高原地区混凝土裂缝的修补技术

牛东兴，韩龙武，周有禄，赵相卿，唐彩梅（.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州　730000；2.中铁成都轨道交通设计院有限公司，四川 成都　6003）

高原地区混凝土裂缝的修补技术

牛东兴1，2，韩龙武1，周有禄1，赵相卿1，唐彩梅1
（1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州730000；2.中铁成都轨道交通设计院有限公司，四川 成都610031）

青藏高原地区昼夜温差大、太阳辐射强烈等不利的气候环境使得常规的混凝土裂缝修补方法施工难度大，修补效果难以保证，需采取特殊的措施。本文结合现场试验阐述了在高原地区混凝土注胶修补时采用的水浴加热配胶法和在材料固化阶段采用的保温固化法，2种方法均可以保护修补胶自身热量不流失，保证了工程效果。此外，通过分析高原地区的气温资料，给出了开展混凝土裂缝修补工作的适宜时间为每年的7，8月份，且应在09：00～19：00开展修补工作。

高原地区；混凝土裂缝；修补技术

1　概述

混凝土是由水泥、砂、石作集料，与水、外加剂、掺合料等按一定比例配合组成。混凝土价格低廉、具有较好的抗压性和耐久性、且施工阶段可塑性好，因而被广泛应用于各种工程建筑。但是混凝土容易产生裂缝，对耐久性造成影响。混凝土结构产生裂缝的主要原因：①构造处理不当造成的裂缝；②混凝土干缩引起的裂缝；③由于碱-骨料反应引起的裂缝；④由于外界温度变化引起的裂缝；⑤由于钢筋锈蚀引起的裂缝；⑥由于荷载作用引起的裂缝；⑦由于太阳辐射、混凝土老化、徐变及疲劳作用引起的裂缝［1］。关于混凝土裂缝的修补方法主要有结构加固法、表面处理法、灌浆法、填充法等［2-3］。

目前工程上常用的桥梁混凝土修补维护方法［4］：①表面涂抹法，也称表面密封法或涂抹封闭法，适用于宽度＜0.2 mm的微细裂缝的修补，也可用于混凝土外表面的装饰和防水处理，以防止混凝土保护层的碳化和有害离子对混凝土的腐蚀；②灌浆法，灌浆法分为水泥灌浆法和化学灌浆法。其中裂缝深度大于保护层厚度的混凝土结构宜采用灌浆修补；③粘贴纤维布法，碳纤维材料的抗拉强度高，而密度则不足钢的1/4，厚度只有1.0 mm，在进行修补时不增加结构重量。此方法用结构胶将碳纤维材料粘贴在裂缝处进行裂缝修补，可以提高结构的承载力，能够显著提高构件的强度和延性，不需要特殊养护，不受环境条件限制、施工速度快，操作简单，无需大型设备。近几年，纤维布在土木工程中的应用一直是国内外研究的重点。

余江滔等［5］以相似比为1∶4的双跨8层混凝土框架模型为试验对象，在不同地震作用下，分4个阶段对模型结构进行模拟试验，框架模型损坏后，对框架损伤区域的裂缝进行环氧树脂注胶修复，然后对框架模型输入与初次振动台试验相同的工况进行再次试验，并比较混凝土框架模型在初次和再次振动台试验中动力特性指标的变化特点，对不同地震作用下注胶修复前、后的混凝土构件开裂、压碎等破坏形态以及模型结构层间刚度的对比分析。结果表明，采用环氧树脂注胶修复技术可以有效地修复震损后的混凝土框架结构。

裂缝修补的另一项技术是自愈合技术，美国伊利诺斯大学的 Carolyn Dry和日本东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘结剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，一旦混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心纤维破裂，粘结液流出渗入裂缝，粘结液可使混凝土裂缝重新愈合，但价格昂贵［6-7］。

在青藏高原地区海拔高、气温低、昼夜温差大、空气稀薄、干燥少雨、高寒缺氧、空气透明度高、太阳辐射异常强烈，大部分地区年平均气温在0℃以下，多年冻土地区的年平均气温则在-2℃以下。高原上的空气非常干燥，全年平均绝对湿度只有同纬度平原的1/3，年平均相对湿度为50%～60%，青藏高原地面平均气温与同纬度地区相比要低10～14℃。特别是在夏季，藏北高原比同纬度的我国平原地区日平均气温低20℃［8］。青藏高原的低温环境使修补材料不能正常固化，不能正常提高修补材料强度，同时低温环境下材料的流动性降低，影响施工效率。由于气候条件恶劣，致使常用的修补技术在高原地区使用具有一定的局限性，不能达到预期的修补效果。因此有必要开展适合于高原地区混凝土裂缝修补技术的研究。本文通过试验研究，分别在混凝土裂缝修补配胶阶段和固化阶段给出了适合于高原地区使用的水浴加热配胶法和保温固化法。

2　修补技术研究

受高原恶劣环境条件的限制，用常用的混凝土裂缝修补工艺对高原环境下混凝土裂缝进行修补时，已进行裂缝修补的混凝土构件存在修补材料脱落、掉皮、开裂等现象，其工程效果降低甚至完全失效。针对青藏高原的低温环境特点，在施工阶段研究了水浴加热配胶法，在固化阶段研究了保温固化法。

2.1水浴加热配胶法

高原地区气温低、风速大，修补材料的热量容易流失，导致修补材料的流动性差，不便于施工。较低的温度还容易使修补材料过早的凝结硬化，而不是正常固化，造成强度不能正常提高。为了克服现有技术在高原地区应用的局限性，减小环境对修补工作的影响，我们提出了在配胶阶段采用水浴加热法，为修补材料提供必需的热量，增加其流动性，也可以避免明火直接加热而带来的安全隐患，且不会使修补材料干结硬化。

水浴加热配胶法：先向水浴槽中注入一定量的水，控制水量距水槽上边缘一定距离，为配胶操作留好富余量；然后启动发电设备，发电设备给加热设备提供电能，加热设备开始加热水浴槽，同时将修补胶注入配胶容器，将配胶容器放入水浴槽内，边搅拌边加热，至搅拌均匀即可进行施工。加热过程中，水温控制在50± 5℃，因为在高原地区水的沸点降低，水的温度太高容易造成水的沸腾，不便于配胶操作，且容易烫伤工作人员，再者沸腾的水也有溅入修补胶内的可能，影响修补胶的性能。加热后的混凝土裂缝修补胶本身具有热量，流动性较好，能够提高工作效率，并可以抵抗高原低温环境导致的热量流失所带来的不利影响，保证工程效果。

2.2保温固化法

青藏高原地区气温低、风速大，日落之后气温更是快速下降，在较低的温度下，修补胶不能正常固化，影响强度提高。因此在高原地区混凝土裂缝修补完成后，需要采取保温措施，对修补部位进行保温防护，以保证修补胶固化需要的温度条件。

2.2.1保温试验

在青海省格尔木进行了保温试验，保温材料采用纳米保温棉。混凝土裂缝修补完成后，用保温材料将修补后的混凝土构件进行全封闭包裹，封闭范围应大于修补区域边缘15～20 cm。保温材料需要搭接时，搭接长度≥20 cm。之后在保温材料外用铁丝螺旋式缠绕绑扎，螺距≤15 cm，在上下边缘处做好固定措施。利用保温材料导热系数低的特点，保护修补材料的热量不易散失，同时可以隔绝外部低温空气接触混凝土构件的修补处，保证修补材料固化需要的温度，从而使修补材料能正常固化，强度提高，保证裂缝修补效果。

2.2.2试验结果

对用保温材料全封闭包裹后的内部温度和外部环境温度进行监测，在内部的不同位置随机布置9个温度监测点，外部环境温度布置3个监测点，环境温度数据已进行了平均，温度对比见表1。

表1　保温材料包裹下内部温度与外部环境温度的对比　℃

从表1监测数据可见，凌晨前后，内部温度比外部环境温度高出近5℃，保温材料的保温效果比较明显。日出之后外部环境直接受太阳照射，温度首先升高，因此在早晨08：00的时候，环境温度高于内部温度，但内部温度仍在10℃以上。2015年6月3日出现阴天情况，白天的环境温度在13：00时低于10℃，但内部温度仍能保证在10℃以上。从监测到的温度数据可知，采用保温固化法可以保证修补材料正常固化需要的温度条件，保证混凝土裂缝修补效果。

裂缝修补后修补材料一般需要5 d即可完成固化，保守起见，建议保温防护措施5～7 d拆除，拆下的保温材料可以继续使用，节约材料，保护环境。

2.3施工时间控制

根据风火山冻土观测站气象资料，每年7—8月份，气温在10℃以上的时间区间一般在每天的09：00 ～20：00；每年5月、6月和9月，气温在10℃以上的时间区间一般在每天的10：00～19：00，出现异常天气时，该时间区间还要缩短。2013年8月7日和8月15 日2天的日气温变化曲线见图1、图2，从图可知青藏高原地区一天内的气温波动较大，8月7日出现阴天、大风天气，因此气温偏低，并且在03：00～08：00出现了负温现象，当天最低气温只有-3.0℃左右，最高气温低于10℃。8月15日气温在10℃以上的时间段为09：00～20：00，日落之后气温迅速降低。

图1　风火山2013年8月7日各时气温变化曲线

图2　风火山2013年8月15日各时气温变化曲线

风火山2013年月平均气温变化曲线见图3，2014年月平均气温与各月气温气候标准值变化曲线见图4。从图3、图4可见，月平均气温最高的为7，8月份，平均气温在5～10℃。根据对气温数据的分析，在高原地区最佳施工时间宜在7，8月份开展，时间段应保证在09：00～19：00。高原的低温环境不利于混凝土裂缝的修补工作，且修补效果难以保证，因此必须要做好保温防护，当天混凝土裂缝修补施工完成后，应当在19：00之前按照保温固化法所述，用保温材料将修补后的混凝土构件进行全封闭包裹。

图3　风火山2013年月平均气温变化曲线

图4　风火山2014年月平均气温与各月气温气候标准值变化曲线

3　结论

1）采用水浴加热法加热混凝土裂缝修补胶，可以使胶体自身具有一定的热量，增加胶体流动性，提高工作效率，并可以抵抗高原低温环境导致的热量流失，使胶体有较好的固化温度，保证工程效果。

2）保温固化法是采用保温材料对修补后混凝土构件进行全封闭保护，利用保温材料的隔热作用，保护修补胶自身热量不流失，同时隔绝外部冷空气与混凝土修补构件的接触，使修补胶能正常固化，保证修补胶体强度较好的提高。

3）结合高原地区的气温监测资料，为了保证修补效果，给出进行混凝土裂缝修补施工的最好时间是每年的7，8月份，并且应在09：00～19：00开展修补工作。

［1］屈文俊，车惠民.裂缝对混凝土桥梁耐久性影响的评估［J］.铁道学报，1997（4）：90-98.

［2］王燚，李振国，罗兴国.混凝土裂缝的修复技术简述［J］.混凝土，2006（3）：91-93.

［3］张芳.混凝土裂缝修复技术及材料的研究［D］.大庆：大庆石油学院，2009.

［4］范玉波.西北地区桥墩混凝土修补及防护技术研究［D］.兰州：兰州交通大学，2011.

［5］余江滔，张远淼，陆洲导，等.注胶修复混凝土框架结构模型振动台试验［J］.土木工程学报，2012，45（增1）：208-212.

［6］HIRAISH H.Smart Structure System［J］.Concrete Journai，1998（1）：11-12.

［7］侯子义.裂缝自愈合混凝土研究现状与发展趋势［J］.中南公路工程，2005，30（1）：165-167.

［8］中铁西北科学研究院有限公司.青藏高原冻土区气象、冻土及工程综合监测研究［R］兰州：中铁西北科学研究院有限公司，2006.

（责任审编葛全红）

Repairing Technology of Concrete Crack in Plateau Area

NIU Dongxing1，2，HAN Longwu1，ZHOU Youlu1，ZHAO Xiangqing1，TANG Caimei1
（1.Northwest Research Institute Co.，Ltd.of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China；2.China Railway Chengdu Rail Transit Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China）

In the Qinghai-T ibet Plateau，the temperature difference between day and night，the sun radiation and other adverse weather conditions cause the difficulty in conventional concrete crack repair technology，requiring special measures.In this paper，the application of crack repair technology was introduced.W ater bath heating mixing used in the curing stage and material insulation curing method in consolidation stage were applied.Both of these two methods can protect the heat loss of the mending glue，so as to ensure the engineering effect.In addition，the appropriate time for the concrete crack repair work was suggested based on the temperature in the plateau area.T he most appropriate time is in July and August，repair work should be carried out in 09：00～19：00.

Plateau area；Concrete crack；Repair technology

U443.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.38

1003-1995（2016）08-0153-04

2016-02-25；

2016-04-15

中国中铁股份有限公司科技研究开发计划（2012-重大-7）

牛东兴（1981— ），男，高级工程师，硕士。