董宏波 班勇婷 毛江鴻 張 軍 鄭博宇 樊瑋潔 蔣 靜

(1.寧波市建設(shè)工程安全質(zhì)量管理服務(wù)總站，315099，寧波；2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，315111，寧波；3.浙大寧波理工學(xué)院，315199∥第一作者，正高級(jí)工程師)

混凝土結(jié)構(gòu)材料自身抗拉強(qiáng)度低，致使大體積混凝土普遍存在開裂情況。文獻(xiàn)[1]指出，我國部分城市的混凝土屋面滲漏率高達(dá)95.33%，混凝土地下建筑滲漏率達(dá)57.51%。混凝土開裂后，裂縫處將成為有害離子侵蝕的通道[2-4]，從而引起鋼筋銹蝕等耐久性問題。因此，對(duì)其進(jìn)行裂縫修復(fù)時(shí)，將鋼筋與腐蝕環(huán)境進(jìn)行隔絕對(duì)保障結(jié)構(gòu)耐久性非常必要。

目前，普遍采用的混凝土裂縫修復(fù)方法有表面處理、化學(xué)灌漿法、自修復(fù)材料填充、電化學(xué)沉積及生物沉積法[5-7]。其中的化學(xué)灌漿法是技術(shù)成熟、工程應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)手段[8]。文獻(xiàn)[9]建議的混凝土裂縫化學(xué)灌漿工藝有鉆孔灌漿法、貼嘴灌漿法與鉆孔加貼嘴灌漿法。在工程中，化學(xué)灌漿法的灌漿修復(fù)效果以治理滲漏水為評(píng)價(jià)指標(biāo)，較少考慮灌漿修復(fù)后是否會(huì)對(duì)鋼筋重新形成有效的耐久性防護(hù)。從耐久性角度出發(fā)，將鋼筋與腐蝕性離子有效隔絕是評(píng)價(jià)灌漿修復(fù)效果的重要指標(biāo)。上述技術(shù)指標(biāo)是保障修復(fù)后混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵，灌漿工藝和裂縫形態(tài)等因素均會(huì)不同程度影響灌漿修復(fù)效果。

目前，多根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)滲漏水治理方案，修復(fù)效果不確定性較高，常出現(xiàn)修復(fù)后二次開裂和復(fù)漏等問題[10-11]，更無法保障鋼筋與有害離子的有效隔絕。因此，開展混凝土裂縫化學(xué)灌漿工藝優(yōu)化試驗(yàn)研究，探明不同裂縫寬度、不同裂縫深度情況下的灌漿修復(fù)效果，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)際有重要作用。因此，本文首先通過分析工程中實(shí)際應(yīng)用的工程鉆孔灌漿工藝，遴選出可供優(yōu)化的主要灌漿工藝參數(shù)，針對(duì)性設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn)，探究各參數(shù)對(duì)灌漿修復(fù)效果影響。

1 試驗(yàn)研究

為獲得基于耐久性要求的灌漿修復(fù)工藝，本文分三個(gè)階段開展試驗(yàn)研究。首先，采用工程常用灌漿工藝對(duì)深600 mm的貫穿裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿修復(fù)，掌握灌漿修復(fù)效果；其次，優(yōu)化鉆孔深度和鉆孔間距兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，考察其灌漿料極限覆蓋深度；最后，基于耐久性要求提出不同貫穿裂縫深度下的化學(xué)灌漿工藝要求。

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件采用配合比如表1所示。其中，粗骨料采用粒徑為10 mm的石子，細(xì)骨料為天然河砂，拌合用水為自來水。試件尺寸為600 mm×600 mm×1000 mm，裂縫寬度設(shè)定為0.3 mm。

表1 混凝土配合比

1.2 裂縫制作與控制

在相同的裂縫寬度、灌漿壓力、灌漿時(shí)間及漿液流動(dòng)性情況下，裂縫傾角與混凝土界面形態(tài)對(duì)灌漿擴(kuò)散半徑有較大影響[12]，會(huì)導(dǎo)致常規(guī)預(yù)置插片法模擬的光滑裂縫與真實(shí)裂縫情況相差較大。因此，本文設(shè)計(jì)了一種混凝土裂縫制作方法與裝置[13]，該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。首先，對(duì)混凝土試件進(jìn)行三點(diǎn)加載，使試件斷裂成兩部分；其次，以斷開后的試件為端模并在其基礎(chǔ)上重新立模澆筑成完整試件；最后，利用自主研發(fā)的外骨架裝置通過螺桿撐開新舊混凝土結(jié)合面。該方法可在試塊預(yù)定位置制作寬度可控的貫穿式裂縫，并能在灌漿修復(fù)后再次打開觀察裂縫面的灌漿修復(fù)效果。

圖1 仿真混凝土裂縫制作裝置

1.3 灌漿工藝及優(yōu)化思路

工程常用的混凝土裂縫灌漿孔鉆孔方案如圖2所示。

圖2 混凝土裂縫灌漿孔鉆孔方案

鉆孔位置布置在垂直距離裂縫15 cm處且沿裂縫方向間隔為20 cm，孔與混凝土表面呈60°夾角，鉆入混凝土內(nèi)部25 cm。使用無機(jī)速凝水泥封堵表面裂縫。灌漿過程中從底部灌漿孔開始灌漿，當(dāng)相鄰高處灌漿孔溢出灌漿料時(shí)切換灌漿孔。鉆孔化學(xué)灌漿法中影響灌漿效果的要素眾多，包括但不限于鉆孔排數(shù)、鉆孔深度、鉆孔間距、斜孔傾角、灌漿壓力及灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)等，其中，鉆孔深度與鉆孔間距可通過操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格約定?？紤]實(shí)驗(yàn)室條件及現(xiàn)場(chǎng)施工的可操作性，本文選擇鉆孔間距、鉆孔深度及漿料用量為優(yōu)化要素，優(yōu)化的參數(shù)如表2所示。

表2 混凝土裂縫灌漿工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)表2混凝土裂縫灌漿優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行試件編號(hào)，如表3所示。

表3 混凝土裂縫灌漿優(yōu)化設(shè)計(jì)試件編號(hào)

不同的鉆孔間距、鉆孔深度、裂縫面積及裂縫寬度均影響總灌漿料用量。為消除各試件間總灌漿料用量差異的影響，提出了依據(jù)試件特性計(jì)算的總體相對(duì)灌漿料用量，即理論上完全填滿全部孔道及整個(gè)裂縫面的灌漿料用量，并優(yōu)化灌漿孔切換判據(jù)為單孔相對(duì)灌漿料用量灌注完畢。計(jì)算方法為：

(1)

(2)

式中：

V,VS——分別為總體相對(duì)灌漿料用量及單孔相對(duì)灌漿用量；

D——裂縫寬度；

Lf,Lb,Lt,Lu——分別為前表面、后表面、上表面及下表面裂縫長(zhǎng)度；

S——單個(gè)灌漿孔面積；

Lh——灌漿孔道長(zhǎng)度；

n——灌漿孔數(shù)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同灌漿工藝下的灌漿效果

為了評(píng)估裂縫修復(fù)效果，等灌漿結(jié)束后，利用混凝土試件外側(cè)的螺桿將試件打開，直接觀測(cè)灌漿料在裂縫處的分布情況。圖3～5分別為O-S20-D25試件、P-S10-D25試件和P-S10-D35試件的灌漿效果。

圖3 O-S20-D25試件灌漿效果

圖中覆蓋區(qū)域呈較深色，且部分位置黏合強(qiáng)度較高，撕離出裂縫兩側(cè)混凝土呈現(xiàn)淺色，繪制漿液覆蓋區(qū)邊界線(圖中以黑線表示)。由圖3可知，常規(guī)工藝的修復(fù)深度在24 cm至49 cm之間。由圖4可知，較常規(guī)工藝縮小孔間距為10 cm后，P-S10-D25試件修復(fù)深度增大為41 cm至49 cm。由圖5可知，進(jìn)一步增加鉆孔深度至35 cm后，整個(gè)試件被修復(fù)。由上述結(jié)果可知，改變鉆孔間距和鉆孔深度對(duì)灌漿效果有明顯影響。

圖4 P-S10-D25試件灌漿效果

圖5 P-S10-D35試件灌漿效果

2.2 鉆孔間距對(duì)灌漿效果的影響

打開裂縫面后測(cè)量各位置的灌漿深度，繪制漿液輪廓線并計(jì)算漿液覆蓋面積。相同孔深下不同孔距的混凝土裂縫灌漿效果如圖6所示。

由圖6 a)可見，當(dāng)鉆孔深度為15 cm時(shí)，不同鉆孔間距試件的灌漿效果接近，P-S30-D15的漿液覆蓋面積甚至高于其余鉆孔更密的試件，這說明當(dāng)鉆孔深度較淺時(shí)，鉆孔間距對(duì)灌漿效果的影響較小。由圖6 b)可見，當(dāng)鉆孔深度為25 cm時(shí)，P-S10-D25試件的漿液覆蓋面積較P-S30-D25試件的提升27%。由圖6 c)可見，當(dāng)鉆孔深度為35 cm時(shí)，P-S10-D35試件的覆蓋面積較P-S30-D35試件的提升高達(dá)71%。由圖6 b)和圖6 c)可知，隨鉆孔間距減小，試件灌漿深度增大，這說明減小鉆孔間距有利于提升灌漿效果。

圖6 相同孔深下不同孔距的混凝土裂縫灌漿效果

2.3 鉆孔深度對(duì)灌漿效果的影響

相同孔距下不同孔深的混凝土裂縫灌漿效果如圖7所示。

圖7 相同孔距下不同孔深的混凝土裂縫灌漿效果

由圖7 a)可知，當(dāng)鉆孔間距為30 cm時(shí)，P-S30-D35試件的漿液覆蓋面積較P-S30-D15試件的提升僅14%。由圖7 b)可知，當(dāng)孔間距為20 cm時(shí)，P-S20-D35試件的覆蓋面積較P-S20-D15試件的提升60%。由圖7 c)可知，當(dāng)鉆孔間距為10 cm時(shí)，P-S10-D35試件的漿液覆蓋面積較P-S10-D15的提升高達(dá)128%。這說明鉆孔間距越小，增加鉆孔深度后的灌漿效果才明顯。在三種鉆孔間距情況中，鉆孔深度較深試件的漿液覆蓋面積均大于鉆孔間距較淺的試件，這說明隨試件鉆孔深度增加，灌漿效果提升。

2.4 基于耐久性指標(biāo)的灌漿工藝優(yōu)化

將各工藝組合的灌漿效果分布如圖8所示。分別以各分組中灌漿深度最大值繪制最大灌漿深度包絡(luò)面，取各組最小灌漿深度值繪制最小灌漿深度包絡(luò)面。以各工藝組合的最小灌漿深度為基礎(chǔ)，各鉆孔深度、鉆孔間距組合后的灌漿效果與耐久性指標(biāo)的對(duì)照關(guān)系如圖9所示。

圖8 優(yōu)化工藝灌漿效果分布圖

根據(jù)不同鋼筋與灌漿面的間距，基于耐久性要求選擇灌漿工藝。由圖9可知，耐久性指標(biāo)為灌漿深度>20～25 cm時(shí)，此時(shí)所有工藝均滿足要求；耐久性指標(biāo)要求灌漿深度為>25～30 cm時(shí)，建議鉆孔深度應(yīng)≥20 cm；耐久性指標(biāo)要求灌漿深度為>30～35 cm時(shí)，建議鉆孔深度≥25 cm。耐久性指標(biāo)要求灌漿深度>35 cm時(shí)，建議增大鉆孔深度同時(shí)減小鉆孔間距。比如：選擇鉆孔深度≥35 cm時(shí)，應(yīng)選擇鉆孔間距≤25 cm；選擇鉆孔深度30 cm時(shí)，應(yīng)選擇鉆孔間距≤20 cm；選擇鉆孔深度25 cm時(shí)，應(yīng)選擇鉆孔間距≤15 cm。

圖9 基于耐久性指標(biāo)的工藝查詢圖

3 結(jié)論

1)常規(guī)工藝灌漿修復(fù)深度為24～49 cm，鋼筋距離灌漿面深度超過24 cm時(shí)，化學(xué)灌漿修復(fù)后鋼筋存在較高銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2)優(yōu)化試驗(yàn)表明，增加鉆孔深度，減小鉆孔間距，均有利于提升灌漿效果。

3)本文結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了基于耐久性要求的大體積混凝土貫穿裂縫化學(xué)灌漿工藝的查詢圖，可依據(jù)鋼筋埋深選擇滿足耐久性要求的灌漿深度和鉆孔間距組合。