混凝土點(diǎn)狀爆裂修復(fù)方案研究*

朱張峰，管秀發(fā)，張 成

(1.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816； 2.南京東固土木工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210022)

0 引言

混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性與可靠性由原材料質(zhì)量及合理的配合比共同決定[1]，混凝土質(zhì)量直接決定工程結(jié)構(gòu)安全性與耐久性?；炷帘砻姹淹怯芍苽溥^(guò)程中不慎混入生石灰或鋼筋銹蝕引起的[2-3]，為常見的質(zhì)量問(wèn)題。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)工程建設(shè)體量呈跨越式增長(zhǎng)，建筑材料存在短缺現(xiàn)象，從而導(dǎo)致混凝土原材料質(zhì)量難以保證，如采用工業(yè)廢料生產(chǎn)的混凝土，其內(nèi)部往往含有未經(jīng)處理或處理不到位的鋼渣粉末，鋼渣粉末中的游離氧化鈣、游離氧化鎂遇水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土爆裂[4]。近年來(lái)，由未經(jīng)處理或處理不到位的鋼筋粉末引起的混凝土爆裂質(zhì)量問(wèn)題頻頻出現(xiàn)[5-6]，且該問(wèn)題往往出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)竣工后，如果處理不當(dāng)，存在一定安全隱患，須引起重視。

對(duì)于混凝土抗裂及裂縫修復(fù)，受不同原因影響，在不同環(huán)境條件下可采用相應(yīng)的工藝方法[7-9]。本文以某高層住宅樓為依托，針對(duì)鋼渣摻入混凝土引起的爆裂問(wèn)題，提出噴涂聚合物改性水泥砂漿和粘貼碳纖維布修復(fù)方案，并基于有限元分析手段，對(duì)2種方案下的修復(fù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，提出修復(fù)建議。

1 工程概況

某高層住宅樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，地上32層，地下1層，建筑高度98m，建筑面積約3萬(wàn)m2，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。

剪力墻厚200mm，其中地下1～地上6層、地上7～10層、地上11～15層、地上16～32層剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C45，C40，C35，C30。樓板厚度基本為120mm，地下1～地上5層、地上6～32層樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C35，C30。構(gòu)件主要受力鋼筋均采用HRB400鋼筋。

2 質(zhì)量問(wèn)題

本工程主體結(jié)構(gòu)竣工時(shí)未出現(xiàn)明顯質(zhì)量問(wèn)題，但在裝修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)大量已粉刷完成的墻側(cè)及板底出現(xiàn)零散的混凝土局部點(diǎn)狀爆裂現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 墻側(cè)及板底質(zhì)量問(wèn)題

委托第三方檢測(cè)單位進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)和爆裂部位混凝土塊體結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分檢測(cè)，認(rèn)為混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，塊體呈多孔結(jié)構(gòu)，表面顏色偏褐色，所含化學(xué)元素包括鈣、鋁、鎂、氧等，同時(shí)塊體具有明顯的膨脹特性，基于此推斷混凝土出現(xiàn)點(diǎn)狀爆裂的原因是混凝土骨料中摻入了未經(jīng)處理或處理不到位的鋼渣粉末。

3 修復(fù)方案

現(xiàn)場(chǎng)剝除部分爆裂點(diǎn)混凝土，發(fā)現(xiàn)混凝土爆裂主要發(fā)生在墻面或板底保護(hù)層深度范圍內(nèi)?；跈z測(cè)結(jié)果認(rèn)定的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的前提，由于缺少鋼筋約束，導(dǎo)致混凝土受鋼渣粉末影響產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，且膨脹應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，使混凝土開裂、剝落。

因此，在盡量全數(shù)處理構(gòu)件表面爆裂點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用噴涂聚合物改性水泥砂漿和粘貼碳纖維布的修復(fù)方案，以加強(qiáng)原構(gòu)件混凝土保護(hù)層抗裂能力，避免混凝土點(diǎn)狀爆裂問(wèn)題再次發(fā)生。

3.1 噴涂聚合物改性水泥砂漿

該修復(fù)方案采用的聚合物改性水泥砂漿需滿足GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中的Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，28d抗壓強(qiáng)度≥55MPa。墻面噴涂厚度為20mm，分2層噴涂，并在噴涂層中部設(shè)置鋼絲網(wǎng)。板底噴涂厚度為10mm，分2層噴涂，并在噴涂層中下部(距表面3mm)設(shè)置鋼絲網(wǎng)。

具體工藝流程為：裝飾層鏟除→表面濕潤(rùn)→爆裂點(diǎn)鑿除→混凝土基層鑿毛→表面沖洗→爆裂點(diǎn)修補(bǔ)→滿掛鍍鋅鋼絲網(wǎng)(由φ1mm鋼絲制成，孔距為15mm)→分層噴涂聚合物改性水泥砂漿→收光、養(yǎng)護(hù)→裝飾層恢復(fù)。

爆裂點(diǎn)鑿除主要針對(duì)已出現(xiàn)爆裂的混凝土及經(jīng)探測(cè)含有鋼渣但未爆裂的混凝土，注意將鋼渣清理干凈，同時(shí)，注意保護(hù)周邊鋼筋?；炷粱鶎予徝疃取?mm。爆裂點(diǎn)修補(bǔ)時(shí)采用聚合物改性水泥砂漿進(jìn)行填充。滿掛鍍鋅鋼絲網(wǎng)后，采用專業(yè)炮釘槍進(jìn)行固定，縱、橫向固定間距為100cm。分層噴涂聚合物改性水泥砂漿時(shí)應(yīng)注意控制第1層噴涂厚度，且使噴涂面為毛面，以加強(qiáng)其與第2層噴涂砂漿的黏結(jié)性能，噴涂完成8h后，設(shè)專人進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥14d。

3.2 粘貼碳纖維布

該修復(fù)方案采用的碳纖維布需滿足《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》中的單向織物高強(qiáng)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值≥3 400MPa。墻、板均粘貼1層碳纖維布，采用人工粘貼方式，單位面積質(zhì)量控制為300g/m2。

具體工藝流程為：裝飾層鏟除→表面濕潤(rùn)→爆裂點(diǎn)鑿除→混凝土基層打磨→表面沖洗→爆裂點(diǎn)修補(bǔ)→粘貼面修補(bǔ)找平→底膠涂抹→碳纖維布粘貼→固化→檢驗(yàn)→抗裂砂漿噴涂→裝飾層恢復(fù)。

混凝土基層打磨應(yīng)注意清理干凈，轉(zhuǎn)角處應(yīng)進(jìn)行半徑≥20mm的圓弧倒角處理。爆裂點(diǎn)修補(bǔ)時(shí)同樣采用聚合物改性水泥砂漿進(jìn)行填充。粘貼面修補(bǔ)找平時(shí)，混凝土表面蜂窩、麻面、凹凸部位利用修補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠填平。碳纖維布粘貼時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵照相關(guān)操作要求進(jìn)行，確保粘貼質(zhì)量。

4 修復(fù)效果分析

考慮到目前有限元分析方法無(wú)法模擬混凝土點(diǎn)狀爆裂微觀機(jī)理，基于檢測(cè)結(jié)果認(rèn)定的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的前提，計(jì)算時(shí)不考慮已發(fā)生混凝土點(diǎn)狀爆裂構(gòu)件對(duì)材料性能的影響，將噴涂聚合物改性水泥砂漿或粘貼碳纖維布對(duì)構(gòu)件承載力的提高作為安全儲(chǔ)備，以減小進(jìn)一步發(fā)生的混凝土內(nèi)部爆裂對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

采用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，兼顧模型建立效率和準(zhǔn)確度要求，選取1片剪力墻和1塊樓板進(jìn)行建模，對(duì)比修復(fù)后的構(gòu)件力學(xué)性能，分析修復(fù)效果。

4.1 剪力墻

1)噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)模型建立

混凝土與聚合物改性水泥砂漿采用實(shí)體單元C3D8R模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬。使用Tie功能將混凝土墻體與聚合物改性水泥砂漿修復(fù)面層綁定，使用Embedded Element功能將鋼筋和鋼絲網(wǎng)分別嵌入墻體混凝土和修復(fù)面層聚合物改性水泥砂漿中，不考慮材料間的相對(duì)滑移。

混凝土和聚合物改性水泥砂漿均采用ABAQUS軟件內(nèi)置的混凝土塑性損傷模型模擬，本構(gòu)模型按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值或?qū)崪y(cè)值確定，輸入?yún)?shù)取值如表1所示。鋼筋采用理想彈塑性模型，屈服強(qiáng)度與彈性模量按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值確定，分別取為400，2.00×105MPa，總伸長(zhǎng)率按7.5%計(jì)。鋼絲采用理想彈塑性模型模擬，屈服強(qiáng)度與彈性模量按相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值確定，分別取為510，2.05×105MPa，總伸長(zhǎng)率按3.5%計(jì)。

表1 剪力墻混凝土和聚合物改性水泥砂漿材料參數(shù)

2)粘貼碳纖維布修復(fù)模型建立

考慮單面粘貼單層碳纖維布修復(fù)方案，混凝土采用實(shí)體單元C3D8R模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬，碳纖維布采用三維膜單元M3D4R模擬。使用Tie功能將混凝土墻體與碳纖維布綁定，使用Embedded Element功能將鋼筋嵌入墻體混凝土中，不考慮材料間的相對(duì)滑移。

混凝土、鋼筋本構(gòu)模型參數(shù)與噴涂聚合物改性水泥砂漿相同，碳纖維布按彈性材料本構(gòu)模型確定，抗拉強(qiáng)度按相關(guān)檢測(cè)結(jié)果確定，取4 300MPa，彈性模量取2.6×105MPa，泊松比取0.3，伸長(zhǎng)率取1.9%。

3)模型邊界條件與加載

剪力墻模型底部固定，上部自由。首先在剪力墻頂施加豎向荷載，軸壓比為0.5；然后施加單調(diào)水平荷載，按位移控制加載，為獲取模型在彈塑性階段的受力全過(guò)程，極限位移取100mm，位移角約為1/30。

4)結(jié)果分析

計(jì)算得到剪力墻混凝土塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖2所示，鋼筋/鋼絲應(yīng)力云圖如圖3所示，荷載-位移曲線如圖4所示。

圖2 剪力墻混凝土塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖3 剪力墻鋼筋應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖4 剪力墻荷載-位移曲線

由圖2～4可知，噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案對(duì)剪力墻彈塑性受力性能的改善更明顯，使剪力墻塑性變形峰值減小，承載力提高。分析認(rèn)為，聚合物改性水泥砂漿使剪力墻產(chǎn)生了明顯的蒙皮效應(yīng)，有效改善了剪力墻鋼筋與混凝土的受力；而碳纖維布由于具有單向受力特性，對(duì)剪力墻(彎剪構(gòu)件)性能的提升效果相對(duì)有限。

4.2 樓板

1)噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)模型建立

除混凝土材料本構(gòu)模型按C30強(qiáng)度等級(jí)重新確定外，其余材料本構(gòu)模型與剪力墻構(gòu)件相同，相關(guān)參數(shù)取值如表2所示。

表2 樓板混凝土和聚合物改性水泥砂漿材料參數(shù)

2)粘貼碳纖維布修復(fù)模型建立

板底粘貼1層碳纖維布，除混凝土材料本構(gòu)模型按C30強(qiáng)度等級(jí)重新確定外，其余材料本構(gòu)模型與剪力墻構(gòu)件相同。

3)模型邊界條件與加載

樓板模型四邊固定，并在板面施加均布位移荷載，為獲取模型在彈塑性階段的受力全過(guò)程，極限位移取40mm，約為寬度的1/100。

4)結(jié)果分析

樓板變形云圖如圖5所示。由圖5可知，噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)模型峰值位移約為0.88mm，粘貼碳纖維布修復(fù)模型峰值位移約為4.36mm，可見噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案對(duì)樓板構(gòu)件剛度的提升作用明顯。

圖5 樓板變形云圖(單位：mm)

5 實(shí)際修復(fù)

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為噴涂聚合物改性水泥砂漿可使構(gòu)件獲得更優(yōu)的綜合力學(xué)性能。因此，采用噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案，關(guān)鍵修復(fù)過(guò)程如圖6所示。后期使用過(guò)程中混凝土未再次出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，且表面未產(chǎn)生新裂縫，說(shuō)明修復(fù)方案合理、可靠。

圖6 關(guān)鍵修復(fù)過(guò)程

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某實(shí)際工程由于鋼渣摻入導(dǎo)致的混凝土點(diǎn)狀爆裂問(wèn)題，本文提出了噴涂聚合物改性水泥砂漿和粘貼碳纖維布修復(fù)方案。采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)修復(fù)后的剪力墻、樓板構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，噴涂聚合物改性水泥砂漿可使構(gòu)件獲得更優(yōu)的綜合力學(xué)性能。同時(shí)，考慮到粘貼碳纖維布所用膠體存在耐久性缺陷，本文推薦采用噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案，工程實(shí)踐表明，該方案具有較好的修復(fù)效果。

另外，對(duì)于近年來(lái)常見的混凝土點(diǎn)狀爆裂問(wèn)題，當(dāng)僅對(duì)混凝土表面爆裂點(diǎn)進(jìn)行鑿除填補(bǔ)修復(fù)處理時(shí)，無(wú)法抵抗后期可能出現(xiàn)的混凝土內(nèi)部爆裂產(chǎn)生的不利效應(yīng)，因此，建議在鑿除填補(bǔ)爆裂點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加噴涂聚合物改性水泥砂漿修復(fù)方案，可確保構(gòu)件安全，且可形成防水密封層，避免混凝土內(nèi)部爆裂的發(fā)生。