水泥基增韌材料用于隧道襯砌加固的研究

高艷力

摘 要：本文主要介紹水泥基復合材料的基本性能以及相關試驗方法，對不同纖維種類、不同纖維摻量的水泥基復合材料進行力學性能研究比較。

關鍵詞：水泥復合材料;試驗方法;纖維種類;纖維摻量

引言

水泥基復合材料是以硅酸鹽水泥為基體，以玻璃纖維、合成纖維、各種陶瓷纖維、碳和芳綸等高性能纖維、以及礦物纖維等為增強體的復合材料，具有高延性、高耐久性等特性，是一種基于微觀斷裂力學的材料設計方法，經系統設計，在拉伸和剪切荷載下表現出高延展性復合材料。水泥基復合材料中纖維體積摻量僅為2%，但其拉伸應變卻大于3%，遠高于普通纖維混凝土和鋼纖維混凝土[1]。在荷載作用下開裂后，水泥基復合材料表現出類似金屬在單軸荷載作用下的應力 - 應變關系，即所謂的應變強化效應。這種優良的力學性能，克服了混凝土開裂后，應力迅速降低，裂縫急速開展的缺點[2]。

1、隧道加固工程情況

1.1隧道基本概況

三架嶺隧道（左幅）位于本桓線（S305）本溪市滿族自治縣鏡內，中心樁號為 K25+740，竣工通車日期1974年11月;全長為790.00m;隧道路面凈寬7.4m，兩側各設0.68m 的人行道，路線中心線位置垂直凈高5.0m，隧道位于直線段。隧道內縱坡為“人字坡”，小市側（大樁號側）至隧道內320m 為上坡，坡度為0.3%，本溪側（小樁號側）至洞內為上坡，坡度為1.7%。隧道內未設排水系統，通過路側明排排水。進口側、出口側洞門形式均為端墻式洞門。襯砌材料為鋼筋混凝土;斷面形式為直墻式三心圓拱; 路面面層類型原為水泥混凝土路面，后加鋪瀝青混凝土;前進方向右側配置照明燈具，未配置通風設施、監控設施及消防設施。該隧道行車方式為單向行駛。

1.2???? 隧道破損情況

據檢測，隧道裂縫形式主要有：環向裂縫、斜向裂縫、邊墻豎向裂縫、拱腰及拱頂縱向裂縫，共計154條;其中隧道襯砌環向裂縫有105條，約占總數的68%，斜向裂縫有16條，約占總數的11%，邊墻豎向裂縫有2條，約占總數的1%，拱腰及拱頂縱向裂縫有31條，約占總數的20%。隧道滲漏水現象較普遍，滲水部位多集中在裂縫處，局部有泥漿露出。二次襯砌中拱頂、拱腰和邊線處混凝土均存在明顯的欠厚現象。隧道邊墻、拱腰和拱頂處的二襯存在不同程度的空洞、不密實或脫空現象，其中拱頂、拱腰測線脫空嚴重。

1.3???? 隧道修補方案

如襯砌混凝土裂縫寬度<0.15mm，且無明顯的剪切滑移、滲水跡象，對結構的強度、剛度、穩定性會產生一定的影響，但不影響結構安全和正常使用，可采用直接涂抹法進行封閉處理，涂抹材料建議采用水泥基滲透結晶型材料。

對寬度≥0.15mm 的裂縫，采用壓注化學漿液封堵的措施，其化學漿液采用環氧漿液。拱圈襯砌存在寬度在0.5mm 以上的縱向及斜向裂縫的部位，選擇部分裂縫，開展裂縫和斷面變形的跟蹤監測，掌握裂縫和斷面變形的發展趨勢;對于裂縫較寬、水跡明顯的裂縫，設置相應的引排措施;其它裂縫采用環氧樹脂灌封處理。

對于襯砌裂縫呈橫縱向交織，并且混凝土局部存在蜂窩麻面、缺損、露筋等病害的區域，采用增加碳纖維格柵法加固，布置碳纖維格柵后采用4cm 后超高韌性水泥基復合材料覆蓋。

2、水泥基增韌材料原材料及配合比

2.1???? 原材料

水泥：堅霸牌 P.O42.5級硅酸鹽水泥; 粉煤灰：鐵嶺 I 級粉煤灰;

外加劑：聚羧酸高效減水劑、早強劑、速凝劑; 砂：細度模數為1.8-2.0的河砂;

水：自來水;

纖維：日本可樂麗 PVA 纖維;

2.2???? 水泥基增韌材料配合比如表2.1所示

3、現場施工情況

（1） 施工前，須對隧道原襯砌與水泥基增韌材料結合部位進行充分鑿毛，要徹底消除構件表面的抹灰層和已軟化、風化、變質層，應露出粗骨料;本工程采用水力磨毛法或人工磨毛的方式將所有污垢、油脂、油污、水泥漿和養護化合物從混凝土、砂漿和石頭上除去，并露出粗糙的混凝土或砌體結構的表面。

（2） 跟據所需漿料的狀態，調整水膠比將砂漿混合料和水加入到砂漿攪拌器中。使用低速鉆頭和葉板進行攪拌。攪拌3-5分鐘，至水泥基增韌材料混合均勻如圖3.1所示。

（3） 第一層砂漿的噴射施工，在粗糙的結構表面噴射第一層的水泥基增韌材料，如圖3.2所示，第一層水泥基增韌材料的厚度為1-1.5cm，要確保噴射施工后砂漿的平整度。

（4） 碳纖維網格的裁剪和鋪設，噴射完第一層水泥基增韌材料后， 按尺寸對碳纖維網格進行裁剪;在第一層水泥基增韌材料砂漿表面攤鋪碳纖維網格，碳纖維網格的碳纖維絲方向需與裂縫方向垂直，碳纖維網格橫向搭接寬度為5cm，縱向搭接長度為20cm;確保攤鋪完成后，整個碳纖維網格表面的平整度。

（5） 表面刷拭，3個小時后，用輥筒對碳纖維網格表面進行刷拭和按壓，以保證層間的粘結強度，如圖3.3、圖3.4所示。

（6） 第二層砂漿的噴射施工，刷拭完畢后，即可進行第二層水泥基增韌材料砂漿的拌制和噴射施工，噴射混凝土的厚度為1.5cm-2cm，確保噴射完成后，無網格纖維外漏及整個混凝土表面的平整度。

（7） 砂漿的養護和表面處理，噴射完畢后，進行養護，養護7天后， 即可進行表面的外裝修或涂裝處理。

（8） 施工中注意事項：

a、用鑿除、噴砂、酸洗、鋼絲刷洗、高壓水或風沖等方法，清理裂縫周圍的基面;

b、將涂抹材料的各組分按比例調和、攪勻;

c、用抹子、滾筒、尼龍刷、專用噴槍等工具將混合料涂刷或噴射到基面上[3]，涂刷時應注意來回用力，以保證凹凸處都能涂上，噴涂時，噴嘴距涂層要近些，以保證灰漿能噴射進表面微孔或微裂隙中;一次涂刷厚度不宜超過0.2mm，且混合料應在規定時間用完;

d、當需涂第二層時，一定要等第一層初凝后并呈潮濕狀態時進行，如太干則應噴灑些水，對基面潤濕;

e、在夏季露天施工時，如溫度超過30℃，建議在早、晚進行，以防止涂抹材料過快干燥失水;如在冬季施工，溫度低于5℃時[4]，應采用防凍措施，對于凹陷處，涂料堆積不宜過厚，否則會引起開裂;

f、涂抹后必須加強養護，涂層初凝后宜用噴霧式方式來養護，防止灑水時涂層破壞。同時防護過程中應避免雨淋、霜凍、日曬、風吹、污水沖刷及5℃以下的低溫。露天施工用濕草袋覆蓋較好，如果使用塑料膜作為保護層，必須注意架開，以保證涂層的“呼吸”及通風。

4、工程用材料試驗結果分析

4.1???? 加固用水泥基增韌材料抗壓、抗折強度結果分析水泥基增韌材料抗壓、抗折強度結果如表4.1所示：

由表4.1及圖4.1可見，隨著齡期的增長，水泥基增韌材料的抗壓、抗折強度均有所增長，但增幅趨于平緩。與同標號的普通水泥混凝土材料相比，水泥基增韌材料有著更高的抗折強度，更利于提高建筑物結構的安全性。

4.2???? 加固用水泥基增韌材料彎拉強度結果分析

水泥基復合材料抗彎拉性能具體數值如表4.2所示：

水泥基增韌材料的彎拉性能基本能滿足隧道工程修補設計的要求，水泥增韌材料的多點開裂性能更利于隧道修補材料的耐久性。圖4.2、圖4.3 所示，水泥基增韌材料試件在彎拉試驗中顯示出多點開裂的性能。

由圖4.4可見，水泥基增韌材料表現出明顯的韌性材料的性能，不會出現瞬間的脆性斷裂。對于結構安全性而言，水泥基增韌材料顯示出了優越的性能。

5、結論

（1） 水泥基復合材料具有優越的抗裂、抗彎曲性能，在室內四點彎曲試驗中表現出均勻、細小、密集橫向裂縫和超強的韌性，通過內部大量纖維把內部應力進行分散，因此，這種材料可作為維修加固和翻新，用來延遲碳化腐蝕，增強結構耐久性在多項工程上進行應用。

（2） 水泥基增韌材料具有超長的耐久性、高韌性以及多細小裂縫等功能，在主要大型工程中橋梁隧道廣泛應用。隨著纖維技術的不斷發展， 纖維價錢的不斷降低，水泥基增韌材料的成本也會大幅度的下降。

（3） 由于水泥基增韌材料裂縫寬度小，裂縫寬度不到0.3mm，并且有利于減少氯離子的滲透，因此具有很高的耐破壞和變形能力。

參考文獻：

[1] 張秀芳， 徐世烺， 侯利軍. 采用超高韌性水泥基復合材料提高鋼筋混凝土梁彎曲抗裂性能研究（ II） ：試驗研究[J ]. 土木工程學報，2009，42（10）

[2] Zhang J， Gong C X， Guo Z L， et al. Engineered cementitious composite with characteristic of low drying shrinkage [J ]. Cement and Concrete Research，2009，39（4） ：3032312.

[3] 陳婷， 詹炳根. 設計 PVA 纖維水泥基復合材料的研究進展 [J ]. 混凝土，2003（11） ：3210.

[4] LI V C， MISHRA D K， WU H C. Matrix design for pseudo-strain-hard- ening fiber reinforced cementitious composites [J]. Mater Struct. ，1995，28：586-595.