水泥基增韌材料用于隧道襯砌加固的研究

高艷力

摘 要：本文主要介紹水泥基復(fù)合材料的基本性能以及相關(guān)試驗(yàn)方法，對(duì)不同纖維種類、不同纖維摻量的水泥基復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能研究比較。

關(guān)鍵詞：水泥復(fù)合材料;試驗(yàn)方法;纖維種類;纖維摻量

引言

水泥基復(fù)合材料是以硅酸鹽水泥為基體，以玻璃纖維、合成纖維、各種陶瓷纖維、碳和芳綸等高性能纖維、以及礦物纖維等為增強(qiáng)體的復(fù)合材料，具有高延性、高耐久性等特性，是一種基于微觀斷裂力學(xué)的材料設(shè)計(jì)方法，經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在拉伸和剪切荷載下表現(xiàn)出高延展性復(fù)合材料。水泥基復(fù)合材料中纖維體積摻量?jī)H為2%，但其拉伸應(yīng)變卻大于3%，遠(yuǎn)高于普通纖維混凝土和鋼纖維混凝土[1]。在荷載作用下開(kāi)裂后，水泥基復(fù)合材料表現(xiàn)出類似金屬在單軸荷載作用下的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系，即所謂的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。這種優(yōu)良的力學(xué)性能，克服了混凝土開(kāi)裂后，應(yīng)力迅速降低，裂縫急速開(kāi)展的缺點(diǎn)[2]。

1、隧道加固工程情況

1.1隧道基本概況

三架嶺隧道（左幅）位于本桓線（S305）本溪市滿族自治縣鏡內(nèi)，中心樁號(hào)為 K25+740，竣工通車日期1974年11月;全長(zhǎng)為790.00m;隧道路面凈寬7.4m，兩側(cè)各設(shè)0.68m 的人行道，路線中心線位置垂直凈高5.0m，隧道位于直線段。隧道內(nèi)縱坡為“人字坡”，小市側(cè)（大樁號(hào)側(cè)）至隧道內(nèi)320m 為上坡，坡度為0.3%，本溪側(cè)（小樁號(hào)側(cè)）至洞內(nèi)為上坡，坡度為1.7%。隧道內(nèi)未設(shè)排水系統(tǒng)，通過(guò)路側(cè)明排排水。進(jìn)口側(cè)、出口側(cè)洞門形式均為端墻式洞門。襯砌材料為鋼筋混凝土;斷面形式為直墻式三心圓拱; 路面面層類型原為水泥混凝土路面，后加鋪瀝青混凝土;前進(jìn)方向右側(cè)配置照明燈具，未配置通風(fēng)設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施及消防設(shè)施。該隧道行車方式為單向行駛。

1.2???? 隧道破損情況

據(jù)檢測(cè)，隧道裂縫形式主要有：環(huán)向裂縫、斜向裂縫、邊墻豎向裂縫、拱腰及拱頂縱向裂縫，共計(jì)154條;其中隧道襯砌環(huán)向裂縫有105條，約占總數(shù)的68%，斜向裂縫有16條，約占總數(shù)的11%，邊墻豎向裂縫有2條，約占總數(shù)的1%，拱腰及拱頂縱向裂縫有31條，約占總數(shù)的20%。隧道滲漏水現(xiàn)象較普遍，滲水部位多集中在裂縫處，局部有泥漿露出。二次襯砌中拱頂、拱腰和邊線處混凝土均存在明顯的欠厚現(xiàn)象。隧道邊墻、拱腰和拱頂處的二襯存在不同程度的空洞、不密實(shí)或脫空現(xiàn)象，其中拱頂、拱腰測(cè)線脫空嚴(yán)重。

1.3???? 隧道修補(bǔ)方案

如襯砌混凝土裂縫寬度<0.15mm，且無(wú)明顯的剪切滑移、滲水跡象，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但不影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用，可采用直接涂抹法進(jìn)行封閉處理，涂抹材料建議采用水泥基滲透結(jié)晶型材料。

對(duì)寬度≥0.15mm 的裂縫，采用壓注化學(xué)漿液封堵的措施，其化學(xué)漿液采用環(huán)氧漿液。拱圈襯砌存在寬度在0.5mm 以上的縱向及斜向裂縫的部位，選擇部分裂縫，開(kāi)展裂縫和斷面變形的跟蹤監(jiān)測(cè)，掌握裂縫和斷面變形的發(fā)展趨勢(shì);對(duì)于裂縫較寬、水跡明顯的裂縫，設(shè)置相應(yīng)的引排措施;其它裂縫采用環(huán)氧樹(shù)脂灌封處理。

對(duì)于襯砌裂縫呈橫縱向交織，并且混凝土局部存在蜂窩麻面、缺損、露筋等病害的區(qū)域，采用增加碳纖維格柵法加固，布置碳纖維格柵后采用4cm 后超高韌性水泥基復(fù)合材料覆蓋。

2、水泥基增韌材料原材料及配合比

2.1???? 原材料

水泥：堅(jiān)霸牌 P.O42.5級(jí)硅酸鹽水泥; 粉煤灰：鐵嶺 I 級(jí)粉煤灰;

外加劑：聚羧酸高效減水劑、早強(qiáng)劑、速凝劑; 砂：細(xì)度模數(shù)為1.8-2.0的河砂;

水：自來(lái)水;

纖維：日本可樂(lè)麗 PVA 纖維;

2.2???? 水泥基增韌材料配合比如表2.1所示

3、現(xiàn)場(chǎng)施工情況

（1） 施工前，須對(duì)隧道原襯砌與水泥基增韌材料結(jié)合部位進(jìn)行充分鑿毛，要徹底消除構(gòu)件表面的抹灰層和已軟化、風(fēng)化、變質(zhì)層，應(yīng)露出粗骨料;本工程采用水力磨毛法或人工磨毛的方式將所有污垢、油脂、油污、水泥漿和養(yǎng)護(hù)化合物從混凝土、砂漿和石頭上除去，并露出粗糙的混凝土或砌體結(jié)構(gòu)的表面。

（2） 跟據(jù)所需漿料的狀態(tài)，調(diào)整水膠比將砂漿混合料和水加入到砂漿攪拌器中。使用低速鉆頭和葉板進(jìn)行攪拌。攪拌3-5分鐘，至水泥基增韌材料混合均勻如圖3.1所示。

（3） 第一層砂漿的噴射施工，在粗糙的結(jié)構(gòu)表面噴射第一層的水泥基增韌材料，如圖3.2所示，第一層水泥基增韌材料的厚度為1-1.5cm，要確保噴射施工后砂漿的平整度。

（4） 碳纖維網(wǎng)格的裁剪和鋪設(shè)，噴射完第一層水泥基增韌材料后， 按尺寸對(duì)碳纖維網(wǎng)格進(jìn)行裁剪;在第一層水泥基增韌材料砂漿表面攤鋪碳纖維網(wǎng)格，碳纖維網(wǎng)格的碳纖維絲方向需與裂縫方向垂直，碳纖維網(wǎng)格橫向搭接寬度為5cm，縱向搭接長(zhǎng)度為20cm;確保攤鋪完成后，整個(gè)碳纖維網(wǎng)格表面的平整度。

（5） 表面刷拭，3個(gè)小時(shí)后，用輥筒對(duì)碳纖維網(wǎng)格表面進(jìn)行刷拭和按壓，以保證層間的粘結(jié)強(qiáng)度，如圖3.3、圖3.4所示。

（6） 第二層砂漿的噴射施工，刷拭完畢后，即可進(jìn)行第二層水泥基增韌材料砂漿的拌制和噴射施工，噴射混凝土的厚度為1.5cm-2cm，確保噴射完成后，無(wú)網(wǎng)格纖維外漏及整個(gè)混凝土表面的平整度。

（7） 砂漿的養(yǎng)護(hù)和表面處理，噴射完畢后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7天后， 即可進(jìn)行表面的外裝修或涂裝處理。

（8） 施工中注意事項(xiàng)：

a、用鑿除、噴砂、酸洗、鋼絲刷洗、高壓水或風(fēng)沖等方法，清理裂縫周圍的基面;

b、將涂抹材料的各組分按比例調(diào)和、攪勻;

c、用抹子、滾筒、尼龍刷、專用噴槍等工具將混合料涂刷或噴射到基面上[3]，涂刷時(shí)應(yīng)注意來(lái)回用力，以保證凹凸處都能涂上，噴涂時(shí)，噴嘴距涂層要近些，以保證灰漿能噴射進(jìn)表面微孔或微裂隙中;一次涂刷厚度不宜超過(guò)0.2mm，且混合料應(yīng)在規(guī)定時(shí)間用完;

d、當(dāng)需涂第二層時(shí)，一定要等第一層初凝后并呈潮濕狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，如太干則應(yīng)噴灑些水，對(duì)基面潤(rùn)濕;

e、在夏季露天施工時(shí)，如溫度超過(guò)30℃，建議在早、晚進(jìn)行，以防止涂抹材料過(guò)快干燥失水;如在冬季施工，溫度低于5℃時(shí)[4]，應(yīng)采用防凍措施，對(duì)于凹陷處，涂料堆積不宜過(guò)厚，否則會(huì)引起開(kāi)裂;

f、涂抹后必須加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，涂層初凝后宜用噴霧式方式來(lái)養(yǎng)護(hù)，防止灑水時(shí)涂層破壞。同時(shí)防護(hù)過(guò)程中應(yīng)避免雨淋、霜凍、日曬、風(fēng)吹、污水沖刷及5℃以下的低溫。露天施工用濕草袋覆蓋較好，如果使用塑料膜作為保護(hù)層，必須注意架開(kāi)，以保證涂層的“呼吸”及通風(fēng)。

4、工程用材料試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1???? 加固用水泥基增韌材料抗壓、抗折強(qiáng)度結(jié)果分析水泥基增韌材料抗壓、抗折強(qiáng)度結(jié)果如表4.1所示：

由表4.1及圖4.1可見(jiàn)，隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥基增韌材料的抗壓、抗折強(qiáng)度均有所增長(zhǎng)，但增幅趨于平緩。與同標(biāo)號(hào)的普通水泥混凝土材料相比，水泥基增韌材料有著更高的抗折強(qiáng)度，更利于提高建筑物結(jié)構(gòu)的安全性。

4.2???? 加固用水泥基增韌材料彎拉強(qiáng)度結(jié)果分析

水泥基復(fù)合材料抗彎拉性能具體數(shù)值如表4.2所示：

水泥基增韌材料的彎拉性能基本能滿足隧道工程修補(bǔ)設(shè)計(jì)的要求，水泥增韌材料的多點(diǎn)開(kāi)裂性能更利于隧道修補(bǔ)材料的耐久性。圖4.2、圖4.3 所示，水泥基增韌材料試件在彎拉試驗(yàn)中顯示出多點(diǎn)開(kāi)裂的性能。

由圖4.4可見(jiàn)，水泥基增韌材料表現(xiàn)出明顯的韌性材料的性能，不會(huì)出現(xiàn)瞬間的脆性斷裂。對(duì)于結(jié)構(gòu)安全性而言，水泥基增韌材料顯示出了優(yōu)越的性能。

5、結(jié)論

（1） 水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)越的抗裂、抗彎曲性能，在室內(nèi)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中表現(xiàn)出均勻、細(xì)小、密集橫向裂縫和超強(qiáng)的韌性，通過(guò)內(nèi)部大量纖維把內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行分散，因此，這種材料可作為維修加固和翻新，用來(lái)延遲碳化腐蝕，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性在多項(xiàng)工程上進(jìn)行應(yīng)用。

（2） 水泥基增韌材料具有超長(zhǎng)的耐久性、高韌性以及多細(xì)小裂縫等功能，在主要大型工程中橋梁隧道廣泛應(yīng)用。隨著纖維技術(shù)的不斷發(fā)展， 纖維價(jià)錢的不斷降低，水泥基增韌材料的成本也會(huì)大幅度的下降。

（3） 由于水泥基增韌材料裂縫寬度小，裂縫寬度不到0.3mm，并且有利于減少氯離子的滲透，因此具有很高的耐破壞和變形能力。

參考文獻(xiàn)：

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