地鐵混凝土管片裂縫修補后抗侵蝕性能研究

徐少云，高培偉，潘金敢，張麗芳，孫亞飛,4，劉宏偉，陳衛峰

(1.南京航空航天大學土木工程系，南京 210016；2.揚州工業職業技術學院建筑工程學院，揚州 225127；3.南京中聯混凝土有限公司，南京 211100；4.鹽城工學院土木工程學院，鹽城 224051)

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地鐵混凝土管片裂縫修補后抗侵蝕性能研究

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，陳衛峰1

(1.南京航空航天大學土木工程系，南京 210016；2.揚州工業職業技術學院建筑工程學院，揚州 225127；3.南京中聯混凝土有限公司，南京 211100；4.鹽城工學院土木工程學院，鹽城 224051)

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

地鐵管片； 裂縫修補； 抗氯離子滲透； 抗硫酸鹽侵蝕

1 引 言

近年來，隨著城市交通的快速發展，很多城市已經擁有或正在建造地鐵，其中盾構法主要采用管片作為隧道的永久襯砌，部分管片在生產、施工和運營期間出現了裂縫，管片開裂滲漏的報道也逐年增多[1-3]，目前混凝土裂縫修補材料主要為有機與無機兩大類，影響無機修補材料修復效果的主要是新舊材料的界面粘結力[4,5]，有機修補材料主要以環氧樹脂為基材的一類修補材料，界面粘結強度高，承載能力也得到了相應的提高[6,7]，范玉波分別用環氧改性砂漿、丙乳改性砂漿涂抹混凝土表面，得到環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-滲透性相對較差[8]，王建輝等研究得出聚氨酯修復混凝土后的抗滲性較基體要好，但抗壓、抗拉強度要明顯低于原基體[9]，葉嬌鳳通過優化配合比，研究出了一種耐侵蝕、力學性能優良的改性環氧樹脂修補材料[10]。

2 試 驗

2.1 試驗材料

選用52.5 MPa硅酸鹽水泥，其性能指標符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)的要求；細集料采用細度模數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級粉煤灰；外加劑選用超塑化劑，最大減水率≥35%；拌合水為實驗室自來水。

兩組成分聚氨酯修補材料為上海某貿易公司銷售的進口修補材料(LW)；E-51環氧樹脂為上海某化學有限公司生產(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修補材料是課題組自行研制的新型修補材料，性能指標見表1；固化劑、非活性稀釋劑均為常州某化工廠生產。

表1 新型修補材料的性能Tab.1 Physical properties of XJ

2.2 試驗配比

《地鐵設計規范》(GB50157-2013)規定裝配式鋼筋混凝土管片最低設計強度為C50，C50等級混凝土配合比及基本力學性能試驗結果如表2所示；根據對比實驗新型修補材料XJ采用180 mPa·s粘度，1.5%的固化劑摻量作為實驗配合比；聚氨酯修補材料按照使用說明的兩種組分體積比1∶1采用；環氧樹脂修補材料采用的配合比為環氧樹脂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材料；為保證管片裂縫修補效果，在實際修補時應沿裂縫進行鉆孔并使用壓力注漿機進行注漿修補，修補材料主要適用寬度在0.5 mm～2 mm的微細裂縫。氯離子滲透實驗采用圖1模擬裂縫，硫酸鹽侵蝕試件采用40 mm×40 mm×160 mm的長方體，折斷后用不同的修補材料進行修補，裂縫修復后在濃度5%Na2SO4溶液中浸泡30 d為一組，另一組修補后未浸泡作為對比試件。

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 試驗方法

氯離子滲透按照NEL法執行，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的兩個電極之間，通過NEL型氯離子測試系統測定氯離子擴散系數。硫酸鹽侵蝕測試參照《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》(GB/T 749-2008)和《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》JTG E30-2005進行。

3 結果與討論

3.1 抗氯鹽侵蝕

通常用氯離子的電通量和擴散系數來衡量抗氯離子滲透的能力，同時也能反映混凝土的抗滲性的優劣，評價混凝土抵抗氯鹽侵蝕的能力，圖2和圖3是采用不同修補材料修補混凝土裂縫后與未開裂混凝土的電通量和氯離子擴散系數示意圖。

圖2 不同材料修補后Cl-滲透電壓-電流關系 Fig.2 Voltage-current of different material repaired

圖3 不同材料修補后Cl-擴散系數Fig.3 Cl- diffusion coefficient of different material repaired

從圖2和圖3可見采用ACE修補材料修補混凝土裂縫后電流和擴散系數比沒有開裂混凝土的稍大，擴散系數為基體的102.6%，說明其修補后界面抗氯離子滲透性能較原基體有所降低；LW修補后的電流與擴散系數均小于原基體，擴散系數較原基體降低22.6%；XJ與ER修補后的電流和擴散系數較原基體有明顯減小，其修補后擴散系數較原基體分別降低了7.6%和15.6%，說明XJ和ER修補后界面抗氯離子滲透性較原基體有明顯提高，抗Cl-滲透能力同修補材料與基體之間的粘結有直接關系，LW是聚氨亞酯類材料，能夠在裂縫內部形成內榫結構，能將修補材料滲透到混凝土內部，LW抗Cl-滲透能力最優，ACE修復后抗Cl-滲透能力退化最為嚴重，其余三種修補材料抗Cl-滲透能力較原基體無退化，反而有所提高。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕

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

由圖4可得XJ修補后浸泡的抗壓強度為未浸泡的80.3%，LW修補后浸泡的抗壓強度為未浸泡的74.4%，ER修補后浸泡的抗壓強度為未浸泡的70.3%，ACE修補后浸泡的抗壓強度為未浸泡的86.6%，同時ER修復后未浸泡硫酸鹽抗壓強度最大，說明在無硫酸鹽侵蝕條件下ER修復后的抗壓強度最優，ACE修復硫酸鹽侵蝕后抗壓強度最大，單從抗硫酸鹽侵蝕抗壓強度看，ACE修補后的性能降幅最小，ER修補后的性能降幅最大；從抗壓強度抗硫酸鹽侵蝕能力看，ACE修補效果最好。

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

圖5 修補后抗硫酸鹽侵蝕抗折強度變化Fig.5 Change of flexural strength of sulfateattack

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

4 結 論

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

管片裂縫修補后，抗硫酸鹽侵蝕抗壓強度降幅由大到小依次為環氧樹脂類ER、聚氨酯類LW、新型修補材料XJ、丙烯酸酯類ACE；抗硫酸鹽侵蝕抗折強度降幅由大到小依次為環氧樹脂ER、新型修補材料XJ、丙烯酸酯共聚乳液ACE、聚氨酯LW。

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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

中國和江蘇省博士后基金(1301057B、2014M551588)；住房和城鄉建設部科技項目(2015-K4-023)；江蘇省住房和城鄉建設廳科技項目(2013ZD12)；中央高校基本科研業務費專項資金(NS2015010)聯合資助

徐少云(1985-)，男，博士研究生.主要從事土木工程材料結構與性能研究.

高培偉，教授，博士生導師.

TU528.7

A

1001-1625(2016)08-2596-04