研究的,例如,Jonkers等[19]分別將加入了甲酸鈣或乳酸鈣的假堅強芽孢桿菌菌液和科氏芽孢桿菌菌液摻入混凝土裂縫[20],并利用掃描電鏡和X射線對裂縫中的碳酸鈣晶體結構進行了分析,對修復部位的承載能力和抗拉強度進行了測定,論證了高堿環境下的微生物修復混凝土的可行性.此后,Belie等[21]以聚亞安脂、硅膠、硅藻為載體,利用球形芽孢桿菌進行了實驗研究[22].

微生物修復混凝土裂縫最關鍵的步驟就是菌液的配方和微生物的培養[23],盡管高堿環境有利于方解石的形成,但同時過高的PH值也抑制了微生物的活性,嚴重時甚至會影響修復效率和效果.為適應細小裂縫的修復,菌液粘度不能過大,稠度不宜過高,這就給菌液培養基的配方帶來了難度,并且,不同的微生物賴以生存以營養物質也各有不同,因此,培養基的組分也有很大區別,特別是微量元素和生長激素.國內外許多等針對各類微生物的生長規律,對不同種類的培養基進行研究和配置,通過調節水、有機物、無機鹽等主要物質的比例,控制培養基中的酸堿度、緩沖能力以及滲透壓大小來滿足微生物的生長所需.盡管許多成果已由實驗室論證階段逐步走向實際工程應用,但微生物修復混凝土仍處于初級階段,想實驗全面推廣還有很多關鍵性技術亟待解決.

2 混凝土修復展望

隨著中國城市化進程加速,未來幾年,混凝土產量將持續走高,混凝土裂縫修復將成為建筑行業的重點發展方向.混凝土裂縫成因復雜,裂縫形狀各有不同,修復方法也多種多樣,但對縫寬和縫深都有較為嚴格的要求,普適性不強,顯示出很大的局限性.

(1)盡管填充法被廣泛采用,能適應較寬的裂縫,但在開槽過程中很容易對已經受損的部位造成二次損傷,嚴重時可能會破壞原有混凝土結構而導致裂縫無法修復.特別是對于很注重外觀完整的歷史文物以及房梁、電線桿、枕木等受力大的關鍵部位,一般情況下都不允許開槽.另外,若要對裂縫中存在已經銹蝕的鋼筋進行防銹防腐處理,必須進一步擴大擴深所開溝槽,這對修復后混凝土的承載強度和耐久性會產生較大影響.

(2)灌漿法能夠修補較深的裂縫,但漿材并不能適用于各種環境,特別是在低溫條件下,漿材的粘度變大,會影響漿材的可灌性和固化時間.為改善漿材的環境適應能力,通常在其配置過程中加入固化劑、稀釋劑、促進劑等添加劑.但隨著近年來國家建筑行業環保意識的增強,漿材必須滿足無毒無公害、綠色環保健康的要求,這在很大程度上縮小了漿材的選擇范圍,特別是對于漿材中的添加劑更是嚴格控制,灌漿法想要有所突破必須在漿材和添加劑的環保方面進行深入研究.

(3)雖然混凝土自愈技術已經取得了多項突破性成果,但目前仍處于半成熟狀態,實驗探索性研究仍在繼續,理論的系統化、規范化仍在建設當中,將其全面應用到實際工程施工建設中條件還遠未成熟,許多關鍵性技術難題仍未得到有效解決:其一,自修法采用的空心玻璃和微膠囊尺寸大小沒有統一的理論依據,膠粘劑載體的制備技術還比較缺乏,制備工藝并不成熟;其二,對膠粘劑流出后的變化規律研究不夠,混凝土的自愈效果的檢測手段和計算模型仍處于初級階段;其三,外界環境(溫度、酸堿度、壓力等)復雜多變,膠粘劑種類繁多、性能各異,目前還沒有膠黏劑的選擇標準.因此,自修法邁出實驗室研究仍有很長的路要走.

(4)利用微生物產生碳酸鈣修復混凝土裂縫是一種新型生態環保技術,該技術嶄露頭角便顯示出巨大的發展潛力和突破空間.盡管國內外許多科技人員在實驗室進行了大量的研究和論證,但目前仍有許多問題有待解決.一方面,微生物對生存環境的要求比較苛刻,對環境變化比較敏感,這給培養基的配制和微生物的培養帶來相當大的難度.另一方面,該方法成本太高,雖然修復效果要好于前三種修復方法,但過高的造價使得微生物法并不能在工程建設中廣泛應用.在以后的研究中,應該從提高微生物的修復效率和質量,增強經濟性入手.

盡管以上四種混凝土裂縫修復方法都有著各自的缺點,在實際的混凝土裂縫修復工作中可以配合使用,這也是未來混凝土裂縫修復方法的一個發展方向.填充法和灌漿法起步早,技術已經較為成熟;自修法和微生物法發展較為緩慢,很多理論、技術仍處于萌芽階段或者實驗室論證階段,但是隨著科學技術的不斷發展,后兩者必將受到建筑工程師們的青睞.

3 結語

本文主要介紹了四種混凝土裂縫修復方法,前兩種已廣泛應用于實際,后兩者含有很高的技術水平,體現出了智能材料的特征,目前正處于高速發展時期.在修復混凝土裂縫時,需根據裂縫的成因、尺寸,以及混凝土結構特征、外界環境和有無特殊要求來選擇修復方法.只有混凝土裂縫修復得到有效解決,土木工程和建筑行業才能更加有質量地發展.

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責任編輯:孫蘇,李紅

建筑涂料

國際建筑涂料三大發展方向

向本性化發展

現在世界涂料品種結構向著減少VOC等方向發展,水性涂料是其中發展方向之一.中國傳統的溶劑型涂料比重逐漸下降.水性涂料的發展速度也很快.但聚乙烯醇類低檔品種仍占較大比重.提高水性涂料的質量、開發新的品種是鞏固和發展水性涂料的重要環節.重點研究和開發應以醋酸乙烯-丙烯酸共聚乳液、苯乙烯-丙烯酸共聚乳液以及純丙烯酸系列為基料的乳膠涂料為主,并爭取在涂料耐久性、漆膜平滑性、豐滿度、施工性、裝飾性等方面有所突破;對于已較成熟的環氧乳液、水性聚氨酯的水性基料,應繼續研究具有高性能的水性涂料,滿足部分的特殊要求.

向功能化發展

目前除了在防火、防毒、防蟲、殺蟲、隔熱保溫等現有質量水平較低的功能涂料上加大力度、進行科研攻關外,還應加緊研究和解決建筑裝飾中的難、新問題.復合化技術將是提高和滿足各類功能的有效途徑.功能的復合化,如彈性功能與呼吸功能復合,將優良的彈性乳液與親水性表面修飾微殼(超微粒子)復合化,使彈性能力與透濕性并存:彈性功能與低污染功能的復合,將常溫反應型乳液與涂膜親水性技術復合,通過使用交聯分子量大的反應乳膠,提高伸長率和膜密度,使彈性功能與低污染性相結合.加強對耐酸雨涂料的基礎研究,解決建筑物受酸雨腐蝕問題,爭取能在基料復合技術及相關助劑的匹配上取得突破,解決日趨嚴重的酸雨對建筑物腐蝕這一大難題.

基料的改性功能復合化,對于已有的基料進行某種特殊性能的改性,并且與特殊功能相復合.如有機硅改性丙烯酸的耐候性與潮氣固化聚氨酯透濕性相結合,以此來達到雙重特殊功能的作用.

向高性能、高檔次發展

作為涂料的一種理想性能,不僅要保護和美化基材,而且給予基材本身無法具有的特殊功能.使用一些新的基料就可以使涂料獲得非常驚人的高性能化、高增值化、高級化的效果,如高耐候性的氟樹脂涂料,用于建筑方面取得良好的效果.重視研究氟樹脂在水性化方面的發展,尤其是以氟乙烯為主體的氟樹脂改性的共聚物乳液,使其成為性能好、檔次高、價格又能為人們接受的高品質基料,為發展高性能、高檔次的涂料奠定基礎.在水性聚氨酯涂料的研究方面,應集中力量開發產品.聚氨酯是性能優良的高檔材料之一,使其水性化,不僅符合減少污染、節約能源的要求,而且還保持了聚氨酯本身的特性.

另外,有機硅改性丙烯酸樹脂涂料由于具有優良的耐候性、耐污染性、耐化學品性,是中國建筑涂料發展的重要方向.粉末涂料由于無毒、安全性能好,也將是高檔建筑涂料的發展方向之一.

Research Progress of Concrete CracksRepair

Cracking is a common problem of concrete,which greatly affects the usage efficiency of concrete structure and brings huge economic losses to civil engineering and construction industry,seriously restricting the development of concrete engineering.In order to meet the technical requirements of the concrete durability,the cracks should be repaired in a timely manner.This paper focuses on the actual development and application of new and high technologies,specifically introduces the development situation of filling method,grouting method,self-study method and microbial remediation method, and discusses the expectation of concrete repairing methods.

concrete crack;filling;grouting;self-repair;microorganism;repair

TU375

:A

:1671-9107(2017)01-0054-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.01.054

2016-10-29

劉桂賓(1992-),男,山東諸城人,本科,主要從事土木工程相關研究.