混凝土裂縫環(huán)氧樹脂灌漿處理技術(shù)

冷珍華 張吉順

（中國葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

混凝土裂縫是混凝土工程中常見的質(zhì)量缺陷之一，由于造成裂縫的原因及因素很多，很難通過預(yù)防措施或手段來完全消除這些不利因素的影響，因此幾乎在所有的工程中都或多或少存在混凝土裂縫的問題，對混凝土結(jié)構(gòu)物的力學(xué)性能和使用安全產(chǎn)生了不同程度的影響。該文結(jié)合某水庫工程的瀝青混凝土心墻基礎(chǔ)裂縫處理案例，研究總結(jié)混凝土裂縫環(huán)氧樹脂灌漿灌漿處理技術(shù)工藝及質(zhì)量檢查技術(shù)，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

某水庫工程建設(shè)任務(wù)為灌溉、防洪。水庫正常蓄水位為2394.50m，對應(yīng)庫容為5709.82萬m3，調(diào)節(jié)庫容3907.69萬m3；設(shè)計死水位為2373m，死庫容1802.12萬m3；汛限水位2393.0m，對應(yīng)庫容為5370.44萬m3；防洪高水位2394.50m，對應(yīng)庫容為5709.82萬m3；設(shè)計洪水位2394.52m，對應(yīng)庫容為5714.34萬m3；校核洪水位2396.10m，對應(yīng)庫容為6098.93萬m3。工程等別為Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。其主要建筑物土石壩、泄水建筑物為3級建筑物，次要建筑物為4級建筑物，臨時建筑物為5級建筑物。攔河大壩設(shè)計為瀝青混凝土心墻壩，瀝青心墻基礎(chǔ)為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)寬度3m、高度2m、軸線長度434m，根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496—2018），該混凝土基礎(chǔ)屬于大體積混凝土，沿軸線按9.5m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫分塊施工。

心墻基礎(chǔ)施工完成約20d后，其表面局部產(chǎn)生了裂縫。心墻基礎(chǔ)是大壩防滲體系中重要的建筑物，直接影響大壩防滲質(zhì)量，為了消除滲水隱患，經(jīng)建設(shè)、設(shè)計、監(jiān)理、施工單位多方研究討論，決定采用環(huán)氧樹脂灌漿進(jìn)行裂縫處理，降低因混凝土裂縫而導(dǎo)致的滲漏風(fēng)險。

2 混凝土裂縫特征及產(chǎn)生的原因分析

2.1 裂縫部位及特征

針對混凝土裂縫，沿著心墻基礎(chǔ)軸線逐個排查，混凝土裂縫和結(jié)構(gòu)縫缺陷部位統(tǒng)計見表1。

表1 混凝土裂縫缺陷特征統(tǒng)計表

部分典型混凝土裂縫如圖1所示。

圖1 典型混凝土裂縫圖

2.2 缺陷產(chǎn)生的原因分析

該工程心墻基礎(chǔ)屬于大體積混凝土，結(jié)合工程所在地氣候環(huán)境、施工情況及現(xiàn)場條件分析，混凝土水化熱導(dǎo)致的溫度原因是造成該工程心墻基礎(chǔ)混凝土裂縫的主要原因，同時后期養(yǎng)護(hù)和外界氣溫等因素也不同程度影響了混凝土性能，導(dǎo)致其出現(xiàn)熱應(yīng)力裂縫。

2.2.1 混凝土水化熱導(dǎo)致的溫度原因

混凝土澆筑后，在硬化過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，由于基座混凝土的體積較大，且該工程中未設(shè)計通水降溫管路，使大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部，不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升。而混凝土表面散熱較快，這樣內(nèi)外就形成了較大溫差，由此造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫[1]。

2.2.2 混凝土養(yǎng)護(hù)和氣溫影響

一方面，在混凝土澆筑完成，水化熱散熱的過程中，混凝土表面水分蒸發(fā)過快，如果灑水養(yǎng)護(hù)不及時，就會導(dǎo)致混凝土表面失水嚴(yán)重，失水收縮逐漸產(chǎn)生裂縫[2]。工程所在地氣候干燥，多年平均蒸發(fā)量（E601蒸發(fā)器）為1158.9mm，多年平均相對濕度46%。同時由于心墻基礎(chǔ)混凝土澆筑完成后的養(yǎng)護(hù)措施不到位，因此混凝土表面濕度不能長期維持在較為理想的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。另一方面，工程所在地平均氣溫低、晝夜溫差較大，多年平均氣溫為9.1℃，歷年極端最高氣溫為35.7℃，極端最低氣溫為-13.5℃，這是混凝土工程施工中的重要不利因素之一?；炷猎谒療嵘徇^程中，表面溫度受氣溫影響變化較大，也是造成混凝土裂縫的原因之一。

3 裂縫處理情況

3.1 灌漿材料準(zhǔn)備

根據(jù)排查情況，心墻基礎(chǔ)混凝土裂縫縫寬普遍在0.1mm~0.3mm，針對該裂縫，采用環(huán)氧樹脂灌漿處理。因部分裂縫存在輕微滲水跡象，為保證灌漿質(zhì)量，采用親水性較好的A-330型雙組分環(huán)氧樹脂材料進(jìn)行灌漿。和常規(guī)環(huán)氧樹脂相比，A-330型雙組分環(huán)氧樹脂材料在有輕微水漬的情況下，可有效保證環(huán)氧與混凝土的黏接強(qiáng)度，避免環(huán)氧樹脂凝固后與混凝土產(chǎn)生“兩張皮”的現(xiàn)象。

環(huán)氧樹脂材料與配套的固化劑摻合使用，主要用于混凝土結(jié)構(gòu)物龜裂修補(bǔ)，固化速度快，硬化后放熱低，收縮性小，對各種結(jié)構(gòu)物都具有優(yōu)越的接著力[3]，且配制方便，使用十分廣泛，其性能參數(shù)見表2。

表2 A-330型雙組份環(huán)氧樹脂性能參數(shù)

灌漿漿液配置按環(huán)氧樹脂∶固化劑=4∶1的比例。先將一定量樹脂倒入攪拌桶中，再加入根據(jù)比例稱量好的固化劑，應(yīng)用手持高速攪拌器攪拌約3分鐘，直至將環(huán)氧樹脂和固化劑充分?jǐn)嚢杈鶆颍伾鶆颍橹?。配制好的漿液要注意做好保護(hù)，防止雜物、水漬混入。

環(huán)氧漿液配置好后，須在固化前盡快用完。工程所在地白日平均氣溫約16℃，溫度相對較低，經(jīng)實測，固化時間約為40min~60min，因此一次配置量要根據(jù)使用部位情況做適當(dāng)確定，一次不宜配置過多，以免造成材料浪費。

3.2 灌漿施工

3.2.1 灌漿孔布置

鉆孔的布置要根據(jù)裂縫寬度、走向等情況有針對性地進(jìn)行布置。一般情況下，每道混凝土“主裂縫”會在周圍產(chǎn)生一些細(xì)微的類似樹杈狀的“次裂縫”。但是這些“次裂縫”通常很細(xì)微，灌注漿液時一般都不吃漿，因此布置孔以沿著“主裂縫”為主。灌漿孔沿著裂縫兩側(cè)以梅花形布置。該工程中混凝土裂縫深度大多在20cm~40cm左右，為了保證良好的灌漿質(zhì)量，經(jīng)過多次試驗，最終確定間距按15cm~20cm控制，灌漿孔與裂縫間距不小于5cm。鉆孔布置示意圖如圖2所示。

圖2 灌漿孔布置示意圖

3.2.2 鉆孔

鉆孔采用手電鉆，配置φ12mm鉆頭。鉆孔是環(huán)氧樹脂灌漿施工中很重要的環(huán)節(jié)，鉆孔成功與否將直接影響灌漿質(zhì)量。該工程中，結(jié)合典型裂縫的深度檢查結(jié)果進(jìn)行了多次鉆孔試驗，確定了鉆孔深度一般不小于20cm（裂縫端頭處一般深度較淺，為保證鉆穿裂縫，可適當(dāng)減少鉆孔深度），在裂縫兩側(cè)交叉布置孔斜向縫面（孔斜角度30°~45°），并穿過縫面。

鉆孔過程中要合理控制鉆進(jìn)速度，避免過快。為了不傷到混凝土中的鋼筋，鉆到鋼筋后要立即停止鉆進(jìn)，并換孔位。鉆孔達(dá)到預(yù)定深度后，保持電鉆的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在孔內(nèi)緩慢往返幾次，盡量將孔內(nèi)混凝土粉帶出孔外。

3.2.3 鉆孔沖洗

鉆孔完成后，采用高壓空氣對孔內(nèi)進(jìn)行沖洗。把小管徑的風(fēng)嘴深入孔底，采用1MPa壓力沖孔，直至孔內(nèi)無明顯粉末排出為止。這樣可以盡可能把嵌入裂縫中的混凝土粉末吹出孔外，保證了裂縫的暢通，使環(huán)氧漿液充分填充在裂縫中，提高樹脂與混凝土的黏結(jié)力，保證灌漿質(zhì)量。

3.2.4 安裝灌漿嘴

鉆孔完成后，將灌漿嘴安裝到孔內(nèi)，外露混凝土面長度1cm，并用扳手?jǐn)Q緊，使橡膠塞封閉密實。

灌漿嘴安裝過程中要注意的是，采用人工將灌漿嘴塞入孔內(nèi)時，不能使用蠻力或者利用硬物敲打灌漿嘴，以免損壞灌漿嘴上的密封橡膠圈和圓珠。

3.2.5 灌漿

灌漿嘴安裝完成后，用槍頭對準(zhǔn)灌漿嘴輕輕按壓，將灌漿嘴嵌入槍頭里面，并將配制好的環(huán)氧漿液倒入化學(xué)灌漿泵中，開啟泵送開關(guān)進(jìn)行灌漿。灌漿壓力按0.8MPa~1MPa控制。當(dāng)漿液從裂縫中冒出并流出新鮮漿液后即可結(jié)束，進(jìn)行下一個孔的灌漿。水平面灌漿由一端向另一端推進(jìn)，垂直面灌漿自下而上依次進(jìn)行。

正常情況下，灌漿過程中壓力會逐漸升高，這表明漿液正在正常注入孔內(nèi)和裂縫內(nèi)。當(dāng)灌漿壓力逐步升高至超過1.2MPa后，應(yīng)立即停止泵送，此時管內(nèi)將維持這個壓力持續(xù)將漿液壓入裂縫中。壓力降低至0.8MPa以后再開啟泵送，反復(fù)直至灌漿結(jié)束。如果一開始灌漿時就出現(xiàn)壓力急劇升高的情況，應(yīng)立即停止泵送。如果壓力一直不降低，則說明該孔可能沒有貫穿裂縫，應(yīng)停止灌漿，在旁邊補(bǔ)孔再進(jìn)行灌漿。

3.2.6 表面處理

當(dāng)一個裂縫處理完成，漿液全部固化后，用砂輪機(jī)將灌漿嘴切除，并用角磨機(jī)配磨光片將表面打磨平整，涂刷一遍環(huán)氧樹脂。

4 質(zhì)量檢查情況

為檢查裂縫處的灌漿處理質(zhì)量，采用鉆孔取芯和壓水試驗方法對處理結(jié)果進(jìn)行評價。

4.1 鉆孔取芯情況

灌漿完成48h后，隨機(jī)抽取了一個點進(jìn)行鉆孔取芯檢查，樁號為壩0+247.684。采用φ91mm取芯設(shè)備抽取芯樣。經(jīng)查看，受灌處混凝土裂縫中環(huán)氧樹脂漿液填充飽滿，漿液固化后質(zhì)地堅硬，灌漿效果較好，如圖3所示。

圖3 環(huán)氧樹脂裂縫填充圖

4.2 壓水試驗情況

為驗證灌漿后的混凝土裂縫透水效果，按照《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》（SL31），在心墻基礎(chǔ)樁號壩0+166.715、壩0+201.085兩個部位的裂縫處進(jìn)行了鉆孔壓水試驗檢查。

4.2.1 試驗方法及設(shè)備

采用351鉆機(jī)干法鉆孔，鉆孔直徑90mm，鉆孔深度均為1.3m。壓水試驗采用單點法，壓力注漿泵型號TTP180/10（宜昌天通）、耐震壓力表0MPa~1.0MPa（杭州東亞）、電磁流量計EMF8201（成都鼎盛）、智能灌漿自動記錄儀JT-IV（成都鼎盛）。

4.2.2 試驗過程

壩0+166.715孔位：鉆孔深度1.3m，鉆孔完畢后進(jìn)行檢查，并用高壓風(fēng)將孔內(nèi)殘渣沖洗干凈。壓水試驗段長1.2m，孔口封閉采用橡膠栓塞，試驗壓力0.6MPa（按混凝土抗?jié)B指標(biāo)控制），持壓時間20min。試驗過程中，孔口栓塞及灌漿泵口有輕微漏水。試驗結(jié)束壓力0.61MPa，壓入流量0.01L/min，透水率0.01Lu。

壩0+201.085孔位：鉆孔深度1.3m，鉆孔完畢后進(jìn)行檢查，并用高壓風(fēng)將孔內(nèi)殘渣沖洗干凈。壓水試驗段長1.2m，孔口封閉采用橡膠栓塞，試驗壓力0.6MPa（按混凝土抗?jié)B指標(biāo)控制），持壓時間20min。試驗過程中，孔口栓塞及灌漿泵口有輕微漏水。試驗結(jié)束壓力0.61MPa，壓入流量0L/min，透水率0Lu。

4.2.3 試驗結(jié)果

根據(jù)抗?jié)B等級與滲透系數(shù)換算估算公式（防滲墻混凝土抗?jié)B等級和滲透系數(shù)研究）計算，如公式（1）所示。

式中：K換為換算出的滲透系數(shù)，cm/s；ε為混凝土孔隙率，一般取0.03；l為滲徑，一般取15cm；Hi為水壓力，一般取100cm；ti為相應(yīng)水壓力下經(jīng)歷的時間，一般取28800s；n為抗?jié)B等級。

心墻基礎(chǔ)混凝土設(shè)計抗?jié)B指標(biāo)為W6，將上述公式換算后得出的滲透系數(shù)K換=0.419×10-8cm/s。

根據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》（SL31）附錄C中的公式計算，該次試驗滲透系數(shù)為K試=1.19×10-7cm/s，如公式（2）所示。

式中：K試為試驗得出的滲透系數(shù)，m/d；Q為壓入流量，m3/d；H為試驗水頭（按1MPa壓力=100m水頭），m；L為試驗段長，m；r0為鉆孔半徑，m。

該次試驗中，壩0+166.715孔位處的滲透系數(shù)K試1=1.19×10-7cm/s，壩0+201.085孔位處的試驗滲透系數(shù)K試2=0cm/s。

經(jīng)過對比，K試1＞K換，可能是孔口栓塞及灌漿泵口漏水造成了記錄的壓入流量大于實際流量。K試2＜K換，滲透系數(shù)滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)語

該工程中的混凝土裂縫采用環(huán)氧樹脂灌漿處理后，鉆孔取芯的質(zhì)量檢查結(jié)果顯示，裂縫灌后漿液充填飽滿、質(zhì)地堅硬，且隨機(jī)抽取兩處裂縫進(jìn)行壓水試驗的檢查結(jié)果（透水率換算為滲透系數(shù)的數(shù)據(jù)）顯示，滲透系數(shù)滿足設(shè)計指標(biāo)要求。結(jié)合鉆孔取芯及壓水試驗的結(jié)果可以判定，采用環(huán)氧樹脂灌漿對混凝土裂縫進(jìn)行處理，一方面可以將混凝土裂縫完全填充，保障結(jié)構(gòu)物的安全性能；另一方面，也能滿足建筑物的抗?jié)B性能需求。最后，試驗結(jié)論也證明了該文所述的環(huán)氧樹脂灌漿技術(shù)可以滿足混凝土裂縫的處理需求，類似工程也可參考使用。