裂縫中摻入膨脹纖維對加固開裂混凝土構件的試驗與實踐

郝國偉

（山西五建集團有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

建筑工程項目地下室混凝土構件在混凝土澆筑過程中的水化熱本就不易控制，再加之受土體中孔隙水的浸潤以及土體中金屬離子的影響，容易產生不同程度的裂縫。本文針對某建筑工程在地下室混凝土頂板澆筑過程中，由于水化熱控制不理想，產生的縱向裂縫，并出現的浸水等質量問題，采取注射膨脹纖維對地下室進行加固，通過試驗測試膨脹纖維的加固效果，并對加固效果進行評價，為我國建筑工程項目地下室開裂混凝土的加固維護提供基于實踐應用層面的參考。

1 某建筑工程地下室混凝土開裂情況分析

某建筑工程地下室為雙層單跨式結構（建筑平面尺寸為28.5m×28.5m），其混凝土結構構件主要有鋼筋混凝土頂板、鋼筋混凝土側墻、鋼筋混凝土中板和鋼筋混凝土底板。根據施工現場實際測量得到各有關結構構件的尺寸分別如下：鋼筋混凝土頂板厚度850mm、頂部縱梁截面尺寸為1200mm×2000mm；鋼筋混凝土中板厚度450mm，中部縱梁截面尺寸為1200mm×1800mm；鋼筋混凝土底板厚度1000mm，底部縱梁截面尺寸為1400mm×2200mm；鋼筋混凝土側墻厚度850mm，且上述構件的混凝土強度均為C40（備注：所有縱梁的跨度均為9500mm）。

在完成混凝土結構構件澆筑、養護并拆除模板之后，發現鋼筋混凝土頂板存在裂縫，其裂縫具體情況統計如表1所示。此外，對地下室混凝土頂板位置區域進行實地勘察發現，地下室混凝土頂板的覆土深度僅有0.8m，覆土的容重值約為16kN/m3，且頂板日常承受的動荷載也僅為8kN/m2。

由于地下室混凝土頂板的覆土深度、覆土容重以及日常承受荷載均較小，故地下室混凝土頂板受外力影響產生裂縫的概率很低。再結合表1來看，地下室混凝土頂板共計存在18條開裂裂縫，其中橫向裂縫僅有2條，橫向裂縫的平均寬度值、平均深度值均較小，且未發生浸水現象；但是縱向裂縫多達16條，縱向裂縫的平均寬度值、平均深度值分別為0.45mm和0.30mm，而且在這16條縱向裂縫中竟有12條裂縫存在浸水現象。經分析表明，地下室混凝土頂板裂縫產生的主要原因是在地下室混凝土頂板澆筑過程中，水化熱控制不理想，使得混凝土內部由于水化熱產生的縱向溫度應力大于混凝土自身的縱向抵抗應力，從而導致縱向裂縫的產生，并出現浸水等質量問題[1]。

2 應用膨脹纖維的加固效果試驗

針對案例工程項目地下室混凝土頂板出現的裂縫，施工技術人員擬通過注射膨脹纖維的方式進行加固，以達到地下室混凝土頂板應有的強度要求和防浸水效果。利用注射膨脹纖維的方式對地下室混凝土頂板進行加固，首先需要掌握相關膨脹纖維對混凝土構件物理性能的改善情況，并借助試驗測試膨脹纖維的加固效果，從而基于實踐應用對注射膨脹纖維的加固效果進行評價[2]。

2.1 裂縫中摻入膨脹纖維對混凝土構件物理性能的改善

膨脹纖維對于混凝土的加固能夠起到什么樣的效果，起初案例項目的施工技術人員也沒有太大的把握。因此決定首先通過在地下室結構構件配比相同的混凝土原料中摻入膨脹纖維，制作試塊，檢驗膨脹劑對混凝土試塊的物理性能改善情況，以掌握膨脹纖維的改良加固性能。本次試驗中膨脹纖維組成材料為“EA型膨脹劑+BF型玄武巖纖維”。由于膨脹纖維中EA型膨脹劑和BF型玄武巖纖維的組成比例不同，其對混凝土物理性能改善的情況也不盡相同[3]。因此，首先通過EA型膨脹劑和BF型玄武巖纖維的不同配比，測試混凝土材料的坍落度，以及摻入膨脹纖維后制備的混凝土標準試塊的抗壓強度、抗拉強度、防滲強度。

用于測試的膨脹纖維配比有如下9個測試組：

（1）測試組-1∶5%EA型膨脹劑+0.8%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.40；

（2）測試組-2∶7%EA型膨脹劑+1.0%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.40；

（3）測試組-3∶9%EA型膨脹劑+1.2%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.40；

（4）測試組-4∶5%EA型膨脹劑+1.0%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.42；

（5）測試組-5∶7%EA型膨脹劑+1.2%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.42；

（6）測試組-6∶9%EA型膨脹劑+0.8%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.42；

（7）測試組-7∶5%EA型膨脹劑+1.2%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.45；

（8）測試組-8∶7%EA型膨脹劑+0.8%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.45；

（9）測試組-9∶9%EA型膨脹劑+1.0%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.45。

按照上述9組配比組份，摻入與地下室混凝土配比相同的原料中，按測試組編號順序制得的混凝土坍落度測試結果如下：摻入測試組-1～測試組-9的混凝土坍落度分別為121mm、83mm、37mm、107mm、75mm、132mm、92mm、144mm和111mm。

已知澆筑地下室結構構件的混凝土，在不摻加任何膨脹纖維的境況下其坍落度為182mm，因此綜合上述試驗結果可知，膨脹纖維具有明顯降低混凝土坍落度的效果，且測試組-8（7%EA型膨脹劑+0.8%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.45）改良混凝土坍落度的效果最佳，因此繼續以測試組-8的配比將膨脹纖維摻入混凝土原料中，制作標準試塊，檢測混凝土試塊抗壓強度、抗拉強度、防滲強度的變化。有關試驗統計結果如下：混凝土試塊的抗壓強度提升約8%、抗拉強度提升約15%、防滲強度提升約10%，由此可知膨脹纖維對地下室所使用的混凝土具有良好的物理力學改良性能。

2.2 裂縫中摻入膨脹纖維對混凝土微觀結構的改善

由于以上的試驗測試是直接在混凝土的原料中摻入膨脹纖維，在確定了膨脹纖維對混凝土的物理力學性能具有改善效果之后，為了更加接近于案例項目地下室混凝土頂板裂縫的改良加固實際，通過多方渠道找到一塊尺寸大小適宜的混凝土板（編號為試驗板-1），該板的板面上存在多條不同寬度和深度的橫向、縱向裂縫。按照以上所述的測試組-8（7%EA型膨脹劑+0.8%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.45）制作組份膨脹纖維，而后通過特殊的注射裝置將組份膨脹纖維注射進入試驗板-1的裂縫中，并利用精密儀器觀測試驗板-1裂縫中微觀結構在組份膨脹纖維注射前后的變化情況，其裂縫的微觀結構在同一位置處的具體變化如圖1所示。

圖1（a）為試驗板-1的裂縫在注射組份膨脹纖維前的微觀結構，圖1（b）為試驗板-1的裂縫在注射組份膨脹纖維后的微觀結構。對比圖1（a）和圖1（b）可以看出，注射組份膨脹纖維之前，試驗板-1的裂縫微觀結構不僅孔隙數量比較大、而且孔徑分布也很不均勻；注射組份膨脹纖維之后，試驗板-1的裂縫微觀結構孔隙數量明顯減少、而且顯得更加密實。此外，對比圖1（a）和圖1（b）還可以看出，試驗板-1的裂縫經注射組份膨脹纖維處理后，其裂縫微觀結構中呈現出清晰可見的纖維絲，這些纖維絲質地均勻，分布嚴密，由多重纖維絲構成的纖維網能夠明顯提升試驗板-1的抗壓、抗拉、防滲性能。

3 案例工程地下室混凝土開裂改良加固

在通過試驗確定了膨脹纖維既能夠提升混凝土的物理力學性能，又能夠明顯改善混凝土結構構件裂縫的微觀結構之后，決定使用測試組-8所示的配比組份膨脹纖維，對案例項目的地下室某塊頂板（該頂板編號為試驗板-2）進行實地加固改良試驗。利用電鏡，對試驗板-2進行組份膨脹纖維處理前后的裂縫位置進行斷面掃描，圖2（a）、圖2（b）分別為試驗板-2的裂縫斷面在注射組份膨脹纖維前后的電鏡掃描圖。

圖2 組份膨脹纖維注射前后試驗板-2裂縫斷面的電鏡掃描圖

圖2（a）為未注射膨脹纖維之前的混凝土頂板某位置處裂縫斷面電鏡掃描圖，從圖2（a）可以看出，在該裂縫的斷面位置處，主要是一些云團狀的凝膠質體和層板形狀的氫氧化鈣晶體、層板形狀的鋁酸鈣晶體以及大量圓球顆粒狀的粉煤灰，且該裂縫斷面整體結構呈現松散不密實的狀態。圖2（b）為注射膨脹纖維之后的混凝土頂板裂縫斷面電鏡掃描圖，從圖2（b）可以看出，在該裂縫的斷面位置處，除了含有水泥、粗骨料、細骨料等的水化產物之外，還形成了非常明顯的柱狀鈣礬石和纖維狀的水鎂石這兩種膨脹性纖維物質，且這兩種膨脹性纖維物質互融交錯、并十分緊密地附著在混凝土原料的水化反應產物上，不僅非常完美地填塞了混凝土構件的裂縫，而且也使得裂縫斷面的孔隙基本消失了，整個微觀結構呈現出較為理想的密實狀態。

綜合上述多項試驗測試結果，最終依照測試組-8（7%EA型膨脹劑+0.8%BF型玄武巖纖維、水膠比控制為0.45）的配比制作組份膨脹纖維，并經特殊注射裝置注射于案例項目地下室混凝土頂板的裂縫位置處，獲得了較為理想的地下室混凝土頂板抗壓、抗拉、防滲效能提升效果[4]，圓滿完成了對案例項目地下室混凝土頂板的改良加固任務。

4 結束語

綜上所述，對于地下室混凝土結構構件的裂縫，可以利用膨脹纖維來控制裂縫，提升混凝土物理力學性能和抗水防滲性能。通過試驗確定膨脹纖維的最佳組份配比，從而通過混凝土試塊試驗和實地檢測，驗證了膨脹纖維既能夠提升混凝土的物理力學性能，又能夠明顯改善混凝土結構構件裂縫的微觀結構，具有良好的改良加固效果，可將其大面積推廣于存在裂縫質量缺陷的混凝土結構構件中，為地下室混凝土結構構件的裂縫防治提供參考。