ECC修补混凝土结构裂缝的技术分析★

杨 鑫 张新文 刘万成 孙林柱

(温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325035)

0 引言

混凝土是目前用量最大的建筑材料之一，广泛应用于各种工程领域。但是混凝土作为一种复合型的建筑材料，在其施工和服役的过程中会受到内部因素和外部环境影响而产生裂缝，从而导致混凝土结构的防水和耐久性能下降，影响结构的正常使用或者缩短结构的使用寿命。

采取有效的修补材料和可行的修补方案恢复结构因开裂而降低的防水和耐久性能十分重要。ECC(Engineered Cementations Composite)是一种乱向分布纤维增强水泥基复合材料，具有超高韧性、应变硬化以及多裂缝开裂的特性。目前已有大量的研究证明，ECC具有良好的变形能力、抗裂性能、耐久性能以及抗疲劳能力，是一种理想的耐久性修补材料［1］。

由于混凝土结构开裂机理复杂，要根据多种因素来选择有效的修补材料和可行的修补方案。ECC作为修补材料，目前只有在国外有部分工程应用案例，但对于ECC可以修补哪些裂缝，如何修补等问题，还没有一套完整的施工方法。本文从混凝土结构裂缝的分类以及常规的修补方法出发，再结合ECC的应用案例，对ECC修补混凝土结构裂缝的技术进行了分析。

1 混凝土结构裂缝的分类

1.1 按裂缝产生的原因分类

1)变形作用。

由变形作用引起的非受力裂缝，包括失水干缩、温度变化、不均匀沉陷等原因引起的裂缝。其基本特征是结构要求变形，但受到约束而产生内应力，当产生裂缝时变形得到满足，应力就发生松弛。

2)荷载作用。

由外荷载引起的裂缝，包括由动、静载荷直接应力和次应力引起的裂缝。根据国内外调查资料表明，工程结构由于变形作用而引起的裂缝约占80%，由于荷载作用而引起的裂缝约占20%。

1.2 按裂缝的深进分类

裂缝按深进的情况可分为表面裂缝、深入裂缝、贯穿性裂缝。

1.3 按裂缝的形成分类

1)静止裂缝:形态、尺寸和数量均已经稳定不再发展的裂缝。

2)活动裂缝:宽度在现有的环境和工作条件下始终不能保持稳定，随着结构构件的受力、变形和环境温湿度变化而时张、时闭的裂缝。

3)尚在发展的裂缝:长度、宽度或者数量尚在发展，但经历一段时间后将会终止的裂缝。

2 常规的混凝土结构裂缝修补方法

在混凝土结构裂缝修补前，需要对原有混凝土结构进行可靠性分析，综合判断结构承载力是否满足要求。若承载力不足，需对结构加固后再进行裂缝修补。

1)表面修补法。

通过在裂缝表面涂抹水泥砂浆、聚合物水泥膏等修补材料，恢复结构的防水性和耐久性要求。主要用于处理静止的和对结构承载力没有影响的，但会有损美观或将导致钢筋锈蚀的表面以及深入细微裂缝(裂缝宽度小于0.2 mm)。涂料应选择粘结力强、耐久性好的材料，对于活动裂缝应采用弹性材料。该方法的缺点是修补工作无法深入到裂缝内部。

2)灌浆法。

利用压力设备将胶结材料(如树脂浆液、聚合物浆液等)压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到恢复结构整体性、防水性和耐久性的目的。适用于对独立裂缝、贯穿性裂缝、混凝土的蜂窝状缺陷等有影响结构整体性和防水性的裂缝修补。

3)填充密封法。

在构件表面沿裂缝走向骑缝凿出V，U形沟槽，然后嵌填修补材料，适用于宽度大于0.5 mm且钢筋锈蚀的活动裂缝或静止裂缝。填充完毕后，其表面应做防护层。

3 ECC修补混凝土结构裂缝的工程案例

3.1 挡土墙的表面修补［2］

2003 年，日本对一座已经服役30年的混凝土挡土墙(宽约18 m，高约5 m)进行了表面修补。由于碱骨料反应导致挡土墙表面多处开裂，工程采用ECC和修补砂浆进行了对比修补，并通过铺设焊接钢丝网等增加界面粘结强度。

修补24个月后，采用ECC修补的墙面出现的裂缝小于0.12 mm，并且细微裂缝呈网状，而与之对比的砂浆修补的墙面则出现了0.3 mm的裂缝。与砂浆相比，ECC具有多缝开裂特性，能够控制基体内部反射到表面修补层的裂缝。在一定程度上减少了外界物质的侵入，提高了结构的防水性和耐久性。如图1所示是修补前后的对比。

图1 边坡修补前后对比

3.2 大坝的表面修补［3］

2003 年，日本对广岛一座已经服役60多年的水坝进行了修复。通过对大坝强度可靠性分析，大坝承载力满足要求，但由于长期使用，坝体表面保护层混凝土严重老化、开裂，导致大坝防水性和耐久性下降，所以坝体表面约600 m2的混凝土保护层需要进行修复。最后工程在大坝表面喷射了一层20 mm厚的ECC作为覆盖层，并通过设置铆钉增加覆盖层与原基体的粘结强度。整个修补过程简单而高效，恢复了大坝的防水性和耐久性要求，如图2所示。

图2 大坝总图和施工图

4 ECC修补混凝土结构裂缝的技术分析

4.1 ECC的材料特性

ECC具有多缝开裂以及应变硬化的特性，从目前的研究看，ECC具有如下基本性能:抗疲劳能力强、变形能力强、耐久性和抗裂性能好以及良好的抗冻融性能。基本满足修补材料的性能要求，是一种理想的耐久性修补材料。

4.2 能够修补的裂缝

通过国外的工程案例，结合已有的混凝土结构裂缝处理技术，ECC可以应用于大面积混凝土结构开裂的表面修补。例如混凝土结构长时间工作而老化、碱骨料反应等，特别是需要大面积修补的结构(如大坝、挡土墙、飞机跑道等)，并且可以采用喷射技术，大大提高作业效率。虽然ECC具有较强的变形能力，但是能否修补活动裂缝和尚在发展中的裂缝还要进一步验证。在实际工程中，混凝土开裂往往是多因素造成，并且开裂形式多样。ECC是一种表面修补的良好材料，但还是无法深入到结构内部，所以需要采用多种修补方式结合的办法，ECC可作为最后一步工序的表面覆盖修补。

4.3 施工工艺

ECC修补混凝土结构裂缝与常规的表面修补法的施工工艺几乎相同，施工程序为:裂缝调查→裂缝表面打磨→清理→涂刷或喷射ECC修补材料。如作业面积较大，应设置钢丝网、钢筋网片等，提高修补层与原基材的粘结强度。最重要的是选择合适的材料，配制出性能可靠的ECC。

5 结语

混凝土结构裂缝的修补目的是为了恢复结构的防水性和耐久性。裂缝的种类和形式很多，要从根本上解决混凝土裂缝问题，需要正确判断和分析混凝土开裂原因，并结合裂缝性状、结构重要性和环境条件等因素来选择修补材料和修补方法。ECC是一种理想的大面积混凝土开裂表面修补材料，但还面临以下问题:

1)我国的ECC研究起步较晚，目前还处在实验室研究阶段，并且ECC的制作成本较高，所以要加速制备技术的改进以及原材料的国产化发展。

2)作为表面修补材料，要保证ECC与原基材有足够的粘结力，对于ECC与原基材的粘结强度需要进一步深入研究。

3)目前国内还没有ECC修补混凝土结构裂缝的案例，特别是喷射修补技术还要进一步研究。

［1］徐世烺，李贺东.超高韧性水泥基复合材料研究进展及其工程应用［J］.土木工程学报，2008，41(6):45.

［2］Rokugo K，Kunieda M，Lim S C.Patching Repair with ECC on Cracked Concrete Surface［C］.Proc.CONMA T 5，Aug.2005.

［3］Kojima S，Sakata N，Kanda T，et al.Application of direct sprayed ECC for retrofitting dam structure surface application for mitakadam［J］.Concrete Journal，Japan Concrete Institute，2004，42(5):135-139.