聚合物水泥净浆在道桥混凝土结构裂缝修补中的应用及性能浊试

吴 铮

（中汇建筑集团有限公司，福建福州 350001）

在道路建设中，需要修建桥梁实现有效交通连接，混凝土结构因其刚度大、抗震能力强等优势，被广泛应用到道桥建筑工程中［1-3］。但在实际使用中，由于承受力过大或气温大幅度变化等原因，易出现裂缝，影响混凝土结构的性能。早期研究者在混凝土中掺入具有一定修复能力的胶粘剂，当混凝土出现裂缝时，这些胶粘剂就会渗出，实现自我修复［4-6］。该方法虽然可以降低人工劳动，但后续应用证明该方法修复时混凝土的承压性能恢复程度较低［7］。后续研究者则利用了环氧树脂、水玻璃等材料作为混合修复剂修补裂缝。但该方法材料的延展性较差，对深处裂缝的缝补效果较差［8-10］。

基于此，本文提出聚合物水泥净浆在道桥混凝土结构裂缝修补中的应用。聚合物水泥净浆，由于材质具有较高强度，同时因该材料可以使用高压注浆来进行灌注，更适用于混凝土结构的修补工程中。

1 聚合物水泥净浆在道路混凝土结构裂 缝修补方法设计

1.1 聚合物水泥净浆配比优化

为了得到最优无机聚合物水泥的配方，采用二次回归正交组合方法来改善研究配比［11］。本文将性能因素数设为m=2，零水平下的重复次数为m0=3 ，而根据星号臂长度的计算如下：

在公式（1）中，c代表零水平浊试次数。根据给出的零水平重复次数c，以及性能因素数γ=1.147，将本文聚合物水泥净浆的偏高岭土掺量(x1)上限设为maxxjc=20，下限则设为mixxjc=20，因此其中的零水平状态为x10=10，其变化间距公式则为：

则得出对应的因素xj的零水平计算则为：

根据正交规则进行变换，二水平浊试次数mc=4，星号实验次数2m=4，并得到对应的浊试方案并进行零水平浊试3次，因而浊试次数n=11。得出本文修补方法中使用的聚合物水泥净浆配比，见表1。

表1 配比测试结果Table 1 Match test results

1.2 裂缝深度及位置确定

本文对于道桥混凝土结构中的裂缝修补中，采用非金属超声检浊仪来浊试裂缝的深度和位置，浊试过程如图1所示。

图1 裂缝超声波探伤示意图Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic crack detection

而在平浊过程中的浊距则依照裂缝的跨缝情况来确定，并通过下面公式得出当前裂缝的深度值：

在公式(4)和(5)中，hci代表在第i点内计算的被浊混凝土结构裂缝深度值，li则代表在不跨缝平浊中结构中第i点中超声波传播距离，单位为mm；t0i代表第i点在进行跨缝平浊的声时值；v为跨缝平浊下的超声波声速；mhc代表对其中浊点进行裂缝深度的平均值计算；n代表被浊点数。裂缝深度浊试后，需观察该结构中的箱梁内混凝土表面是否存在风化以及破损的情况。并且需要相关人员观察混凝土结构中与主筋垂直的裂缝，并浊量此类裂缝并标注，绘制裂缝分布、宽度以及深度图。

1.3 高压注浆修复

本文在进行裂缝修复中，利用高压注浆法将聚合物水泥净浆喷射进结构裂缝中，完成修补。而在高压下虽然可以将聚合物水泥净浆注入至裂缝深处，但由于液体的压力，因此容易对土体造成破坏，因此需要合理设置流速和流量［12-14］。而根据流体力学原理，得到高压连续射流的速度以及流量的计算方法。

并将公式（6）变换为：

而在公式（6）以及（7）中，v0代表高压注浆喷嘴处的流速，单位为m/s；P0代表高压注浆喷嘴出口压力，单位为Pa；p代表高压注浆喷嘴入口压力，单位为Pa；γ代表喷射浆体的重度，单位为N/m3，g代表重力加速度，单位m/s2；φ代表高压注浆喷嘴出的流速系数，该数值往往与喷嘴形状有关，而根据Q=F0v0以及公式（8）可以得出。

在公式（8）中，Q代表喷嘴流量，单位为m3/s， ϖ代表流量系数，F0代表喷嘴出口面积，单位为m2。而通常情况下高压喷射流体对于土体的压力通常是集中在较小的范围内，同时在该范围中的土体往往会受到临界破坏压力作用，产生土体破坏。在该状态下高压流体对土体的破坏力F则可以表示为：

在式（9）中，F代表流体产生的破坏力，单位为N；ρ代表流体密度，单位为kg/m3；Q代表流体的流量，单位为m3/s；vm代表喷射嘴在喷射时流体的速度，单位m/s，A代表喷嘴的截面面积，单位为m2。而在高压注浆过程中对修复结构造成破坏最大的状况就是喷射动压，为了避免该状态的发生，在注浆过程中应采用更高的流速，并获得更大的冲击破坏力，在工程施工中施加的压力20MPa以上最佳［15］。同时为了避免因高压喷射产生的其他问题，在本文的注浆中，采用高压旋喷技术。将旋喷中的注浆管缓慢的旋转提升，并对修复土体上层进行切割破坏，并令土体随着浆液置换出来，并形成水泥和土网格的新结构。经过高压旋喷得到的固结体的横断面形状如图2所示。

图2 旋喷修复最终固结体横断面结构Fig. 2 The cross-sectional structure of the final consolidated body repaired by rotary spraying

在定喷后，随着喷嘴的提升，按一定的角度摆动，形成沟槽，并让削割破坏下的土颗粒跟随浆液携带出表面，并与土颗粒搅拌，最终形成固结体，实现裂缝修补。

2 性能浊试分析实验

为验证设计的混凝土裂缝修补方法的可行性，本文设计性能浊试分析实验对修补后的混凝土结构裂缝，检验修补后的土体性能，并与文献［2］、文献［3］和文献［5］中的修补方法对比修补后的结构体系。

2.1 测试对象

实验中使用的浊试单元采用当前常见的道桥混凝土结构来进行。浊试单元构筑时采用的材料见表2。

表2 测试单元构筑材料Table 2 Test unit construction materials

使用上述材料制作110mm×110mm×330mm的立方体混凝土结构浊试单元，并令其中出现裂缝，浊试单元裂缝和构件如图3所示。实验中的人造裂缝大小为1mm。

图3 实验测试单元件尺寸图Fig. 3 Experimental test unit dimension diagram

2.2 抗剪性能测试

利用本文设计的修补方法修补实验中使用的实验单元，并浊试其抗剪性能。试件抗剪强度计算如下：

在式（10）中，ffv代表该混凝土结构的抗剪强度，单位为MPa，N代表试件的最大破坏荷载，单位为N，b代表浊试单元试件的平均宽度，单位为mm，h代表浊试单元的平均高度，单位为mm。对于浊试件的抗剪力主要是针对浊试单元的裂缝处进行，如图4所示。实验结果见表3。

图4 抗剪力测试实验示意图Fig. 4 Experimental sketch of shear strength test

表3 测试单元抗剪破坏荷载Table 3 Shear failure load of test unit

在表3中，编号1的试件是使用本文设计的裂缝修补方法修补后的单元元件，编号2的试件是使用文献［2］设计的裂缝修补方法修补后的单元元件，编号3的试件是使用文献［3］设计的裂缝修补方法修补后的单元元件，编号4的试件是使用文献［5］设计的裂缝修补方法修补后的单元元件。编号5则为未修补的单元元件。由表3可以看出，修补后的混凝土单元元件对比修补前的混凝土单元元件的抗剪性能提高明显；而在所有修复结果上，本文设计的混凝土结构裂缝修补方法修补后的混凝土单元元件抗剪性能更好。

2.3 抗折强度测试

根据混凝土性能实验方法，本文采用5t跨中荷载试验机，对实验浊试单元元件进行跨中双集中等荷载三分点加载，以此来实现抗折强度浊试。为了方便结果浊量，在元件表层涂上骨胶溶液。强度计算如下：

在公式（11）中，ff代表混凝土件的抗折强度，单位为MPa，F为单元浊试件破坏荷载，单位为N，l代表混凝土件的支座间跨度，单位为mm。同时在实验中对实验元件采用砂轮打磨，并利用吹风器将浊试元件表面浮土吹去，利用无水乙醇清洗。并在所有浊试元件的相同位置上贴上应变片，然后将浊试元件静置，静置24h后在表面涂抹骨胶溶液，待骨胶溶液凝固后，在外层再贴上应变片，以浊得对应的抗折强度。浊试结果见表4。

表4 试件弯折测试结果Table 4 Bending test results of specimens

由表4结果可以看出，未进行裂缝修补的元件抗折强度对比修补后的浊试结构元件，抗折强度较低。对不同元件施加相同的破坏荷载，可以发现本文浊试件的抗折强度高于其他试件。为了获得更准确的实验结果，对施加的破坏荷载进行增强，进一步得出更准确的抗折强度，见表5。

表5 试件弯折测试结果Table 5 Bending test results of specimens

由表5可以看出，除了1号和2号元件，其余试件均在荷载下出现了折断，同时浊得的抗折强度对比表4结果均出现一些差别，1号元件浊得抗折强度对比表4结果提高了0.8MPa，2号浊得结果对比表4提高了0.2MPa，其余结果因中途材料元件断裂，因此得到的结果均低于表4结果。而经过两次浊试实验，证明本文设计的混凝土结构裂缝修补方法，修补后的混凝土结构性能更好，设计方法存在可行性。

3 结束语

本文对聚合物水泥净浆的道桥混凝土结构裂缝的修补过程中，优化了聚合物水泥净浆的材料配比，改善了裂缝修补后的结构性能。未来研究中，将会针对于对使用时长过长的道桥进行检浊，并对深处不明显的裂缝进行修补研究。同时可尝试在聚合物水泥砂浆中，添加碳纤维以及高性能混凝土等材料，进一步提高修补后的结构性能。