大型垂直墙面平整度矫正的新方法

李 志

(徽商职业学院，合肥 230000)

0 引言

在结构建造过程中，应确保满足强度、美学或任何其他功能方面的要求和规范。这些规范通常由设计师与业主协商决定，是所有施工相关文件的组成部分。特殊的结构需要特殊的规范，当结构涉及到材料、构件和组件的使用时，则可以被认为是特殊的，这些材料、构件和组件不使用常规的施工方法建造。通常，这样的组件有特殊的使用要求或比正常结构有更窄的公差限制，比如，机械地基或某些工业地板的平整度要求。如果无法理解和遵守这些特殊要求，可能会导致结构不能完全发挥其功能并会增加维修工作量，从而导致经济成本和时间成本超支。

据报道，Walsh等[1]人在工业地板的背景下讨论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讨论了混凝土建筑的平度。这些研究的波动范围为3.2～25.4 mm。然而，在文献中很少发现涉及垂直面矫正的研究。垂直面矫正与水平面矫正所面临的挑战是不同的，在本文的后续部分中已进行了详细讨论。此外，在这两种情况下(工业地板和住宅地板)的结构要求几乎总是大大低于预期的反作用力墙，反作用力墙面很可能受到较大的力。

在完成一个大的L形预应力带有紧密间隔的小圆形开口的混凝土墙时，发现施工不符合表面平整度规范的要求(3 m直边偏差3 mm)。这堵墙是伪动力测试设施(PDTF)的一部分，用于测试不同荷载条件下的结构和结构构件，包括荷载的动态应用。本文讨论了：1)为检查墙壁垂直表面的平整度而设计的方法的详情；2)用于修复的材料和方法的细节。为了完整性，本文还包含了项目案例的简要描述。

1 实验案例描述

1.1 实验目的

为了评估结构的抗震性能，在实验上理解它们对地震荷载的反应是至关重要的，使用一个合适的原型来承受可能的地震地面运动。由于对这些原型结构进行标准振动台试验的成本过高，伪动力试验(PDT)方法已经被广泛使用[5-6]。该方法为大型结构及其构件的结构性能提供了可靠、经济、高效的试验评估[7]。伪动态测试装置(PDTF)包括一个反力地板和一个L形反力墙，前者用于将结构刚性地固定在其位置上，后者用于支持伺服液压激振器，对试件施加侧向荷载，并能抵抗激振器所施加的反作用力。为了便于结构在水平方向上的双轴运动，荷载必须从两个正交的方向施加[7]。

1.2 实验布局

PDTF的示意图如图1(a)所示；反作用力壁截面如图1(b)所示。尺寸：长墙15.0 m×10.5 m×2.0 m，短墙10.0 m×10.5 m×2.0 m，坚固地板15.0 m×10.0 m×1.2 m。3室箱形大梁高度为2.2 m，该组件由750 mm厚的筏支撑。整个设备安装在一个15 m高的建筑内，配有一个200 kN的电动高架起重机，以方便试样的施工和测试。

(a)PDTF示意图

(b)PDTF剖面图1

1.3 激振器系统

可以注意到，激振器的期望负载能力取决于要测试的结构刚度。初步分析，发现根据FEMA 461(FEMA 2007)规范，在原型结构(3层以下钢筋混凝土建筑)上，将使用多个承载能力为±500～±2 000 kN的伺服液压激振器进行循环加载。

1.4 建造材料和方法

反力墙采用特征强度为45 MPa(M45)的预应力混凝土结构(IS 456：2000)。为了定位用于固定试件和激振器的地脚螺栓，如图1(b)所示，将长2 m、直径60 mm的钢套管定位。

原型结构的PDT需要应用大的力(1～2 MN)，使用高力伺服液压激振器，通过钢基板对PDTF的墙壁施加大的反作用力。图2(a)显示了激振器安装的细节，强调了壁面平整度的重要性。需要注意的是：1)激振器施加载荷的方向与受支撑平面垂直，施加载荷的方向影响动态测试结果的可靠性。当支撑面不平坦时，施加荷载的方向会偏离预期方向，在试件中产生附加应力，严重影响观测结果。2)PDT中使用的加载通常是动态的和循环的，因此需要尽一切努力确保加载方向不会在加载周期中发生变化。3)如果激振器被支撑在如图2(b)所示的波状表面上，则在施加载荷时存在偏心，这将导致额外的不理想的轴承应力，进而可能导致局部失效，如混凝土压碎和裂缝。混凝土构件的表面起伏，尤其是地板，平整度要求非常严格，必须遵守，以避免高强度压力和裂缝的产生[8]。

图2 激振器安装示意图

1.5 墙面平整度规范

ACI 117—06(ACI 2006)《混凝土施工和材料允许偏差》规定：根据结构的使用一般混凝土平面的平整度标准，分为5类：常规平整、中度平整、平整、非常平整、和超级平整，3 m直边允许的最大偏差分别为13 mm、16 mm、6 mm、5 mm和3 mm。由于没有关于垂直面的相关文件，考虑到在实验设施运行期间可能施加的重负荷，本案例采用了最严格的ACI 117—06(ACI 2006)《混凝土施工和材料允许偏差》要求(3 m±3 mm)。

1.6 墙面平整度观察

在施工结束时，发现墙体的实际波动远远超过了要求的极限，平均约为每米波动35～40 mm，并可能危及任何动态测试结果的可靠性，且对墙体造成损害。因此，提出了修正壁面波动和达到所要求平整度(3 m±3 mm)的新方法。

2 反力墙面波动的矫正

2.1 测量不合规程度

矫正墙壁的第一步是确定波动的程度。有几种方法可以确定平面度标准的不符合程度，包括使用直边、轮廓仪、水位压力计系统、激光扫描仪和旋转激光工具[9]，每一种都有一些优点和缺点。例如，直边和水位压力计的使用方法简单，但剖面的确定非常费时费力。此外，测量是不连续的，高度依赖操作者[10]。轮廓仪以预定的模式在表面上移动，测量平面缺陷，然而数据不是连续的，需要表面接触[9]。最近也有人建议使用基于激光的工具，如使用激光扫描仪和旋转激光工具[11]来测量表面轮廓。虽然激光扫描仪可以有效地测定表面轮廓，可其分辨率不高，但成本高。分辨率高低取决于采样步骤和激光束的宽度，虽然激光束的宽度不容易被改变，但确实可以适当调整参数。对于一个大的采样步骤，获得的数据是不准确的，因为许多有用的特征可能没有被记录下来，这个问题可以通过减少采样步骤来解决，但这会导致产生大量的数据，需要一个合适的系统来存储和分析数据，以获得有用的信息。因此，需要选择一个优化的采样步骤来获取有用的信息。许多研究计算了激光扫描仪的空间分辨率，发现分辨同一视线上的两个物体的最大分辨率为3～4 mm，相邻视线上的两个物体的最大分辨率为10～15 mm[11]。旋转激光工具相对便宜，可生成一个假想的平面，可使用线性比例尺记录测量数据，如图3所示。虽然前述工具已用于水平混凝土地板，但它们的适用性尚未在垂直表面得到评估，在这方面的一些相关问题将在接下来讨论。

图3 波状面到假想垂直平面的水平距离的示意图

1)需要设计一个适当的夹具，以保持任何设备在其垂直表面的位置。但在测量水平表面的平整度时不会遇到这个问题。

2)在水平地板的浇筑过程中，表面光洁度的质量更容易被控制。对于垂直墙，只有在浇筑混凝土之前，才能检查和确保模板的平整度。只有当混凝土已经硬化，将模板移开后，才能发现成品表面的所有不合格之处。

3)评估墙面平整度面临的进一步挑战是均匀间隔的空腔墙不允许被连续测量。此外，没有足够的空间方便安装设备。

考虑到这些问题，使用旋转激光刀具的原因有：

1)为了测量离边缘的线性距离，需要构造一个合适的机构来爬升10.5 m，这构成了进一步的约束。

2)垂直表面不可能使用普通的水压力计。

3)Tang等[10]人和Kim等[12]人认为扫描仪的选择、使用的算法以及物体到扫描仪的距离都会影响缺陷的可检测性。因此，即使可以采取适当的措施来确保适当的采样步骤，使激光扫描仪获得可接受的分辨率，在建筑物中也没有足够的空间来确保设备和墙壁之间所需的间隙。

4)轮廓仪需要沿垂直壁面上的固定路径移动。虽然在水平表面上移动轮廓仪很容易，但要使轮廓仪在垂直表面上移动并保证其与表面的接触，就需要设计一个合适的机构来安排轮廓仪，使其在壁面上移动。此外，壁面上的孔洞会影响轮廓仪测量结果的准确性。

5)旋转激光工具(精度：10 m±0.5 mm，操作范围2～500 m)在预算范围内可以随时被使用，并可在有限空间内被使用。此外，墙壁上的孔不会干扰测量系统，可以自由地在任何想要的点和想要的分辨率测量深度进行测量。此外，考虑到场地的限制，工具的位置可以很容易地被调整。在本例中使用的线性比例尺的计数最少为0.5 mm(即，可以实现0.5 mm的分辨率)。除了确定不平整程度，在矫正过程中还需要一个工具来检查平整度，为此，旋转激光提供了一种简单高效的方法。

通过测量旋转激光刀具产生的虚平面与壁面在不同点处的距离，可以得到表面波动的定量信息。一个300 mm×300 mm网格被标记在墙壁壁面上。用线性比例尺在网格的不同点上测量由旋转激光工具产生的假想平坦垂直面的距离。该刻度的分辨率为0.5 mm。正在进行的测量的照片如图4所示。为了验证测量结果，使用总测量值确定了套管孔在管壁前表面的中心位置，得到的数据与旋转激光刀具测量的结果一致。根据长壁上不同点的距离测量得到的结果如图5(a)所示。由图5(a)表面轮廓确定，整个墙面最大高程点与最大落差点之间的距离为39 mm。

图4 从旋转激光刀具产生的平面上进行的线性测量

从图5(a)可以看出，任意3 m长度之间的表面波动超过了3 mm。为了更好地理解不合规程度，在图5(b)和图5(c)中，分别在A—A和B—B两个位置绘制了沿墙长度和高度的表面轮廓。从图5(b)可以看出最大和最小波动的差值是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，从图5(c)可以看出，在0～3 m之间，最大波动点和最小波动点的差值分别为5 mm，3～6 m之间的差值为9 mm，6～9 m之间的差值为15 mm。在这些部分的墙体表面长度超过3 m的波动超过了3 mm。对壁面的任何其他部分进行类似的测试，也会反映出类似的不合格轮廓。因此，该墙体表面具有高度的不合规性。

(a)使用旋转激光工具测量波状壁面的表面轮廓

(b)沿A —A方向的表面轮廓

(c)沿B—B方向的表面轮廓图5 测量结果

2.2 表面波动的矫正

原则上可以采用两种方法来消除波动，保证平面度。为了以图形的方式说明这些原理，图6给出了波形表面的示意图。AB、CD、EF这3个面已经在这个图中显示出来。AB面为起伏的混凝土表面。第一种方法涉及去除多余的沉积材料并产生一个平面CD，第二种方法涉及沉积额外的材料并产生一个新的平面EF。在文献中已经确定了各种矫正方法，通过使用研磨机[13]、调平化合物[14]和水泥砂浆抹灰[15]来矫正水平和垂直混凝土表面的波动。

关于矫正过程的考虑：

1)L型墙的尺寸比普通混凝土墙大。

2)紧密间隔的圆形开口遍布整个墙壁。必须确保在矫正过程中，用于固定激振器所使用的螺栓的钢套是对准的，是不受干扰。

3)在试验过程中，墙体可能承受较大的动荷载。

图6 矫正波状表面的选择

综合考虑前述因素，设计了壁面矫正策略。接下来也讨论了在规划阶段所考虑的其他各种方案。

曾考虑过磨墙的方案，但由于以下原因而被排除：1)墙体采用M45级混凝土施工，表面磨床不能有效地研磨具有高抗压强度的墙壁；2)所需研磨的范围相当大(可达40 mm)，磨墙40 mm将严重减少覆盖的加固和管道；3)地面面积非常大(610 m2)。因此磨墙非常不经济。

至于第二种选择，即沉积额外一层，则需要确保覆盖层材料具有以下特点：1)足够高的强度，最好与现有墙面的强度相匹配；2)制作出符合平整度要求的光洁度；3)与现有表面形成完美的结合。

与在水平面上铺设覆盖物相比，在垂直平面上铺设覆盖物需要特别的考虑。由于重力的作用，在水平面上铺设覆盖物很容易，但对于垂直表面，必须采取适当措施，防止覆盖层材料在重力作用下脱落或剥落。本文考虑的覆盖材料：

1)考虑了用合适的水泥砂浆抹墙的想法。就光洁度、所需材料、设备和熟练工人的可用性而言，该选项是可行的选项之一。然而，现有的建筑机构未能设计出一种经济上合适的混合料，以匹配M45级混凝土的强度。此外，在有圆形开口的墙面上使用常规的灰泥是另一个挑战，所以，不考虑选择灰泥。

2)考虑到强度和黏结要求，用纤维增强混凝土(FRC)涂覆墙体的选择也被考虑了，似乎是可行的。然而，当使用FRC在起伏的墙面上创建一个试贴片时，观察到表面过于粗糙，因此放弃了该方案。

3)尺寸约为1 m×0.6 m的环氧树脂(Araldite GY257、Aradur 140和二氧化硅填料)的样品贴片也显示出较差的整理效果，因此没有进一步考虑该选择。

4)商业生产的微混凝土以及合适的黏结剂被视为合适的覆盖层。微混凝土是一种混合了所有干原料的混合物，只需要在现场与水混合，就可以生产出所需规格的胶凝砂浆。

除从厂家得到的各参数值外，现场还进行了微混凝土抗压强度和黏结剂粘结试验。浇筑3个边长为70.6 mm的立方体，并按照IS 4031-6：1988(2005年确认)《水凝水泥的物理试验方法 第六部分：非砌筑水泥的抗压强度测定》的规格测量抗压强度。对3个立方体进行测试，平均抗压强度为48.54 MPa，高于预期强度45 MPa。

为了确保黏结剂在母材混凝土和微混凝土层之间提供足够的黏结，按照ASTM C 1583(ASTM 2013)《使用直接拉伸(拔出法)测定混凝土表面抗张强度和混凝土维修和覆盖材料粘结强度或抗张强度的标准试验方法》的规范进行了拉拔试验。用M45级混凝土浇筑边长为550 mm的立方体。28 d后，在立方体的垂直面上涂上一层黏结剂。在涂有黏结剂的垂直表面，按照反应墙整流过程中所采用的程序涂敷30 mm的微混凝土层。一旦确定微混凝土获得了足够的强度，就进行拉拔试验。在微混凝土中钻取一个50 mm的芯，并用黏结剂将测试盘放置在芯的顶部。在黏结剂充分硬化后，用拉脱测试仪将芯抽出。失效的岩心和测试盘如图7所示。从图7可以看出，破坏面出现在母材混凝土中，微混凝土和黏结剂层保持完好。试验得到的拉脱值为3.59 MPa。因此，保证了微混凝土加铺层与现有墙体表面之间形成足够的黏结。拉拔试验也证实了微混凝土的强度大于原混凝土。所选微混凝土与黏结剂在以下方面具有优势：

1)这是可流动的，因此几乎不涉及压缩的使用；

2)保证了良好黏接；

3)硬化表面不收缩脱落；

4)微混凝土抗压强度>45 MPa，保证了加铺层材料强度达到预期要求。

5)达到了光洁表面的要求。

图7 拉拔试验后的破坏块照片

2.3 微混凝土在墙体表面的应用

微混凝土的厚度在墙体表面的不同位置随波动程度而变化。

根据制造商的规定，微混凝土最小厚度必须为15 mm。以最大标高点为参考，墙体表面任意点混凝土微层厚度(图6中以T表示)可表示为

T(mm)=15+凹陷深度(mm)。

(1)

因此，一个新的表面用覆盖层构造，厚度从15～54 mm不等。额外的微混凝土护套需要一个特别设计的模板，在孔的位置有匹配的杆，以确保钢套筒不会被微混凝土填充。微混凝土的逐步浇筑过程：

1)在待处理的墙面上涂上一层黏结剂。黏结剂的最大覆盖时间为12 h。根据厂家的规范，微混凝土应在黏结剂黏未干的情况下使用。

2)使用了尺寸为1 m×2 m，厚的25 mm的透明亚克力板材。透明的亚克力板要确保清除了所有夹带的空气，必要时可使用振动器。如此选择主要是考虑可施工性：①在浇筑过程中监测微混凝土的适当流动并避免蜂窝化;②每个(亚克力)板的重量，这是决定其是否易于安装和处理的关键参数。

3)压克力板被固定在一个螺母螺栓系统上，该系统焊接在现有的低碳钢套筒板上。图8为亚克力板模板用螺栓固定焊接在钢套上。

图8 用于放置微混凝土的丙烯酸模板

4)使用旋转激光工具在螺丝螺母的帮助下，将亚克力板的垂直平面从墙面调整到所需的水平(由(式)1控制)。

5)坚固的圆柱形加工木块被插入现有的墙壁孔中，并通过螺丝用亚克力百叶窗板固定。插入套管中的木制圆柱体如图9所示。

6)边缘的亚克力板模板也使用特殊的角度部分来固定材料。

7)微混凝土是通过漏斗灌注的。虽然不建议在微混凝土中使用振动器，但微混凝土是用直径为8～10 mm的钢筋进行夯实的，以消除气泡。

8)在微混凝土最终定型后(大约16～24 h)，亚克力板模板被拆除，同样的过程在L形墙的整个表面重复。应用于墙面的微混凝土面板如图10所示。

图9 用于防止钢套管内的微混凝土进入的木制圆柱体

图10 墙体表面硬化的微混凝土

9)微混凝土层养护1周后，在处理后的墙面涂上利图林基表面硬化剂。

10)用于支撑模板的螺栓的投影部分在处理过程完成后被切断。

一次使用2～3个1.0 m×2.0 m面板，加上墙面面积大，几乎花了1年6个月的时间完成了整改工作。整改工作涉及到10.5 m脚手架的施工，明显增加了整改过程中的工作量。

2.4 验证

为了确保表面重铺的实现，使用旋转激光工具再次确定表面轮廓。经过矫正处理后得到的表面轮廓如图11(a)所示。大部分墙体表面的最大高程点与最大下陷点之间的距离为3 mm，除了单点测量(红色所示)，距离由激光旋转工具产生的虚拟表面是10 mm。因此，矫正壁面的平整度达到了3 m±3 mm的要求。为了更好地了解矫正壁面的梯度，图11(b)和图11(c)分别绘制了整流壁面A—A和B—B截面的表面轮廓。从图11(b)可以看出最大和最小波动的差值是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，从图11(c)中可以看出，在0～3 m，最大波动点与最小波动点的差值为1 mm，3～6 m的差值为1 mm，6～9 m的差值为2.5 mm。墙面3 m以上的波动<3 mm。对不同剖面的表面轮廓进行类似的研究结果表明，除了最大高程点(10 mm)附近的区域外，其余区域均符合所需规格。因此，表面梯度在期望的公差范围内。矫正前后的表面轮廓对比如图12所示。从图12中可以看出，在矫正之前，墙体的坡度远远超过了允许的限度，矫正过程能够产生一个具有所需坡度的表面。

(a)矫正表面轮廓

(b)A—A表面轮廓(矫正)

(c)B—B表面轮廓(矫正)图11 矫正后的表面轮廓

图12 矫正前后表面的波动程度

3 结论

平整度矫正对于实验和工业应用具有重要的研究意义。如果无法达到要求，可能会导致设备功能失效，从而耗费更多经济成本和时间成本。由于以往的研究集中在水平地面的平整度上，因此，本文针对垂直墙面建立了一种用激光工具测量垂直表面平整度，以及使用微混凝土作为覆盖材料进行平整度矫正的新方法和行之有效的整套流程。在矫正之前，墙面的坡度远远超过了允许的限度，经过本文所采用的平整度测量、矫正以及应用微混凝土等一套完整流程后，垂直墙面的平整度达到了要求。试验结果证明：1)旋转激光工具最适合于垂直墙面平整度缺陷识别；2)采用可流动、不收缩的微混凝土结合黏结剂，有助于使混凝土的平整度达到预期的要求。