聚丙烯纖維砂漿在船閘閘室墻裂縫修補中的應用

宋端想

(江蘇省皂河船閘管理所，宿遷 223801)

目前，在我國京杭運河蘇北段中，共有十座建成于19世紀80年代的船閘，由于設計尺度和水深優(yōu)良，一直以來都是船舶通行的重要通道，在蘇北運河這條“黃金水道”上發(fā)揮著舉足輕重的作用。但由于使用年代久遠，加之地基沉降、閘室墻變形以及建造時對混凝土施工質量控制不嚴格等因素，導致閘室墻出現(xiàn)裂縫。特別是近十年以來，隨著蘇北運河二級航道全面建成，船舶大型化發(fā)展迅猛，船舶碰撞閘室墻的事故時有發(fā)生，其產(chǎn)生的沖擊力進一步加深了閘室墻裂縫的發(fā)展。江蘇省宿遷市皂河二號船閘建成于1988年，閘室墻高13 m，單節(jié)長20 m，其中，多塊閘室墻出現(xiàn)沉降縫，局部破損、缺邊角、鋼筋裸露，有兩節(jié)閘室墻甚至出現(xiàn)橫向裂縫，經(jīng)查已滲水，基本形成貫通縫，嚴重威脅著船閘的結構安全。

1 閘室墻混凝土結構表面受損特點及危害

船閘閘室墻作為一種混凝土水工結構，因其結構復雜、體積較大及所處環(huán)境特殊等，主要具有如下特點：(1)易產(chǎn)生大體積混凝土結構常見的裂縫問題；(2)混凝土閘室墻頻繁遭遇船舶沖撞，除造成表面受損露石外，還易產(chǎn)生混凝土內部折斷；(3)閘室漲消水及船舶動車攪動的高速水流沖刷、水流夾砂沖磨作用下，極易造成閘室墻破損及縫隙表面光滑，進而導致修補材料黏結性能降低；(4)因船閘漲消水交替進行，導致一定高度范圍內的閘室墻長期處于水位變動狀態(tài),同時受干濕變化、季節(jié)交替影響，加速了混凝土的碳化、凍融及鋼筋銹蝕等作用。閘室墻出現(xiàn)破損不但會影響其外觀質量,而且隨著破損的發(fā)展，一旦裂縫發(fā)生滲水，會加速閘室墻內部鋼筋的銹蝕，影響結構安全，降低其使用壽命。

2 裂縫修補技術要點

對于已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的閘室墻，應及時采取修補措施。具體技術要求如下：(1)封閉性。根據(jù)裂縫分布規(guī)律，裂縫一般處于閘室墻下半段水位變動區(qū)的低水位區(qū)，閘室漲水后，裂縫承受較大水頭壓力，閘室消水后，裂縫又承受墻后土壓力。此處的閘室墻裂縫受力變化劇烈，加劇了裂縫內部混凝土毛細孔的收縮，水分子更加容易侵蝕到鋼筋，故必須做到修補后完全封閉縫隙，杜絕滲水，修補材料須具有抗裂、抗?jié)B、抗凍性能。(2)補強性。閘室墻混凝土承受船舶擦碰，即船舶在閘室內易以小角度撞擊閘室墻，其中，大型船舶的沖擊力對閘室墻的破壞極大，故要求裂縫修補后具有足夠強度，其抗壓強度、抗磨性不應低于原閘室墻C25混凝土的性能。(3)可通航性。皂河二號船閘是大型船舶的主要通道，受通航壓力影響，無法做到長時間停航維修。一旦連續(xù)長時間停航維修，勢必造成重大社會影響，故要求裂縫維修的方法和選材必須具有施工迅速、自然養(yǎng)護、結構早強等特點。(4)美觀性。皂河二號船閘全長230 m，閘室墻分為12節(jié)，其裂縫分布不均，且長短不一、寬窄不同，為保證其美觀性，要求修補后不能在閘室墻上出現(xiàn)條條極不規(guī)整的修補痕跡，即裂縫修補材料與原閘室墻不能出現(xiàn)明顯色差。

3 常見補縫措施及其不足之處

根據(jù)實踐經(jīng)驗，閘室墻裂縫修補最常見的方法有灌漿法、封堵法和塞填法。但這些常規(guī)方法與上文提到的技術要求相比，具有明顯的不足：(1)灌漿法具有施工周期短、無需專門養(yǎng)護、對通航影響小等特點，往往被養(yǎng)護單位視作首選方案。灌漿法一般采用素水泥漿或改性環(huán)氧樹脂類膠液灌注裂縫進行修補，但對于較深的裂縫，縫隙內部無法清理水漬和泥沙，打孔引流灌漿后，新老材料結合強度不足，尤其素水泥漿具有顯著的干縮性，易開裂，達不到封閉效果。(2)封堵法常用于長度不大，深度較淺的裂縫。首先，需要對裂縫兩側混凝土進行鑿除，剔除松散物，保證結合面無明水、浮塵及油污，然后采用高強砂漿封堵。此種方法施工工藝簡單，強度也能保證，但高強砂漿抗裂性能差，達不到封閉、阻水的效果，且砂漿結合面黏結不牢，容易空鼓。(3)塞填法主要用于裂度較深的裂縫，其開鑿面深且寬，采用細石混凝土塞填，需要配合模板使用，對養(yǎng)護要求較高，否則容易出現(xiàn)開裂，對通航影響較大，一般不予采用。

4 聚丙烯纖維砂漿的特性及作用

4.1 增強砂漿韌性，提高裂縫修補面抗裂強度

修復閘室墻裂縫時，應充分考慮普通砂漿易干縮的特性，要求修補后能夠抵抗水流和泥沙的沖刷以及船舶的沖撞。普通砂漿在新老界面的干縮變形不一致,容易在維修面產(chǎn)生新的裂縫,達不到阻水抗?jié)B的要求,因此，需要增加修補材料的韌性。聚丙烯纖維摻入砂漿，可顯著增強砂漿的韌性，從而減少修補砂漿的開裂，這主要得益于聚丙烯纖維砂漿的抗裂機理[1]：(1)纖維在砂漿中亂向分布，形成三維支撐,使砂漿的勻質性提高，在修補砂漿施工完成后，可防止早期塑性開裂；(2)通過拌和，聚丙烯纖維在砂漿內部均布，填補了骨料和膠凝材料間的固有微氣泡,可阻止微裂縫的形成；(3)聚丙烯纖維可改善砂漿泌水，拌和時添加減水劑，可在硬化過程中減少水分蒸發(fā),減小體積收縮變形；(4)聚丙烯纖維可降低砂漿早期彈性模量，從而降低砂漿內部拉應力,增強砂漿的變形能力,提高其拉伸應變，增加砂漿韌性。

判斷水泥材料韌性指標的原理較簡單，即：材料的脆性愈大，其抗壓強度愈大，而抗折強度卻隨之減小，故可以利用水泥砂漿的“折壓比”表征水泥材料的韌性指標。折壓比越大，材料的脆性越小，韌性越大。砂漿試件的斷裂韌性隨著聚丙烯纖維摻量的增大而明顯提高[2]，相關實驗表明：在砂漿中摻入同一規(guī)格的聚丙烯纖維，按照摻入量0.00%、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%分別制作出5種砂漿試件，每組6塊，標養(yǎng)28天。采用同一試驗臺對其抗折強度和抗壓強度進行等條件試驗，計算其折壓比，并以摻入量為0.00%的砂漿實驗組為對照組，對比百分率設為100%，結果如表1所示。

表1 聚丙烯纖維不同摻量水泥砂漿試件的折壓比及其對比百分率 (%)

由表1可知，砂漿試件的斷裂韌性隨著聚丙烯纖維摻量的增加而顯著提高。原因在于聚丙烯纖維被摻入水泥砂漿后，在砂漿內均勻分布，一定程度上降低了砂漿的脆性，使砂漿試件發(fā)生斷裂的臨界變形量增大，從而提高了砂漿的韌性指標。

4.2 增強砂漿耐磨性，提高裂縫修補面抗船舶沖擊能力

船閘閘室墻裂縫修補面通常處于特殊位置，更容易受到船舶的擦碰，當大噸位船舶以小角度撞擊閘室墻，碰擦到裂縫修補面時，會形成極大的摩擦力和沖擊力。實踐證明，皂河二號船閘閘室墻裂縫修補采用的聚丙烯纖維砂漿能夠顯著提高裂縫修補面的耐磨性及抗沖擊性[3]：(1)聚丙烯纖維均布顯著細化了砂漿的原生裂縫，提高了砂漿硬化后的介質連續(xù)性，增強了砂漿的整體性，使其受到?jīng)_擊時，可以分散鈍化裂隙尖端的應力集中，增大受力面積，減小壓強的破壞作用。(2)聚丙烯纖維阻擋、消耗沖擊能量，從而約束、阻止裂縫擴展。當沖擊發(fā)生時，普通砂漿受力收縮,可能在內部產(chǎn)生微裂紋，而聚丙烯纖維在砂漿中形成了三維網(wǎng)絡,許多條不同方向纖維的拔出，阻擋、消耗了破壞能量，進而阻止了微裂紋的產(chǎn)生和擴展。綜上可知，聚丙烯纖維的加入，增強了砂漿的耐磨性和抗沖擊性。

4.3 增強砂漿耐候性，提高修補砂漿抗凍融性能

皂河船閘地處黃淮平原東部，冬季氣溫可達零下14 ℃，船閘閘室墻裂縫處于干濕交替的環(huán)境中，修補時不得不考慮材料的抗凍融性。砂漿的抗凍融性能主要由其強度、含氣量、氣泡性質等因素決定，在砂漿強度適配固定后，提高修補砂漿抗凍融性能的關鍵便在于降低由收縮應力引起的微裂縫和毛細孔的數(shù)量。摻入聚丙烯纖維提高砂漿抗凍融性能的機理為[4]：(1)聚丙烯纖維均勻分布形成密集的三維網(wǎng)絡結構,可以承受由砂漿收縮產(chǎn)生的內應力,從而降低內部微裂紋的發(fā)展；(2)纖維與水泥具有良好的黏結力，使得細骨料與膠凝材料之間的黏結力增大，形成微骨架,產(chǎn)生二級加強效果；(3)纖維在砂漿內部起到一定的應力傳遞作用,可減少收縮應力的集中現(xiàn)象；(4)纖維可以填補和堵塞砂漿內部的毛細孔，減少水分遷移,從而降低失水的毛細管張力,增加砂漿抵抗收縮變形及開裂的能力；(5)纖維彈性模量的降低,對釋放膨脹起到一定程度的正面作用,減小了膨脹引起的體積增量,降低后續(xù)循環(huán)的水分吸入,從整體上增強了砂漿對環(huán)境的應變能力,從而提高了砂漿的抗凍融性能。

4.4 增強砂漿抗拉性，提升裂縫修復面美觀度

采用常規(guī)修復方法修補閘室墻裂縫，需要在修復表面粘貼一層玻璃纖維或碳纖維織物等纖維復合材料，然后涂刷一層瀝青,將修補的縫面覆蓋。此方法雖然達到了較好的修補效果，但涂刷的瀝青與混凝土閘室墻面形成明顯色差，且其走向、長短、寬窄無規(guī)律可循，非常影響美觀，容易對過閘船員造成不良的心理暗示。采用聚丙烯纖維砂漿修補閘室墻裂縫，可以在一定程度上提升砂漿的抗拉性能,提高砂漿的抗裂、抗?jié)B、抗凍性能，同時可省掉表面的瀝青涂刷和覆蓋，滿足修補質量及美觀要求。

5 聚丙烯纖維砂漿修補閘室墻裂縫的實踐

聚丙烯纖維砂漿較普通砂漿具有顯著的性能優(yōu)勢，且不需要特殊的拌和工藝，被越來越多地應用于砌筑、抹灰、修復等工程實踐上。關于其在不同使用環(huán)境下的配合比設計，已有學者進行了大量的研究，積累了豐富的成果[5]，但在干濕交替環(huán)境下的船閘閘室墻裂縫修復工程中，尚無標準的配合比可以使用。

蘇北運河呈南北走向，全長404 km，地跨黃淮、江淮平原，跨越中國南北氣候分界線淮河，氣候變化顯著。其最北端在徐州市，地處華北平原東南部，屬于溫帶季風氣候；最南端在揚州市，地處江淮平原南部，屬于亞熱帶季風氣候，故沿線船閘閘室墻裂縫修補所用聚丙烯纖維砂漿配合比也需因地制宜。

本文以江蘇省宿遷市皂河二號船閘閘室墻裂縫修補工程為例，結合蘇北運河途徑的徐州、宿遷、淮安、揚州四市所屬的不同氣候條件，分別采用0.0 kg/m3、0.3 kg/m3、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3、1.2 kg/m3等5種不同的聚丙烯纖維摻量，對不同摻量下砂漿性能進行驗證，主要驗證設計抗壓強度、抗折強度等性能指標，驗證結果如圖1～2所示。根據(jù)驗證結果，最終確認從徐州、宿遷到淮安、揚州等不同氣候區(qū)，均可采用聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3的砂漿配合比，可達理想效果。其中，驗證試驗所用的原材料有：江蘇中聯(lián)牌P.042.5普通硅酸鹽水泥；江蘇駱馬湖產(chǎn)湖砂，細度模數(shù)為2.8；南京水利科學院所產(chǎn)FDN減水劑；南京派爾尼牌PF-1型聚丙烯纖維，其技術參數(shù)如表2所示。

圖1 聚丙烯纖維5種不同摻量配合比28日砂漿抗壓強度

圖2 聚丙烯纖維5種不同摻量配合比28日砂漿抗折強度

表2 派爾尼PF-1聚丙烯纖維技術參數(shù)

聚丙烯纖維摻量取為0.9 kg/m3的驗證砂漿配合比如下[6]：

(1) 高強砂漿:水泥∶砂∶水∶減水劑=1∶1.5∶0.26∶0.007；

(2) 聚丙烯纖維砂漿：水泥∶砂∶水∶減水劑=1∶1.5∶0.26∶0.001 1，聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3。

試塊成型后送標養(yǎng)室進行標準養(yǎng)護，然后對比3 d、7 d、28 d、45 d、60 d等試塊的抗壓、抗折及抗拉強度，結果如表3～5所示。

表3 抗壓強度對比

表4 抗折強度對比

表5 抗拉強度對比

由表3～5可知，摻加聚丙烯纖維的砂漿與普通高強砂漿在早期的抗壓、抗折性能上沒有明顯差異，且抗壓強度隨著齡期有一定的衰減，但量值很小，可忽略不計。表征水泥材料韌性的指標(水泥壓折比)顯示聚丙烯纖維可以明顯改善砂漿的韌性，同時顯著提升砂漿抵抗變形與沖擊的能力。

6 結語

聚丙烯纖維砂漿較普通砂漿具有顯著的性能優(yōu)勢，且不需要特殊的拌和工藝，將其用在閘室墻裂縫修補工程中，可顯著改善修補砂漿的開裂、滲水問題，同時提高其抗沖擊性能，在船閘等通航建筑物的養(yǎng)護工程中具有廣闊的應用前景。