李 志

(徽商職業(yè)學(xué)院，合肥 230000)

0 引言

在結(jié)構(gòu)建造過程中，應(yīng)確保滿足強度、美學(xué)或任何其他功能方面的要求和規(guī)范。這些規(guī)范通常由設(shè)計師與業(yè)主協(xié)商決定，是所有施工相關(guān)文件的組成部分。特殊的結(jié)構(gòu)需要特殊的規(guī)范，當結(jié)構(gòu)涉及到材料、構(gòu)件和組件的使用時，則可以被認為是特殊的，這些材料、構(gòu)件和組件不使用常規(guī)的施工方法建造。通常，這樣的組件有特殊的使用要求或比正常結(jié)構(gòu)有更窄的公差限制，比如，機械地基或某些工業(yè)地板的平整度要求。如果無法理解和遵守這些特殊要求，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不能完全發(fā)揮其功能并會增加維修工作量，從而導(dǎo)致經(jīng)濟成本和時間成本超支。

據(jù)報道，Walsh等[1]人在工業(yè)地板的背景下討論了混凝土建筑的平度，Koenig[2]、Marsh[3]、Thoeny和Bondy[4]在住宅建筑的背景下討論了混凝土建筑的平度。這些研究的波動范圍為3.2～25.4 mm。然而，在文獻中很少發(fā)現(xiàn)涉及垂直面矯正的研究。垂直面矯正與水平面矯正所面臨的挑戰(zhàn)是不同的，在本文的后續(xù)部分中已進行了詳細討論。此外，在這兩種情況下(工業(yè)地板和住宅地板)的結(jié)構(gòu)要求幾乎總是大大低于預(yù)期的反作用力墻，反作用力墻面很可能受到較大的力。

在完成一個大的L形預(yù)應(yīng)力帶有緊密間隔的小圓形開口的混凝土墻時，發(fā)現(xiàn)施工不符合表面平整度規(guī)范的要求(3 m直邊偏差3 mm)。這堵墻是偽動力測試設(shè)施(PDTF)的一部分，用于測試不同荷載條件下的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括荷載的動態(tài)應(yīng)用。本文討論了：1)為檢查墻壁垂直表面的平整度而設(shè)計的方法的詳情；2)用于修復(fù)的材料和方法的細節(jié)。為了完整性，本文還包含了項目案例的簡要描述。

1 實驗案例描述

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

為了評估結(jié)構(gòu)的抗震性能，在實驗上理解它們對地震荷載的反應(yīng)是至關(guān)重要的，使用一個合適的原型來承受可能的地震地面運動。由于對這些原型結(jié)構(gòu)進行標準振動臺試驗的成本過高，偽動力試驗(PDT)方法已經(jīng)被廣泛使用[5-6]。該方法為大型結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能提供了可靠、經(jīng)濟、高效的試驗評估[7]。偽動態(tài)測試裝置(PDTF)包括一個反力地板和一個L形反力墻，前者用于將結(jié)構(gòu)剛性地固定在其位置上，后者用于支持伺服液壓激振器，對試件施加側(cè)向荷載，并能抵抗激振器所施加的反作用力。為了便于結(jié)構(gòu)在水平方向上的雙軸運動，荷載必須從兩個正交的方向施加[7]。

1.2 實驗布局

PDTF的示意圖如圖1(a)所示；反作用力壁截面如圖1(b)所示。尺寸：長墻15.0 m×10.5 m×2.0 m，短墻10.0 m×10.5 m×2.0 m，堅固地板15.0 m×10.0 m×1.2 m。3室箱形大梁高度為2.2 m，該組件由750 mm厚的筏支撐。整個設(shè)備安裝在一個15 m高的建筑內(nèi)，配有一個200 kN的電動高架起重機，以方便試樣的施工和測試。

(a)PDTF示意圖

(b)PDTF剖面圖1

1.3 激振器系統(tǒng)

可以注意到，激振器的期望負載能力取決于要測試的結(jié)構(gòu)剛度。初步分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)FEMA 461(FEMA 2007)規(guī)范，在原型結(jié)構(gòu)(3層以下鋼筋混凝土建筑)上，將使用多個承載能力為±500～±2 000 kN的伺服液壓激振器進行循環(huán)加載。

1.4 建造材料和方法

反力墻采用特征強度為45 MPa(M45)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(IS 456：2000)。為了定位用于固定試件和激振器的地腳螺栓，如圖1(b)所示，將長2 m、直徑60 mm的鋼套管定位。

原型結(jié)構(gòu)的PDT需要應(yīng)用大的力(1～2 MN)，使用高力伺服液壓激振器，通過鋼基板對PDTF的墻壁施加大的反作用力。圖2(a)顯示了激振器安裝的細節(jié)，強調(diào)了壁面平整度的重要性。需要注意的是：1)激振器施加載荷的方向與受支撐平面垂直，施加載荷的方向影響動態(tài)測試結(jié)果的可靠性。當支撐面不平坦時，施加荷載的方向會偏離預(yù)期方向，在試件中產(chǎn)生附加應(yīng)力，嚴重影響觀測結(jié)果。2)PDT中使用的加載通常是動態(tài)的和循環(huán)的，因此需要盡一切努力確保加載方向不會在加載周期中發(fā)生變化。3)如果激振器被支撐在如圖2(b)所示的波狀表面上，則在施加載荷時存在偏心，這將導(dǎo)致額外的不理想的軸承應(yīng)力，進而可能導(dǎo)致局部失效，如混凝土壓碎和裂縫?；炷翗?gòu)件的表面起伏，尤其是地板，平整度要求非常嚴格，必須遵守，以避免高強度壓力和裂縫的產(chǎn)生[8]。

圖2 激振器安裝示意圖

1.5 墻面平整度規(guī)范

ACI 117—06(ACI 2006)《混凝土施工和材料允許偏差》規(guī)定：根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用一般混凝土平面的平整度標準，分為5類：常規(guī)平整、中度平整、平整、非常平整、和超級平整，3 m直邊允許的最大偏差分別為13 mm、16 mm、6 mm、5 mm和3 mm。由于沒有關(guān)于垂直面的相關(guān)文件，考慮到在實驗設(shè)施運行期間可能施加的重負荷，本案例采用了最嚴格的ACI 117—06(ACI 2006)《混凝土施工和材料允許偏差》要求(3 m±3 mm)。

1.6 墻面平整度觀察

在施工結(jié)束時，發(fā)現(xiàn)墻體的實際波動遠遠超過了要求的極限，平均約為每米波動35～40 mm，并可能危及任何動態(tài)測試結(jié)果的可靠性，且對墻體造成損害。因此，提出了修正壁面波動和達到所要求平整度(3 m±3 mm)的新方法。

2 反力墻面波動的矯正

2.1 測量不合規(guī)程度

矯正墻壁的第一步是確定波動的程度。有幾種方法可以確定平面度標準的不符合程度，包括使用直邊、輪廓儀、水位壓力計系統(tǒng)、激光掃描儀和旋轉(zhuǎn)激光工具[9]，每一種都有一些優(yōu)點和缺點。例如，直邊和水位壓力計的使用方法簡單，但剖面的確定非常費時費力。此外，測量是不連續(xù)的，高度依賴操作者[10]。輪廓儀以預(yù)定的模式在表面上移動，測量平面缺陷，然而數(shù)據(jù)不是連續(xù)的，需要表面接觸[9]。最近也有人建議使用基于激光的工具，如使用激光掃描儀和旋轉(zhuǎn)激光工具[11]來測量表面輪廓。雖然激光掃描儀可以有效地測定表面輪廓，可其分辨率不高，但成本高。分辨率高低取決于采樣步驟和激光束的寬度，雖然激光束的寬度不容易被改變，但確實可以適當調(diào)整參數(shù)。對于一個大的采樣步驟，獲得的數(shù)據(jù)是不準確的，因為許多有用的特征可能沒有被記錄下來，這個問題可以通過減少采樣步驟來解決，但這會導(dǎo)致產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要一個合適的系統(tǒng)來存儲和分析數(shù)據(jù)，以獲得有用的信息。因此，需要選擇一個優(yōu)化的采樣步驟來獲取有用的信息。許多研究計算了激光掃描儀的空間分辨率，發(fā)現(xiàn)分辨同一視線上的兩個物體的最大分辨率為3～4 mm，相鄰視線上的兩個物體的最大分辨率為10～15 mm[11]。旋轉(zhuǎn)激光工具相對便宜，可生成一個假想的平面，可使用線性比例尺記錄測量數(shù)據(jù)，如圖3所示。雖然前述工具已用于水平混凝土地板，但它們的適用性尚未在垂直表面得到評估，在這方面的一些相關(guān)問題將在接下來討論。

圖3 波狀面到假想垂直平面的水平距離的示意圖

1)需要設(shè)計一個適當?shù)膴A具，以保持任何設(shè)備在其垂直表面的位置。但在測量水平表面的平整度時不會遇到這個問題。

2)在水平地板的澆筑過程中，表面光潔度的質(zhì)量更容易被控制。對于垂直墻，只有在澆筑混凝土之前，才能檢查和確保模板的平整度。只有當混凝土已經(jīng)硬化，將模板移開后，才能發(fā)現(xiàn)成品表面的所有不合格之處。

3)評估墻面平整度面臨的進一步挑戰(zhàn)是均勻間隔的空腔墻不允許被連續(xù)測量。此外，沒有足夠的空間方便安裝設(shè)備。

考慮到這些問題，使用旋轉(zhuǎn)激光刀具的原因有：

1)為了測量離邊緣的線性距離，需要構(gòu)造一個合適的機構(gòu)來爬升10.5 m，這構(gòu)成了進一步的約束。

2)垂直表面不可能使用普通的水壓力計。

3)Tang等[10]人和Kim等[12]人認為掃描儀的選擇、使用的算法以及物體到掃描儀的距離都會影響缺陷的可檢測性。因此，即使可以采取適當?shù)拇胧﹣泶_保適當?shù)牟蓸硬襟E，使激光掃描儀獲得可接受的分辨率，在建筑物中也沒有足夠的空間來確保設(shè)備和墻壁之間所需的間隙。

4)輪廓儀需要沿垂直壁面上的固定路徑移動。雖然在水平表面上移動輪廓儀很容易，但要使輪廓儀在垂直表面上移動并保證其與表面的接觸，就需要設(shè)計一個合適的機構(gòu)來安排輪廓儀，使其在壁面上移動。此外，壁面上的孔洞會影響輪廓儀測量結(jié)果的準確性。

5)旋轉(zhuǎn)激光工具(精度：10 m±0.5 mm，操作范圍2～500 m)在預(yù)算范圍內(nèi)可以隨時被使用，并可在有限空間內(nèi)被使用。此外，墻壁上的孔不會干擾測量系統(tǒng)，可以自由地在任何想要的點和想要的分辨率測量深度進行測量。此外，考慮到場地的限制，工具的位置可以很容易地被調(diào)整。在本例中使用的線性比例尺的計數(shù)最少為0.5 mm(即，可以實現(xiàn)0.5 mm的分辨率)。除了確定不平整程度，在矯正過程中還需要一個工具來檢查平整度，為此，旋轉(zhuǎn)激光提供了一種簡單高效的方法。

通過測量旋轉(zhuǎn)激光刀具產(chǎn)生的虛平面與壁面在不同點處的距離，可以得到表面波動的定量信息。一個300 mm×300 mm網(wǎng)格被標記在墻壁壁面上。用線性比例尺在網(wǎng)格的不同點上測量由旋轉(zhuǎn)激光工具產(chǎn)生的假想平坦垂直面的距離。該刻度的分辨率為0.5 mm。正在進行的測量的照片如圖4所示。為了驗證測量結(jié)果，使用總測量值確定了套管孔在管壁前表面的中心位置，得到的數(shù)據(jù)與旋轉(zhuǎn)激光刀具測量的結(jié)果一致。根據(jù)長壁上不同點的距離測量得到的結(jié)果如圖5(a)所示。由圖5(a)表面輪廓確定，整個墻面最大高程點與最大落差點之間的距離為39 mm。

圖4 從旋轉(zhuǎn)激光刀具產(chǎn)生的平面上進行的線性測量

從圖5(a)可以看出，任意3 m長度之間的表面波動超過了3 mm。為了更好地理解不合規(guī)程度，在圖5(b)和圖5(c)中，分別在A—A和B—B兩個位置繪制了沿墻長度和高度的表面輪廓。從圖5(b)可以看出最大和最小波動的差值是4.5 mm(0～3 m)、9.5 mm(3～6 m)、11 mm(6～9 m)、8 mm(9～12 m)、16 mm(12～15 m)。同理，從圖5(c)可以看出，在0～3 m之間，最大波動點和最小波動點的差值分別為5 mm，3～6 m之間的差值為9 mm，6～9 m之間的差值為15 mm。在這些部分的墻體表面長度超過3 m的波動超過了3 mm。對壁面的任何其他部分進行類似的測試，也會反映出類似的不合格輪廓。因此，該墻體表面具有高度的不合規(guī)性。

(a)使用旋轉(zhuǎn)激光工具測量波狀壁面的表面輪廓

(b)沿A —A方向的表面輪廓

(c)沿B—B方向的表面輪廓圖5 測量結(jié)果

2.2 表面波動的矯正

原則上可以采用兩種方法來消除波動，保證平面度。為了以圖形的方式說明這些原理，圖6給出了波形表面的示意圖。AB、CD、EF這3個面已經(jīng)在這個圖中顯示出來。AB面為起伏的混凝土表面。第一種方法涉及去除多余的沉積材料并產(chǎn)生一個平面CD，第二種方法涉及沉積額外的材料并產(chǎn)生一個新的平面EF。在文獻中已經(jīng)確定了各種矯正方法，通過使用研磨機[13]、調(diào)平化合物[14]和水泥砂漿抹灰[15]來矯正水平和垂直混凝土表面的波動。

關(guān)于矯正過程的考慮：

1)L型墻的尺寸比普通混凝土墻大。

2)緊密間隔的圓形開口遍布整個墻壁。必須確保在矯正過程中，用于固定激振器所使用的螺栓的鋼套是對準的，是不受干擾。

3)在試驗過程中，墻體可能承受較大的動荷載。

圖6 矯正波狀表面的選擇

綜合考慮前述因素，設(shè)計了壁面矯正策略。接下來也討論了在規(guī)劃階段所考慮的其他各種方案。

曾考慮過磨墻的方案，但由于以下原因而被排除：1)墻體采用M45級混凝土施工，表面磨床不能有效地研磨具有高抗壓強度的墻壁；2)所需研磨的范圍相當大(可達40 mm)，磨墻40 mm將嚴重減少覆蓋的加固和管道；3)地面面積非常大(610 m2)。因此磨墻非常不經(jīng)濟。

至于第二種選擇，即沉積額外一層，則需要確保覆蓋層材料具有以下特點：1)足夠高的強度，最好與現(xiàn)有墻面的強度相匹配；2)制作出符合平整度要求的光潔度；3)與現(xiàn)有表面形成完美的結(jié)合。

與在水平面上鋪設(shè)覆蓋物相比，在垂直平面上鋪設(shè)覆蓋物需要特別的考慮。由于重力的作用，在水平面上鋪設(shè)覆蓋物很容易，但對于垂直表面，必須采取適當措施，防止覆蓋層材料在重力作用下脫落或剝落。本文考慮的覆蓋材料：

1)考慮了用合適的水泥砂漿抹墻的想法。就光潔度、所需材料、設(shè)備和熟練工人的可用性而言，該選項是可行的選項之一。然而，現(xiàn)有的建筑機構(gòu)未能設(shè)計出一種經(jīng)濟上合適的混合料，以匹配M45級混凝土的強度。此外，在有圓形開口的墻面上使用常規(guī)的灰泥是另一個挑戰(zhàn)，所以，不考慮選擇灰泥。

2)考慮到強度和黏結(jié)要求，用纖維增強混凝土(FRC)涂覆墻體的選擇也被考慮了，似乎是可行的。然而，當使用FRC在起伏的墻面上創(chuàng)建一個試貼片時，觀察到表面過于粗糙，因此放棄了該方案。

3)尺寸約為1 m×0.6 m的環(huán)氧樹脂(Araldite GY257、Aradur 140和二氧化硅填料)的樣品貼片也顯示出較差的整理效果，因此沒有進一步考慮該選擇。

4)商業(yè)生產(chǎn)的微混凝土以及合適的黏結(jié)劑被視為合適的覆蓋層。微混凝土是一種混合了所有干原料的混合物，只需要在現(xiàn)場與水混合，就可以生產(chǎn)出所需規(guī)格的膠凝砂漿。

除從廠家得到的各參數(shù)值外，現(xiàn)場還進行了微混凝土抗壓強度和黏結(jié)劑粘結(jié)試驗。澆筑3個邊長為70.6 mm的立方體，并按照IS 4031-6：1988(2005年確認)《水凝水泥的物理試驗方法 第六部分：非砌筑水泥的抗壓強度測定》的規(guī)格測量抗壓強度。對3個立方體進行測試，平均抗壓強度為48.54 MPa，高于預(yù)期強度45 MPa。

為了確保黏結(jié)劑在母材混凝土和微混凝土層之間提供足夠的黏結(jié)，按照ASTM C 1583(ASTM 2013)《使用直接拉伸(拔出法)測定混凝土表面抗張強度和混凝土維修和覆蓋材料粘結(jié)強度或抗張強度的標準試驗方法》的規(guī)范進行了拉拔試驗。用M45級混凝土澆筑邊長為550 mm的立方體。28 d后，在立方體的垂直面上涂上一層黏結(jié)劑。在涂有黏結(jié)劑的垂直表面，按照反應(yīng)墻整流過程中所采用的程序涂敷30 mm的微混凝土層。一旦確定微混凝土獲得了足夠的強度，就進行拉拔試驗。在微混凝土中鉆取一個50 mm的芯，并用黏結(jié)劑將測試盤放置在芯的頂部。在黏結(jié)劑充分硬化后，用拉脫測試儀將芯抽出。失效的巖心和測試盤如圖7所示。從圖7可以看出，破壞面出現(xiàn)在母材混凝土中，微混凝土和黏結(jié)劑層保持完好。試驗得到的拉脫值為3.59 MPa。因此，保證了微混凝土加鋪層與現(xiàn)有墻體表面之間形成足夠的黏結(jié)。拉拔試驗也證實了微混凝土的強度大于原混凝土。所選微混凝土與黏結(jié)劑在以下方面具有優(yōu)勢：

1)這是可流動的，因此幾乎不涉及壓縮的使用；

2)保證了良好黏接；

3)硬化表面不收縮脫落；

4)微混凝土抗壓強度>45 MPa，保證了加鋪層材料強度達到預(yù)期要求。

5)達到了光潔表面的要求。

圖7 拉拔試驗后的破壞塊照片

2.3 微混凝土在墻體表面的應(yīng)用

微混凝土的厚度在墻體表面的不同位置隨波動程度而變化。

根據(jù)制造商的規(guī)定，微混凝土最小厚度必須為15 mm。以最大標高點為參考，墻體表面任意點混凝土微層厚度(圖6中以T表示)可表示為

T(mm)=15+凹陷深度(mm)。

(1)

因此，一個新的表面用覆蓋層構(gòu)造，厚度從15～54 mm不等。額外的微混凝土護套需要一個特別設(shè)計的模板，在孔的位置有匹配的桿，以確保鋼套筒不會被微混凝土填充。微混凝土的逐步澆筑過程：

1)在待處理的墻面上涂上一層黏結(jié)劑。黏結(jié)劑的最大覆蓋時間為12 h。根據(jù)廠家的規(guī)范，微混凝土應(yīng)在黏結(jié)劑黏未干的情況下使用。

2)使用了尺寸為1 m×2 m，厚的25 mm的透明亞克力板材。透明的亞克力板要確保清除了所有夾帶的空氣，必要時可使用振動器。如此選擇主要是考慮可施工性：①在澆筑過程中監(jiān)測微混凝土的適當流動并避免蜂窩化;②每個(亞克力)板的重量，這是決定其是否易于安裝和處理的關(guān)鍵參數(shù)。

3)壓克力板被固定在一個螺母螺栓系統(tǒng)上，該系統(tǒng)焊接在現(xiàn)有的低碳鋼套筒板上。圖8為亞克力板模板用螺栓固定焊接在鋼套上。

圖8 用于放置微混凝土的丙烯酸模板

4)使用旋轉(zhuǎn)激光工具在螺絲螺母的幫助下，將亞克力板的垂直平面從墻面調(diào)整到所需的水平(由(式)1控制)。

5)堅固的圓柱形加工木塊被插入現(xiàn)有的墻壁孔中，并通過螺絲用亞克力百葉窗板固定。插入套管中的木制圓柱體如圖9所示。

6)邊緣的亞克力板模板也使用特殊的角度部分來固定材料。

7)微混凝土是通過漏斗灌注的。雖然不建議在微混凝土中使用振動器，但微混凝土是用直徑為8～10 mm的鋼筋進行夯實的，以消除氣泡。

8)在微混凝土最終定型后(大約16～24 h)，亞克力板模板被拆除，同樣的過程在L形墻的整個表面重復(fù)。應(yīng)用于墻面的微混凝土面板如圖10所示。

圖9 用于防止鋼套管內(nèi)的微混凝土進入的木制圓柱體

圖10 墻體表面硬化的微混凝土

9)微混凝土層養(yǎng)護1周后，在處理后的墻面涂上利圖林基表面硬化劑。

10)用于支撐模板的螺栓的投影部分在處理過程完成后被切斷。

一次使用2～3個1.0 m×2.0 m面板，加上墻面面積大，幾乎花了1年6個月的時間完成了整改工作。整改工作涉及到10.5 m腳手架的施工，明顯增加了整改過程中的工作量。

2.4 驗證

為了確保表面重鋪的實現(xiàn)，使用旋轉(zhuǎn)激光工具再次確定表面輪廓。經(jīng)過矯正處理后得到的表面輪廓如圖11(a)所示。大部分墻體表面的最大高程點與最大下陷點之間的距離為3 mm，除了單點測量(紅色所示)，距離由激光旋轉(zhuǎn)工具產(chǎn)生的虛擬表面是10 mm。因此，矯正壁面的平整度達到了3 m±3 mm的要求。為了更好地了解矯正壁面的梯度，圖11(b)和圖11(c)分別繪制了整流壁面A—A和B—B截面的表面輪廓。從圖11(b)可以看出最大和最小波動的差值是1 mm(0～3 m)、1mm(3～6 m)、1 mm(6～9 m)、1mm(9～12 m)和1 mm(12～15 m)。同理，從圖11(c)中可以看出，在0～3 m，最大波動點與最小波動點的差值為1 mm，3～6 m的差值為1 mm，6～9 m的差值為2.5 mm。墻面3 m以上的波動<3 mm。對不同剖面的表面輪廓進行類似的研究結(jié)果表明，除了最大高程點(10 mm)附近的區(qū)域外，其余區(qū)域均符合所需規(guī)格。因此，表面梯度在期望的公差范圍內(nèi)。矯正前后的表面輪廓對比如圖12所示。從圖12中可以看出，在矯正之前，墻體的坡度遠遠超過了允許的限度，矯正過程能夠產(chǎn)生一個具有所需坡度的表面。

(a)矯正表面輪廓

(b)A—A表面輪廓(矯正)

(c)B—B表面輪廓(矯正)圖11 矯正后的表面輪廓

圖12 矯正前后表面的波動程度

3 結(jié)論

平整度矯正對于實驗和工業(yè)應(yīng)用具有重要的研究意義。如果無法達到要求，可能會導(dǎo)致設(shè)備功能失效，從而耗費更多經(jīng)濟成本和時間成本。由于以往的研究集中在水平地面的平整度上，因此，本文針對垂直墻面建立了一種用激光工具測量垂直表面平整度，以及使用微混凝土作為覆蓋材料進行平整度矯正的新方法和行之有效的整套流程。在矯正之前，墻面的坡度遠遠超過了允許的限度，經(jīng)過本文所采用的平整度測量、矯正以及應(yīng)用微混凝土等一套完整流程后，垂直墻面的平整度達到了要求。試驗結(jié)果證明：1)旋轉(zhuǎn)激光工具最適合于垂直墻面平整度缺陷識別；2)采用可流動、不收縮的微混凝土結(jié)合黏結(jié)劑，有助于使混凝土的平整度達到預(yù)期的要求。