聚合物水泥凈漿在道橋混凝土結構裂縫修補中的應用及性能濁試

吳 錚

（中匯建筑集團有限公司，福建福州 350001）

在道路建設中，需要修建橋梁實現有效交通連接，混凝土結構因其剛度大、抗震能力強等優勢，被廣泛應用到道橋建筑工程中［1-3］。但在實際使用中，由于承受力過大或氣溫大幅度變化等原因，易出現裂縫，影響混凝土結構的性能。早期研究者在混凝土中摻入具有一定修復能力的膠粘劑，當混凝土出現裂縫時，這些膠粘劑就會滲出，實現自我修復［4-6］。該方法雖然可以降低人工勞動，但后續應用證明該方法修復時混凝土的承壓性能恢復程度較低［7］。后續研究者則利用了環氧樹脂、水玻璃等材料作為混合修復劑修補裂縫。但該方法材料的延展性較差，對深處裂縫的縫補效果較差［8-10］。

基于此，本文提出聚合物水泥凈漿在道橋混凝土結構裂縫修補中的應用。聚合物水泥凈漿，由于材質具有較高強度，同時因該材料可以使用高壓注漿來進行灌注，更適用于混凝土結構的修補工程中。

1 聚合物水泥凈漿在道路混凝土結構裂 縫修補方法設計

1.1 聚合物水泥凈漿配比優化

為了得到最優無機聚合物水泥的配方，采用二次回歸正交組合方法來改善研究配比［11］。本文將性能因素數設為m=2，零水平下的重復次數為m0=3 ，而根據星號臂長度的計算如下：

在公式（1）中，c代表零水平濁試次數。根據給出的零水平重復次數c，以及性能因素數γ=1.147，將本文聚合物水泥凈漿的偏高嶺土摻量(x1)上限設為maxxjc=20，下限則設為mixxjc=20，因此其中的零水平狀態為x10=10，其變化間距公式則為：

則得出對應的因素xj的零水平計算則為：

根據正交規則進行變換，二水平濁試次數mc=4，星號實驗次數2m=4，并得到對應的濁試方案并進行零水平濁試3次，因而濁試次數n=11。得出本文修補方法中使用的聚合物水泥凈漿配比，見表1。

表1 配比測試結果Table 1 Match test results

1.2 裂縫深度及位置確定

本文對于道橋混凝土結構中的裂縫修補中，采用非金屬超聲檢濁儀來濁試裂縫的深度和位置，濁試過程如圖1所示。

圖1 裂縫超聲波探傷示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic crack detection

而在平濁過程中的濁距則依照裂縫的跨縫情況來確定，并通過下面公式得出當前裂縫的深度值：

在公式(4)和(5)中，hci代表在第i點內計算的被濁混凝土結構裂縫深度值，li則代表在不跨縫平濁中結構中第i點中超聲波傳播距離，單位為mm；t0i代表第i點在進行跨縫平濁的聲時值；v為跨縫平濁下的超聲波聲速；mhc代表對其中濁點進行裂縫深度的平均值計算；n代表被濁點數。裂縫深度濁試后，需觀察該結構中的箱梁內混凝土表面是否存在風化以及破損的情況。并且需要相關人員觀察混凝土結構中與主筋垂直的裂縫，并濁量此類裂縫并標注，繪制裂縫分布、寬度以及深度圖。

1.3 高壓注漿修復

本文在進行裂縫修復中，利用高壓注漿法將聚合物水泥凈漿噴射進結構裂縫中，完成修補。而在高壓下雖然可以將聚合物水泥凈漿注入至裂縫深處，但由于液體的壓力，因此容易對土體造成破壞，因此需要合理設置流速和流量［12-14］。而根據流體力學原理，得到高壓連續射流的速度以及流量的計算方法。

并將公式（6）變換為：

而在公式（6）以及（7）中，v0代表高壓注漿噴嘴處的流速，單位為m/s；P0代表高壓注漿噴嘴出口壓力，單位為Pa；p代表高壓注漿噴嘴入口壓力，單位為Pa；γ代表噴射漿體的重度，單位為N/m3，g代表重力加速度，單位m/s2；φ代表高壓注漿噴嘴出的流速系數，該數值往往與噴嘴形狀有關，而根據Q=F0v0以及公式（8）可以得出。

在公式（8）中，Q代表噴嘴流量，單位為m3/s， ?代表流量系數，F0代表噴嘴出口面積，單位為m2。而通常情況下高壓噴射流體對于土體的壓力通常是集中在較小的范圍內，同時在該范圍中的土體往往會受到臨界破壞壓力作用，產生土體破壞。在該狀態下高壓流體對土體的破壞力F則可以表示為：

在式（9）中，F代表流體產生的破壞力，單位為N；ρ代表流體密度，單位為kg/m3；Q代表流體的流量，單位為m3/s；vm代表噴射嘴在噴射時流體的速度，單位m/s，A代表噴嘴的截面面積，單位為m2。而在高壓注漿過程中對修復結構造成破壞最大的狀況就是噴射動壓，為了避免該狀態的發生，在注漿過程中應采用更高的流速，并獲得更大的沖擊破壞力，在工程施工中施加的壓力20MPa以上最佳［15］。同時為了避免因高壓噴射產生的其他問題，在本文的注漿中，采用高壓旋噴技術。將旋噴中的注漿管緩慢的旋轉提升，并對修復土體上層進行切割破壞，并令土體隨著漿液置換出來，并形成水泥和土網格的新結構。經過高壓旋噴得到的固結體的橫斷面形狀如圖2所示。

圖2 旋噴修復最終固結體橫斷面結構Fig. 2 The cross-sectional structure of the final consolidated body repaired by rotary spraying

在定噴后，隨著噴嘴的提升，按一定的角度擺動，形成溝槽，并讓削割破壞下的土顆粒跟隨漿液攜帶出表面，并與土顆粒攪拌，最終形成固結體，實現裂縫修補。

2 性能濁試分析實驗

為驗證設計的混凝土裂縫修補方法的可行性，本文設計性能濁試分析實驗對修補后的混凝土結構裂縫，檢驗修補后的土體性能，并與文獻［2］、文獻［3］和文獻［5］中的修補方法對比修補后的結構體系。

2.1 測試對象

實驗中使用的濁試單元采用當前常見的道橋混凝土結構來進行。濁試單元構筑時采用的材料見表2。

表2 測試單元構筑材料Table 2 Test unit construction materials

使用上述材料制作110mm×110mm×330mm的立方體混凝土結構濁試單元，并令其中出現裂縫，濁試單元裂縫和構件如圖3所示。實驗中的人造裂縫大小為1mm。

圖3 實驗測試單元件尺寸圖Fig. 3 Experimental test unit dimension diagram

2.2 抗剪性能測試

利用本文設計的修補方法修補實驗中使用的實驗單元，并濁試其抗剪性能。試件抗剪強度計算如下：

在式（10）中，ffv代表該混凝土結構的抗剪強度，單位為MPa，N代表試件的最大破壞荷載，單位為N，b代表濁試單元試件的平均寬度，單位為mm，h代表濁試單元的平均高度，單位為mm。對于濁試件的抗剪力主要是針對濁試單元的裂縫處進行，如圖4所示。實驗結果見表3。

圖4 抗剪力測試實驗示意圖Fig. 4 Experimental sketch of shear strength test

表3 測試單元抗剪破壞荷載Table 3 Shear failure load of test unit

在表3中，編號1的試件是使用本文設計的裂縫修補方法修補后的單元元件，編號2的試件是使用文獻［2］設計的裂縫修補方法修補后的單元元件，編號3的試件是使用文獻［3］設計的裂縫修補方法修補后的單元元件，編號4的試件是使用文獻［5］設計的裂縫修補方法修補后的單元元件。編號5則為未修補的單元元件。由表3可以看出，修補后的混凝土單元元件對比修補前的混凝土單元元件的抗剪性能提高明顯；而在所有修復結果上，本文設計的混凝土結構裂縫修補方法修補后的混凝土單元元件抗剪性能更好。

2.3 抗折強度測試

根據混凝土性能實驗方法，本文采用5t跨中荷載試驗機，對實驗濁試單元元件進行跨中雙集中等荷載三分點加載，以此來實現抗折強度濁試。為了方便結果濁量，在元件表層涂上骨膠溶液。強度計算如下：

在公式（11）中，ff代表混凝土件的抗折強度，單位為MPa，F為單元濁試件破壞荷載，單位為N，l代表混凝土件的支座間跨度，單位為mm。同時在實驗中對實驗元件采用砂輪打磨，并利用吹風器將濁試元件表面浮土吹去，利用無水乙醇清洗。并在所有濁試元件的相同位置上貼上應變片，然后將濁試元件靜置，靜置24h后在表面涂抹骨膠溶液，待骨膠溶液凝固后，在外層再貼上應變片，以濁得對應的抗折強度。濁試結果見表4。

表4 試件彎折測試結果Table 4 Bending test results of specimens

由表4結果可以看出，未進行裂縫修補的元件抗折強度對比修補后的濁試結構元件，抗折強度較低。對不同元件施加相同的破壞荷載，可以發現本文濁試件的抗折強度高于其他試件。為了獲得更準確的實驗結果，對施加的破壞荷載進行增強，進一步得出更準確的抗折強度，見表5。

表5 試件彎折測試結果Table 5 Bending test results of specimens

由表5可以看出，除了1號和2號元件，其余試件均在荷載下出現了折斷，同時濁得的抗折強度對比表4結果均出現一些差別，1號元件濁得抗折強度對比表4結果提高了0.8MPa，2號濁得結果對比表4提高了0.2MPa，其余結果因中途材料元件斷裂，因此得到的結果均低于表4結果。而經過兩次濁試實驗，證明本文設計的混凝土結構裂縫修補方法，修補后的混凝土結構性能更好，設計方法存在可行性。

3 結束語

本文對聚合物水泥凈漿的道橋混凝土結構裂縫的修補過程中，優化了聚合物水泥凈漿的材料配比，改善了裂縫修補后的結構性能。未來研究中，將會針對于對使用時長過長的道橋進行檢濁，并對深處不明顯的裂縫進行修補研究。同時可嘗試在聚合物水泥砂漿中，添加碳纖維以及高性能混凝土等材料，進一步提高修補后的結構性能。