高原地區(qū)混凝土裂縫的修補(bǔ)技術(shù)

牛東興，韓龍武，周有祿，趙相卿，唐彩梅（.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州　730000；2.中鐵成都軌道交通設(shè)計院有限公司，四川 成都　6003）

高原地區(qū)混凝土裂縫的修補(bǔ)技術(shù)

牛東興1，2，韓龍武1，周有祿1，趙相卿1，唐彩梅1
（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州730000；2.中鐵成都軌道交通設(shè)計院有限公司，四川 成都610031）

青藏高原地區(qū)晝夜溫差大、太陽輻射強(qiáng)烈等不利的氣候環(huán)境使得常規(guī)的混凝土裂縫修補(bǔ)方法施工難度大，修補(bǔ)效果難以保證，需采取特殊的措施。本文結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)闡述了在高原地區(qū)混凝土注膠修補(bǔ)時采用的水浴加熱配膠法和在材料固化階段采用的保溫固化法，2種方法均可以保護(hù)修補(bǔ)膠自身熱量不流失，保證了工程效果。此外，通過分析高原地區(qū)的氣溫資料，給出了開展混凝土裂縫修補(bǔ)工作的適宜時間為每年的7，8月份，且應(yīng)在09：00～19：00開展修補(bǔ)工作。

高原地區(qū)；混凝土裂縫；修補(bǔ)技術(shù)

1　概述

混凝土是由水泥、砂、石作集料，與水、外加劑、摻合料等按一定比例配合組成。混凝土價格低廉、具有較好的抗壓性和耐久性、且施工階段可塑性好，因而被廣泛應(yīng)用于各種工程建筑。但是混凝土容易產(chǎn)生裂縫，對耐久性造成影響。混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因：①構(gòu)造處理不當(dāng)造成的裂縫；②混凝土干縮引起的裂縫；③由于堿-骨料反應(yīng)引起的裂縫；④由于外界溫度變化引起的裂縫；⑤由于鋼筋銹蝕引起的裂縫；⑥由于荷載作用引起的裂縫；⑦由于太陽輻射、混凝土老化、徐變及疲勞作用引起的裂縫［1］。關(guān)于混凝土裂縫的修補(bǔ)方法主要有結(jié)構(gòu)加固法、表面處理法、灌漿法、填充法等［2-3］。

目前工程上常用的橋梁混凝土修補(bǔ)維護(hù)方法［4］：①表面涂抹法，也稱表面密封法或涂抹封閉法，適用于寬度＜0.2 mm的微細(xì)裂縫的修補(bǔ)，也可用于混凝土外表面的裝飾和防水處理，以防止混凝土保護(hù)層的碳化和有害離子對混凝土的腐蝕；②灌漿法，灌漿法分為水泥灌漿法和化學(xué)灌漿法。其中裂縫深度大于保護(hù)層厚度的混凝土結(jié)構(gòu)宜采用灌漿修補(bǔ)；③粘貼纖維布法，碳纖維材料的抗拉強(qiáng)度高，而密度則不足鋼的1/4，厚度只有1.0 mm，在進(jìn)行修補(bǔ)時不增加結(jié)構(gòu)重量。此方法用結(jié)構(gòu)膠將碳纖維材料粘貼在裂縫處進(jìn)行裂縫修補(bǔ)，可以提高結(jié)構(gòu)的承載力，能夠顯著提高構(gòu)件的強(qiáng)度和延性，不需要特殊養(yǎng)護(hù)，不受環(huán)境條件限制、施工速度快，操作簡單，無需大型設(shè)備。近幾年，纖維布在土木工程中的應(yīng)用一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

余江滔等［5］以相似比為1∶4的雙跨8層混凝土框架模型為試驗(yàn)對象，在不同地震作用下，分4個階段對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，框架模型損壞后，對框架損傷區(qū)域的裂縫進(jìn)行環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)，然后對框架模型輸入與初次振動臺試驗(yàn)相同的工況進(jìn)行再次試驗(yàn)，并比較混凝土框架模型在初次和再次振動臺試驗(yàn)中動力特性指標(biāo)的變化特點(diǎn)，對不同地震作用下注膠修復(fù)前、后的混凝土構(gòu)件開裂、壓碎等破壞形態(tài)以及模型結(jié)構(gòu)層間剛度的對比分析。結(jié)果表明，采用環(huán)氧樹脂注膠修復(fù)技術(shù)可以有效地修復(fù)震損后的混凝土框架結(jié)構(gòu)。

裂縫修補(bǔ)的另一項(xiàng)技術(shù)是自愈合技術(shù)，美國伊利諾斯大學(xué)的 Carolyn Dry和日本東北大學(xué)三橋博三教授為首的日本學(xué)者將內(nèi)含粘結(jié)劑的空心膠囊或玻璃纖維摻入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊或空心纖維破裂，粘結(jié)液流出滲入裂縫，粘結(jié)液可使混凝土裂縫重新愈合，但價格昂貴［6-7］。

在青藏高原地區(qū)海拔高、氣溫低、晝夜溫差大、空氣稀薄、干燥少雨、高寒缺氧、空氣透明度高、太陽輻射異常強(qiáng)烈，大部分地區(qū)年平均氣溫在0℃以下，多年凍土地區(qū)的年平均氣溫則在-2℃以下。高原上的空氣非常干燥，全年平均絕對濕度只有同緯度平原的1/3，年平均相對濕度為50%～60%，青藏高原地面平均氣溫與同緯度地區(qū)相比要低10～14℃。特別是在夏季，藏北高原比同緯度的我國平原地區(qū)日平均氣溫低20℃［8］。青藏高原的低溫環(huán)境使修補(bǔ)材料不能正常固化，不能正常提高修補(bǔ)材料強(qiáng)度，同時低溫環(huán)境下材料的流動性降低，影響施工效率。由于氣候條件惡劣，致使常用的修補(bǔ)技術(shù)在高原地區(qū)使用具有一定的局限性，不能達(dá)到預(yù)期的修補(bǔ)效果。因此有必要開展適合于高原地區(qū)混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)的研究。本文通過試驗(yàn)研究，分別在混凝土裂縫修補(bǔ)配膠階段和固化階段給出了適合于高原地區(qū)使用的水浴加熱配膠法和保溫固化法。

2　修補(bǔ)技術(shù)研究

受高原惡劣環(huán)境條件的限制，用常用的混凝土裂縫修補(bǔ)工藝對高原環(huán)境下混凝土裂縫進(jìn)行修補(bǔ)時，已進(jìn)行裂縫修補(bǔ)的混凝土構(gòu)件存在修補(bǔ)材料脫落、掉皮、開裂等現(xiàn)象，其工程效果降低甚至完全失效。針對青藏高原的低溫環(huán)境特點(diǎn)，在施工階段研究了水浴加熱配膠法，在固化階段研究了保溫固化法。

2.1水浴加熱配膠法

高原地區(qū)氣溫低、風(fēng)速大，修補(bǔ)材料的熱量容易流失，導(dǎo)致修補(bǔ)材料的流動性差，不便于施工。較低的溫度還容易使修補(bǔ)材料過早的凝結(jié)硬化，而不是正常固化，造成強(qiáng)度不能正常提高。為了克服現(xiàn)有技術(shù)在高原地區(qū)應(yīng)用的局限性，減小環(huán)境對修補(bǔ)工作的影響，我們提出了在配膠階段采用水浴加熱法，為修補(bǔ)材料提供必需的熱量，增加其流動性，也可以避免明火直接加熱而帶來的安全隱患，且不會使修補(bǔ)材料干結(jié)硬化。

水浴加熱配膠法：先向水浴槽中注入一定量的水，控制水量距水槽上邊緣一定距離，為配膠操作留好富余量；然后啟動發(fā)電設(shè)備，發(fā)電設(shè)備給加熱設(shè)備提供電能，加熱設(shè)備開始加熱水浴槽，同時將修補(bǔ)膠注入配膠容器，將配膠容器放入水浴槽內(nèi)，邊攪拌邊加熱，至攪拌均勻即可進(jìn)行施工。加熱過程中，水溫控制在50± 5℃，因?yàn)樵诟咴貐^(qū)水的沸點(diǎn)降低，水的溫度太高容易造成水的沸騰，不便于配膠操作，且容易燙傷工作人員，再者沸騰的水也有濺入修補(bǔ)膠內(nèi)的可能，影響修補(bǔ)膠的性能。加熱后的混凝土裂縫修補(bǔ)膠本身具有熱量，流動性較好，能夠提高工作效率，并可以抵抗高原低溫環(huán)境導(dǎo)致的熱量流失所帶來的不利影響，保證工程效果。

2.2保溫固化法

青藏高原地區(qū)氣溫低、風(fēng)速大，日落之后氣溫更是快速下降，在較低的溫度下，修補(bǔ)膠不能正常固化，影響強(qiáng)度提高。因此在高原地區(qū)混凝土裂縫修補(bǔ)完成后，需要采取保溫措施，對修補(bǔ)部位進(jìn)行保溫防護(hù)，以保證修補(bǔ)膠固化需要的溫度條件。

2.2.1保溫試驗(yàn)

在青海省格爾木進(jìn)行了保溫試驗(yàn)，保溫材料采用納米保溫棉。混凝土裂縫修補(bǔ)完成后，用保溫材料將修補(bǔ)后的混凝土構(gòu)件進(jìn)行全封閉包裹，封閉范圍應(yīng)大于修補(bǔ)區(qū)域邊緣15～20 cm。保溫材料需要搭接時，搭接長度≥20 cm。之后在保溫材料外用鐵絲螺旋式纏繞綁扎，螺距≤15 cm，在上下邊緣處做好固定措施。利用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，保護(hù)修補(bǔ)材料的熱量不易散失，同時可以隔絕外部低溫空氣接觸混凝土構(gòu)件的修補(bǔ)處，保證修補(bǔ)材料固化需要的溫度，從而使修補(bǔ)材料能正常固化，強(qiáng)度提高，保證裂縫修補(bǔ)效果。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果

對用保溫材料全封閉包裹后的內(nèi)部溫度和外部環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，在內(nèi)部的不同位置隨機(jī)布置9個溫度監(jiān)測點(diǎn)，外部環(huán)境溫度布置3個監(jiān)測點(diǎn)，環(huán)境溫度數(shù)據(jù)已進(jìn)行了平均，溫度對比見表1。

表1　保溫材料包裹下內(nèi)部溫度與外部環(huán)境溫度的對比　℃

從表1監(jiān)測數(shù)據(jù)可見，凌晨前后，內(nèi)部溫度比外部環(huán)境溫度高出近5℃，保溫材料的保溫效果比較明顯。日出之后外部環(huán)境直接受太陽照射，溫度首先升高，因此在早晨08：00的時候，環(huán)境溫度高于內(nèi)部溫度，但內(nèi)部溫度仍在10℃以上。2015年6月3日出現(xiàn)陰天情況，白天的環(huán)境溫度在13：00時低于10℃，但內(nèi)部溫度仍能保證在10℃以上。從監(jiān)測到的溫度數(shù)據(jù)可知，采用保溫固化法可以保證修補(bǔ)材料正常固化需要的溫度條件，保證混凝土裂縫修補(bǔ)效果。

裂縫修補(bǔ)后修補(bǔ)材料一般需要5 d即可完成固化，保守起見，建議保溫防護(hù)措施5～7 d拆除，拆下的保溫材料可以繼續(xù)使用，節(jié)約材料，保護(hù)環(huán)境。

2.3施工時間控制

根據(jù)風(fēng)火山凍土觀測站氣象資料，每年7—8月份，氣溫在10℃以上的時間區(qū)間一般在每天的09：00 ～20：00；每年5月、6月和9月，氣溫在10℃以上的時間區(qū)間一般在每天的10：00～19：00，出現(xiàn)異常天氣時，該時間區(qū)間還要縮短。2013年8月7日和8月15 日2天的日氣溫變化曲線見圖1、圖2，從圖可知青藏高原地區(qū)一天內(nèi)的氣溫波動較大，8月7日出現(xiàn)陰天、大風(fēng)天氣，因此氣溫偏低，并且在03：00～08：00出現(xiàn)了負(fù)溫現(xiàn)象，當(dāng)天最低氣溫只有-3.0℃左右，最高氣溫低于10℃。8月15日氣溫在10℃以上的時間段為09：00～20：00，日落之后氣溫迅速降低。

圖1　風(fēng)火山2013年8月7日各時氣溫變化曲線

圖2　風(fēng)火山2013年8月15日各時氣溫變化曲線

風(fēng)火山2013年月平均氣溫變化曲線見圖3，2014年月平均氣溫與各月氣溫氣候標(biāo)準(zhǔn)值變化曲線見圖4。從圖3、圖4可見，月平均氣溫最高的為7，8月份，平均氣溫在5～10℃。根據(jù)對氣溫數(shù)據(jù)的分析，在高原地區(qū)最佳施工時間宜在7，8月份開展，時間段應(yīng)保證在09：00～19：00。高原的低溫環(huán)境不利于混凝土裂縫的修補(bǔ)工作，且修補(bǔ)效果難以保證，因此必須要做好保溫防護(hù)，當(dāng)天混凝土裂縫修補(bǔ)施工完成后，應(yīng)當(dāng)在19：00之前按照保溫固化法所述，用保溫材料將修補(bǔ)后的混凝土構(gòu)件進(jìn)行全封閉包裹。

圖3　風(fēng)火山2013年月平均氣溫變化曲線

圖4　風(fēng)火山2014年月平均氣溫與各月氣溫氣候標(biāo)準(zhǔn)值變化曲線

3　結(jié)論

1）采用水浴加熱法加熱混凝土裂縫修補(bǔ)膠，可以使膠體自身具有一定的熱量，增加膠體流動性，提高工作效率，并可以抵抗高原低溫環(huán)境導(dǎo)致的熱量流失，使膠體有較好的固化溫度，保證工程效果。

2）保溫固化法是采用保溫材料對修補(bǔ)后混凝土構(gòu)件進(jìn)行全封閉保護(hù)，利用保溫材料的隔熱作用，保護(hù)修補(bǔ)膠自身熱量不流失，同時隔絕外部冷空氣與混凝土修補(bǔ)構(gòu)件的接觸，使修補(bǔ)膠能正常固化，保證修補(bǔ)膠體強(qiáng)度較好的提高。

3）結(jié)合高原地區(qū)的氣溫監(jiān)測資料，為了保證修補(bǔ)效果，給出進(jìn)行混凝土裂縫修補(bǔ)施工的最好時間是每年的7，8月份，并且應(yīng)在09：00～19：00開展修補(bǔ)工作。

［1］屈文俊，車惠民.裂縫對混凝土橋梁耐久性影響的評估［J］.鐵道學(xué)報，1997（4）：90-98.

［2］王燚，李振國，羅興國.混凝土裂縫的修復(fù)技術(shù)簡述［J］.混凝土，2006（3）：91-93.

［3］張芳.混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)及材料的研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2009.

［4］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)，2011.

［5］余江滔，張遠(yuǎn)淼，陸洲導(dǎo)，等.注膠修復(fù)混凝土框架結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗(yàn)［J］.土木工程學(xué)報，2012，45（增1）：208-212.

［6］HIRAISH H.Smart Structure System［J］.Concrete Journai，1998（1）：11-12.

［7］侯子義.裂縫自愈合混凝土研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中南公路工程，2005，30（1）：165-167.

［8］中鐵西北科學(xué)研究院有限公司.青藏高原凍土區(qū)氣象、凍土及工程綜合監(jiān)測研究［R］蘭州：中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，2006.

（責(zé)任審編葛全紅）

Repairing Technology of Concrete Crack in Plateau Area

NIU Dongxing1，2，HAN Longwu1，ZHOU Youlu1，ZHAO Xiangqing1，TANG Caimei1
（1.Northwest Research Institute Co.，Ltd.of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China；2.China Railway Chengdu Rail Transit Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China）

In the Qinghai-T ibet Plateau，the temperature difference between day and night，the sun radiation and other adverse weather conditions cause the difficulty in conventional concrete crack repair technology，requiring special measures.In this paper，the application of crack repair technology was introduced.W ater bath heating mixing used in the curing stage and material insulation curing method in consolidation stage were applied.Both of these two methods can protect the heat loss of the mending glue，so as to ensure the engineering effect.In addition，the appropriate time for the concrete crack repair work was suggested based on the temperature in the plateau area.T he most appropriate time is in July and August，repair work should be carried out in 09：00～19：00.

Plateau area；Concrete crack；Repair technology

U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.38

1003-1995（2016）08-0153-04

2016-02-25；

2016-04-15

中國中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計劃（2012-重大-7）

牛東興（1981— ），男，高級工程師，碩士。