混凝土點狀爆裂修復(fù)方案研究*

朱張峰，管秀發(fā)，張 成

(1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816； 2.南京東固土木工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210022)

0 引言

混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性與可靠性由原材料質(zhì)量及合理的配合比共同決定[1]，混凝土質(zhì)量直接決定工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性。混凝土表面爆裂往往是由制備過程中不慎混入生石灰或鋼筋銹蝕引起的[2-3]，為常見的質(zhì)量問題。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國工程建設(shè)體量呈跨越式增長，建筑材料存在短缺現(xiàn)象，從而導(dǎo)致混凝土原材料質(zhì)量難以保證，如采用工業(yè)廢料生產(chǎn)的混凝土，其內(nèi)部往往含有未經(jīng)處理或處理不到位的鋼渣粉末，鋼渣粉末中的游離氧化鈣、游離氧化鎂遇水會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土爆裂[4]。近年來，由未經(jīng)處理或處理不到位的鋼筋粉末引起的混凝土爆裂質(zhì)量問題頻頻出現(xiàn)[5-6]，且該問題往往出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)竣工后，如果處理不當(dāng)，存在一定安全隱患，須引起重視。

對于混凝土抗裂及裂縫修復(fù)，受不同原因影響，在不同環(huán)境條件下可采用相應(yīng)的工藝方法[7-9]。本文以某高層住宅樓為依托，針對鋼渣摻入混凝土引起的爆裂問題，提出噴涂聚合物改性水泥砂漿和粘貼碳纖維布修復(fù)方案，并基于有限元分析手段，對2種方案下的修復(fù)效果進(jìn)行對比分析，提出修復(fù)建議。

1 工程概況

某高層住宅樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，地上32層，地下1層，建筑高度98m，建筑面積約3萬m2，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度，剪力墻抗震等級為三級。

剪力墻厚200mm，其中地下1～地上6層、地上7～10層、地上11～15層、地上16～32層剪力墻混凝土強度等級分別為C45，C40，C35，C30。樓板厚度基本為120mm，地下1～地上5層、地上6～32層樓板混凝土強度等級分別為C35，C30。構(gòu)件主要受力鋼筋均采用HRB400鋼筋。

2 質(zhì)量問題

本工程主體結(jié)構(gòu)竣工時未出現(xiàn)明顯質(zhì)量問題，但在裝修過程中，發(fā)現(xiàn)大量已粉刷完成的墻側(cè)及板底出現(xiàn)零散的混凝土局部點狀爆裂現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 墻側(cè)及板底質(zhì)量問題

委托第三方檢測單位進(jìn)行強度檢測和爆裂部位混凝土塊體結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分檢測，認(rèn)為混凝土強度滿足設(shè)計要求，塊體呈多孔結(jié)構(gòu)，表面顏色偏褐色，所含化學(xué)元素包括鈣、鋁、鎂、氧等，同時塊體具有明顯的膨脹特性，基于此推斷混凝土出現(xiàn)點狀爆裂的原因是混凝土骨料中摻入了未經(jīng)處理或處理不到位的鋼渣粉末。

3 修復(fù)方案

現(xiàn)場剝除部分爆裂點混凝土，發(fā)現(xiàn)混凝土爆裂主要發(fā)生在墻面或板底保護(hù)層深度范圍內(nèi)?；跈z測結(jié)果認(rèn)定的混凝土強度滿足設(shè)計要求的前提，由于缺少鋼筋約束，導(dǎo)致混凝土受鋼渣粉末影響產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，且膨脹應(yīng)力超過混凝土抗拉強度，使混凝土開裂、剝落。

因此，在盡量全數(shù)處理構(gòu)件表面爆裂點的基礎(chǔ)上，采用噴涂聚合物改性水泥砂漿和粘貼碳纖維布的修復(fù)方案，以加強原構(gòu)件混凝土保護(hù)層抗裂能力，避免混凝土點狀爆裂問題再次發(fā)生。

3.1 噴涂聚合物改性水泥砂漿

該修復(fù)方案采用的聚合物改性水泥砂漿需滿足GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中的Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)要求，28d抗壓強度≥55MPa。墻面噴涂厚度為20mm，分2層噴涂，并在噴涂層中部設(shè)置鋼絲網(wǎng)。板底噴涂厚度為10mm，分2層噴涂，并在噴涂層中下部(距表面3mm)設(shè)置鋼絲網(wǎng)。

具體工藝流程為：裝飾層鏟除→表面濕潤→爆裂點鑿除→混凝土基層鑿毛→表面沖洗→爆裂點修補→滿掛鍍鋅鋼絲網(wǎng)(由φ1mm鋼絲制成，孔距為15mm)→分層噴涂聚合物改性水泥砂漿→收光、養(yǎng)護(hù)→裝飾層恢復(fù)。

爆裂點鑿除主要針對已出現(xiàn)爆裂的混凝土及經(jīng)探測含有鋼渣但未爆裂的混凝土，注意將鋼渣清理干凈，同時，注意保護(hù)周邊鋼筋?；炷粱鶎予徝疃取?mm。爆裂點修補時采用聚合物改性水泥砂漿進(jìn)行填充。滿掛鍍鋅鋼絲網(wǎng)后，采用專業(yè)炮釘槍進(jìn)行固定，縱、橫向固定間距為100cm。分層噴涂聚合物改性水泥砂漿時應(yīng)注意控制第1層噴涂厚度，且使噴涂面為毛面，以加強其與第2層噴涂砂漿的黏結(jié)性能，噴涂完成8h后，設(shè)專人進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間≥14d。

3.2 粘貼碳纖維布

該修復(fù)方案采用的碳纖維布需滿足《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中的單向織物高強Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值≥3 400MPa。墻、板均粘貼1層碳纖維布，采用人工粘貼方式，單位面積質(zhì)量控制為300g/m2。

具體工藝流程為：裝飾層鏟除→表面濕潤→爆裂點鑿除→混凝土基層打磨→表面沖洗→爆裂點修補→粘貼面修補找平→底膠涂抹→碳纖維布粘貼→固化→檢驗→抗裂砂漿噴涂→裝飾層恢復(fù)。

混凝土基層打磨應(yīng)注意清理干凈，轉(zhuǎn)角處應(yīng)進(jìn)行半徑≥20mm的圓弧倒角處理。爆裂點修補時同樣采用聚合物改性水泥砂漿進(jìn)行填充。粘貼面修補找平時，混凝土表面蜂窩、麻面、凹凸部位利用修補結(jié)構(gòu)膠填平。碳纖維布粘貼時應(yīng)嚴(yán)格遵照相關(guān)操作要求進(jìn)行，確保粘貼質(zhì)量。

4 修復(fù)效果分析

考慮到目前有限元分析方法無法模擬混凝土點狀爆裂微觀機理，基于檢測結(jié)果認(rèn)定的混凝土強度滿足設(shè)計要求的前提，計算時不考慮已發(fā)生混凝土點狀爆裂構(gòu)件對材料性能的影響，將噴涂聚合物改性水泥砂漿或粘貼碳纖維布對構(gòu)件承載力的提高作為安全儲備，以減小進(jìn)一步發(fā)生的混凝土內(nèi)部爆裂對構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

采用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行計算，兼顧模型建立效率和準(zhǔn)確度要求，選取1片剪力墻和1塊樓板進(jìn)行建模，對比修復(fù)后的構(gòu)件力學(xué)性能，分析修復(fù)效果。

4.1 剪力墻

1)噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)模型建立

混凝土與聚合物改性水泥砂漿采用實體單元C3D8R模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬。使用Tie功能將混凝土墻體與聚合物改性水泥砂漿修復(fù)面層綁定，使用Embedded Element功能將鋼筋和鋼絲網(wǎng)分別嵌入墻體混凝土和修復(fù)面層聚合物改性水泥砂漿中，不考慮材料間的相對滑移。

混凝土和聚合物改性水泥砂漿均采用ABAQUS軟件內(nèi)置的混凝土塑性損傷模型模擬，本構(gòu)模型按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值或?qū)崪y值確定，輸入?yún)?shù)取值如表1所示。鋼筋采用理想彈塑性模型，屈服強度與彈性模量按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值確定，分別取為400，2.00×105MPa，總伸長率按7.5%計。鋼絲采用理想彈塑性模型模擬，屈服強度與彈性模量按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值確定，分別取為510，2.05×105MPa，總伸長率按3.5%計。

表1 剪力墻混凝土和聚合物改性水泥砂漿材料參數(shù)

2)粘貼碳纖維布修復(fù)模型建立

考慮單面粘貼單層碳纖維布修復(fù)方案，混凝土采用實體單元C3D8R模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬，碳纖維布采用三維膜單元M3D4R模擬。使用Tie功能將混凝土墻體與碳纖維布綁定，使用Embedded Element功能將鋼筋嵌入墻體混凝土中，不考慮材料間的相對滑移。

混凝土、鋼筋本構(gòu)模型參數(shù)與噴涂聚合物改性水泥砂漿相同，碳纖維布按彈性材料本構(gòu)模型確定，抗拉強度按相關(guān)檢測結(jié)果確定，取4 300MPa，彈性模量取2.6×105MPa，泊松比取0.3，伸長率取1.9%。

3)模型邊界條件與加載

剪力墻模型底部固定，上部自由。首先在剪力墻頂施加豎向荷載，軸壓比為0.5；然后施加單調(diào)水平荷載，按位移控制加載，為獲取模型在彈塑性階段的受力全過程，極限位移取100mm，位移角約為1/30。

4)結(jié)果分析

計算得到剪力墻混凝土塑性應(yīng)變云圖如圖2所示，鋼筋/鋼絲應(yīng)力云圖如圖3所示，荷載-位移曲線如圖4所示。

圖2 剪力墻混凝土塑性應(yīng)變云圖

圖3 剪力墻鋼筋應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖4 剪力墻荷載-位移曲線

由圖2～4可知，噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案對剪力墻彈塑性受力性能的改善更明顯，使剪力墻塑性變形峰值減小，承載力提高。分析認(rèn)為，聚合物改性水泥砂漿使剪力墻產(chǎn)生了明顯的蒙皮效應(yīng)，有效改善了剪力墻鋼筋與混凝土的受力；而碳纖維布由于具有單向受力特性，對剪力墻(彎剪構(gòu)件)性能的提升效果相對有限。

4.2 樓板

1)噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)模型建立

除混凝土材料本構(gòu)模型按C30強度等級重新確定外，其余材料本構(gòu)模型與剪力墻構(gòu)件相同，相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。

表2 樓板混凝土和聚合物改性水泥砂漿材料參數(shù)

2)粘貼碳纖維布修復(fù)模型建立

板底粘貼1層碳纖維布，除混凝土材料本構(gòu)模型按C30強度等級重新確定外，其余材料本構(gòu)模型與剪力墻構(gòu)件相同。

3)模型邊界條件與加載

樓板模型四邊固定，并在板面施加均布位移荷載，為獲取模型在彈塑性階段的受力全過程，極限位移取40mm，約為寬度的1/100。

4)結(jié)果分析

樓板變形云圖如圖5所示。由圖5可知，噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)模型峰值位移約為0.88mm，粘貼碳纖維布修復(fù)模型峰值位移約為4.36mm，可見噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案對樓板構(gòu)件剛度的提升作用明顯。

圖5 樓板變形云圖(單位：mm)

5 實際修復(fù)

根據(jù)有限元計算結(jié)果，認(rèn)為噴涂聚合物改性水泥砂漿可使構(gòu)件獲得更優(yōu)的綜合力學(xué)性能。因此，采用噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案，關(guān)鍵修復(fù)過程如圖6所示。后期使用過程中混凝土未再次出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，且表面未產(chǎn)生新裂縫，說明修復(fù)方案合理、可靠。

圖6 關(guān)鍵修復(fù)過程

6 結(jié)語

針對某實際工程由于鋼渣摻入導(dǎo)致的混凝土點狀爆裂問題，本文提出了噴涂聚合物改性水泥砂漿和粘貼碳纖維布修復(fù)方案。采用有限元分析軟件ABAQUS對修復(fù)后的剪力墻、樓板構(gòu)件進(jìn)行計算分析。計算結(jié)果表明，噴涂聚合物改性水泥砂漿可使構(gòu)件獲得更優(yōu)的綜合力學(xué)性能。同時，考慮到粘貼碳纖維布所用膠體存在耐久性缺陷，本文推薦采用噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案，工程實踐表明，該方案具有較好的修復(fù)效果。

另外，對于近年來常見的混凝土點狀爆裂問題，當(dāng)僅對混凝土表面爆裂點進(jìn)行鑿除填補修復(fù)處理時，無法抵抗后期可能出現(xiàn)的混凝土內(nèi)部爆裂產(chǎn)生的不利效應(yīng)，因此，建議在鑿除填補爆裂點的基礎(chǔ)上，增加噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案，可確保構(gòu)件安全，且可形成防水密封層，避免混凝土內(nèi)部爆裂的發(fā)生。