水泥基增韧材料用于隧道衬砌加固的研究

高艳力

摘 要：本文主要介绍水泥基复合材料的基本性能以及相关试验方法，对不同纤维种类、不同纤维掺量的水泥基复合材料进行力学性能研究比较。

关键词：水泥复合材料;试验方法;纤维种类;纤维掺量

引言

水泥基复合材料是以硅酸盐水泥为基体，以玻璃纤维、合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性能纤维、以及矿物纤维等为增强体的复合材料，具有高延性、高耐久性等特性，是一种基于微观断裂力学的材料设计方法，经系统设计，在拉伸和剪切荷载下表现出高延展性复合材料。水泥基复合材料中纤维体积掺量仅为2%，但其拉伸应变却大于3%，远高于普通纤维混凝土和钢纤维混凝土[1]。在荷载作用下开裂后，水泥基复合材料表现出类似金属在单轴荷载作用下的应力 - 应变关系，即所谓的应变强化效应。这种优良的力学性能，克服了混凝土开裂后，应力迅速降低，裂缝急速开展的缺点[2]。

1、隧道加固工程情况

1.1隧道基本概况

三架岭隧道（左幅）位于本桓线（S305）本溪市满族自治县镜内，中心桩号为 K25+740，竣工通车日期1974年11月;全长为790.00m;隧道路面净宽7.4m，两侧各设0.68m 的人行道，路线中心线位置垂直净高5.0m，隧道位于直线段。隧道内纵坡为“人字坡”，小市侧（大桩号侧）至隧道内320m 为上坡，坡度为0.3%，本溪侧（小桩号侧）至洞内为上坡，坡度为1.7%。隧道内未设排水系统，通过路侧明排排水。进口侧、出口侧洞门形式均为端墙式洞门。衬砌材料为钢筋混凝土;断面形式为直墙式三心圆拱; 路面面层类型原为水泥混凝土路面，后加铺沥青混凝土;前进方向右侧配置照明灯具，未配置通风设施、监控设施及消防设施。该隧道行车方式为单向行驶。

1.2     隧道破损情况

据检测，隧道裂缝形式主要有：环向裂缝、斜向裂缝、边墙竖向裂缝、拱腰及拱顶纵向裂缝，共计154条;其中隧道衬砌环向裂缝有105条，约占总数的68%，斜向裂缝有16条，约占总数的11%，边墙竖向裂缝有2条，约占总数的1%，拱腰及拱顶纵向裂缝有31条，约占总数的20%。隧道渗漏水现象较普遍，渗水部位多集中在裂缝处，局部有泥浆露出。二次衬砌中拱顶、拱腰和边线处混凝土均存在明显的欠厚现象。隧道边墙、拱腰和拱顶处的二衬存在不同程度的空洞、不密实或脱空现象，其中拱顶、拱腰测线脱空严重。

1.3     隧道修补方案

如衬砌混凝土裂缝宽度<0.15mm，且无明显的剪切滑移、渗水迹象，对结构的强度、刚度、稳定性会产生一定的影响，但不影响结构安全和正常使用，可采用直接涂抹法进行封闭处理，涂抹材料建议采用水泥基渗透结晶型材料。

对宽度≥0.15mm 的裂缝，采用压注化学浆液封堵的措施，其化学浆液采用环氧浆液。拱圈衬砌存在宽度在0.5mm 以上的纵向及斜向裂缝的部位，选择部分裂缝，开展裂缝和断面变形的跟踪监测，掌握裂缝和断面变形的发展趋势;对于裂缝较宽、水迹明显的裂缝，设置相应的引排措施;其它裂缝采用环氧树脂灌封处理。

对于衬砌裂缝呈横纵向交织，并且混凝土局部存在蜂窝麻面、缺损、露筋等病害的区域，采用增加碳纤维格栅法加固，布置碳纤维格栅后采用4cm 后超高韧性水泥基复合材料覆盖。

2、水泥基增韧材料原材料及配合比

2.1     原材料

水泥：坚霸牌 P.O42.5级硅酸盐水泥; 粉煤灰：铁岭 I 级粉煤灰;

外加剂：聚羧酸高效减水剂、早强剂、速凝剂; 砂：细度模数为1.8-2.0的河砂;

水：自来水;

纤维：日本可乐丽 PVA 纤维;

2.2     水泥基增韧材料配合比如表2.1所示

3、现场施工情况

（1） 施工前，须对隧道原衬砌与水泥基增韧材料结合部位进行充分凿毛，要彻底消除构件表面的抹灰层和已软化、风化、变质层，应露出粗骨料;本工程采用水力磨毛法或人工磨毛的方式将所有污垢、油脂、油污、水泥浆和养护化合物从混凝土、砂浆和石头上除去，并露出粗糙的混凝土或砌体结构的表面。

（2） 跟据所需浆料的状态，调整水胶比将砂浆混合料和水加入到砂浆搅拌器中。使用低速钻头和叶板进行搅拌。搅拌3-5分钟，至水泥基增韧材料混合均匀如图3.1所示。

（3） 第一層砂浆的喷射施工，在粗糙的结构表面喷射第一层的水泥基增韧材料，如图3.2所示，第一层水泥基增韧材料的厚度为1-1.5cm，要确保喷射施工后砂浆的平整度。

（4） 碳纤维网格的裁剪和铺设，喷射完第一层水泥基增韧材料后， 按尺寸对碳纤维网格进行裁剪;在第一层水泥基增韧材料砂浆表面摊铺碳纤维网格，碳纤维网格的碳纤维丝方向需与裂缝方向垂直，碳纤维网格横向搭接宽度为5cm，纵向搭接长度为20cm;确保摊铺完成后，整个碳纤维网格表面的平整度。

（5） 表面刷拭，3个小时后，用辊筒对碳纤维网格表面进行刷拭和按压，以保证层间的粘结强度，如图3.3、图3.4所示。

（6） 第二层砂浆的喷射施工，刷拭完毕后，即可进行第二层水泥基增韧材料砂浆的拌制和喷射施工，喷射混凝土的厚度为1.5cm-2cm，确保喷射完成后，无网格纤维外漏及整个混凝土表面的平整度。

（7） 砂浆的养护和表面处理，喷射完毕后，进行养护，养护7天后， 即可进行表面的外装修或涂装处理。

（8） 施工中注意事项：

a、用凿除、喷砂、酸洗、钢丝刷洗、高压水或风冲等方法，清理裂缝周围的基面;

b、将涂抹材料的各组分按比例调和、搅匀;

c、用抹子、滚筒、尼龙刷、专用喷枪等工具将混合料涂刷或喷射到基面上[3]，涂刷时应注意来回用力，以保证凹凸处都能涂上，喷涂时，喷嘴距涂层要近些，以保证灰浆能喷射进表面微孔或微裂隙中;一次涂刷厚度不宜超过0.2mm，且混合料应在规定时间用完;

d、当需涂第二层时，一定要等第一层初凝后并呈潮湿状态时进行，如太干则应喷洒些水，对基面润湿;

e、在夏季露天施工时，如温度超过30℃，建议在早、晚进行，以防止涂抹材料过快干燥失水;如在冬季施工，温度低于5℃时[4]，应采用防冻措施，对于凹陷处，涂料堆积不宜过厚，否则会引起开裂;

f、涂抹后必须加强养护，涂层初凝后宜用喷雾式方式来养护，防止洒水时涂层破坏。同时防护过程中应避免雨淋、霜冻、日晒、风吹、污水冲刷及5℃以下的低温。露天施工用湿草袋覆盖较好，如果使用塑料膜作为保护层，必须注意架开，以保证涂层的“呼吸”及通风。

4、工程用材料试验结果分析

4.1     加固用水泥基增韧材料抗压、抗折强度结果分析水泥基增韧材料抗压、抗折强度结果如表4.1所示：

由表4.1及图4.1可见，随着龄期的增长，水泥基增韧材料的抗压、抗折强度均有所增长，但增幅趋于平缓。与同标号的普通水泥混凝土材料相比，水泥基增韧材料有着更高的抗折强度，更利于提高建筑物结构的安全性。

4.2     加固用水泥基增韧材料弯拉强度结果分析

水泥基复合材料抗弯拉性能具体数值如表4.2所示：

水泥基增韧材料的弯拉性能基本能满足隧道工程修补设计的要求，水泥增韧材料的多点开裂性能更利于隧道修补材料的耐久性。图4.2、图4.3 所示，水泥基增韧材料试件在弯拉试验中显示出多点开裂的性能。

由图4.4可见，水泥基增韧材料表现出明显的韧性材料的性能，不会出现瞬间的脆性断裂。对于结构安全性而言，水泥基增韧材料显示出了优越的性能。

5、结论

（1） 水泥基复合材料具有优越的抗裂、抗弯曲性能，在室内四点弯曲试验中表现出均匀、细小、密集横向裂缝和超强的韧性，通过内部大量纤维把内部应力进行分散，因此，这种材料可作为维修加固和翻新，用来延迟碳化腐蚀，增强结构耐久性在多项工程上进行应用。

（2） 水泥基增韧材料具有超长的耐久性、高韌性以及多细小裂缝等功能，在主要大型工程中桥梁隧道广泛应用。随着纤维技术的不断发展， 纤维价钱的不断降低，水泥基增韧材料的成本也会大幅度的下降。

（3） 由于水泥基增韧材料裂缝宽度小，裂缝宽度不到0.3mm，并且有利于减少氯离子的渗透，因此具有很高的耐破坏和变形能力。

参考文献：

[1] 张秀芳， 徐世烺， 侯利军. 采用超高韧性水泥基复合材料提高钢筋混凝土梁弯曲抗裂性能研究（ II） ：试验研究[J ]. 土木工程学报，2009，42（10）

[2] Zhang J， Gong C X， Guo Z L， et al. Engineered cementitious composite with characteristic of low drying shrinkage [J ]. Cement and Concrete Research，2009，39（4） ：3032312.

[3] 陈婷， 詹炳根. 设计 PVA 纤维水泥基复合材料的研究进展 [J ]. 混凝土，2003（11） ：3210.

[4] LI V C， MISHRA D K， WU H C. Matrix design for pseudo-strain-hard- ening fiber reinforced cementitious composites [J]. Mater Struct. ，1995，28：586-595.