大摻量磨細(xì)礦渣混凝土箱涵裂縫處理方法研究與應(yīng)用

朱秀清 ，劉民 ，馬慧鑫 ，余萍 ，通信作者

（1. 天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300392；2. 天津市金帆工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，天津 300061）

隨著我國(guó)水利工程事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，相關(guān)先進(jìn)施工方法、設(shè)備的不斷改善以及技術(shù)水平的不斷提高，水工建筑物在后期運(yùn)行和維護(hù)方面對(duì)操作人員的要求越來(lái)越嚴(yán)格。南水北調(diào)是解決我國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺的重大戰(zhàn)略性工程，是通過(guò)跨流域的水資源配置來(lái)協(xié)調(diào)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口、自然的發(fā)展[1]。水利工程混凝土施工中，由于化學(xué)侵蝕、振搗不當(dāng)、拌和配比不合理、養(yǎng)護(hù)不周等導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題較為普遍，裂縫對(duì)于混凝土本身的基本性能有諸多不利的影響[2-5]。沈力在土木工程施工裂縫的研究中提出采用裂縫注漿法處理混凝土裂縫，并根據(jù)具體要求選擇漿材[6]。張占武對(duì)施工中不同混凝土部位裂縫處理研究中提到加固地基、改良混凝土配合比抗裂等措施，確保拌和均勻，澆筑前對(duì)預(yù)埋件、模板等驗(yàn)收合格再進(jìn)行澆筑和完善施工專項(xiàng)方案，嚴(yán)格把控工程施工裂縫處理措施[7]。徐剛在地下洞室混凝土裂縫處理中采用化學(xué)注漿，經(jīng)處理后發(fā)現(xiàn)裂縫表面無(wú)滲水，達(dá)到了預(yù)期效果[8]。大摻量磨細(xì)礦渣混凝土技術(shù)配制混凝土能有效抑制堿骨料反應(yīng)，提高混凝土耐久性和抗硫酸鹽腐蝕的能力[9]，通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)調(diào)配擇優(yōu)得到的混凝土指標(biāo)和性能能夠滿足工程要求，此研究成果可應(yīng)用于先期開(kāi)工建設(shè)的南水北調(diào)工程天津干線工程中[10]。南水北調(diào)工程天津干線天津市1段工程7個(gè)土建施工標(biāo)澆筑大摻量礦渣混凝土整體箱涵共計(jì)22倉(cāng)，TJ5-4、TJ5-5標(biāo)段箱涵混凝土采用大摻量礦渣混凝土（即摻入混凝土膠凝材料總量的60%為磨細(xì)礦粉）。在后期的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于其所在的京津塘地區(qū)內(nèi)存在大量的堿活性混凝土骨料，對(duì)鋼筋混凝土具有硫酸鹽腐蝕性，箱涵墻體和頂板均出現(xiàn)不同程度的施工裂縫，如圖1所示。裂縫總數(shù)達(dá)241條，多處在單節(jié)箱涵的中部，其中TJ5-4標(biāo)段共有20倉(cāng)，裂縫總計(jì)222條，包括橫向（環(huán)形）貫通裂縫136條，縱向裂縫4條；TJ5-5標(biāo)段共有2倉(cāng)位，裂縫總計(jì) 19條，包括橫向（環(huán)形）貫通裂縫 15條，無(wú)縱向裂縫。目前常用的混凝土裂縫處理方法主要有4種，即：表面處理法、填充法、注漿法、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法。其中，注漿法具有一定的特殊性，一般適用于難以用表面處理法修補(bǔ)的裂縫，考慮到本工程出現(xiàn)裂縫的不規(guī)則形狀，位置等，選擇注漿法作為處理方法，并根據(jù)實(shí)際情況選擇化學(xué)注漿的方式。化學(xué)漿材具有無(wú)害、多樣性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、可注性好、抗?jié)B能力強(qiáng)等特點(diǎn)。故本文針對(duì)大摻量混凝土箱涵橫、縱裂縫選用新型JX-5系環(huán)氧漿材進(jìn)行化學(xué)注漿，通過(guò)增加斷面法及箱內(nèi)箱外涂刷防護(hù)材料等措施進(jìn)行實(shí)踐，凍融試驗(yàn)[11]結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明注漿效果良好，可以維護(hù)混凝土性能[12]。

圖1 施工裂縫原始照片

1 裂縫成因分析

大摻量礦渣箱涵橫向裂縫的位置、裂縫的發(fā)展方向都是從立墻的中部向上下兩側(cè)發(fā)展，裂縫底部延伸到箱涵兩次澆筑混凝土施工縫位置，頂部延伸到頂板八字或部分穿過(guò)頂板八字到頂板部位。裂縫縫長(zhǎng)0.3～6.3 m，縫寬0.1～0.5 mm。經(jīng)分析，大摻量混凝土箱涵出現(xiàn)的裂縫為早期深層裂縫，由于大摻量礦渣混凝土早期強(qiáng)度偏低、收縮較大[13-14]，箱涵新澆筑的上層墻體混凝土受到箱涵底層已成型底板混凝土約束，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。另外大摻量磨細(xì)礦渣技術(shù)對(duì)混凝土原材料品質(zhì)、施工環(huán)境、工藝要求較高，施工中溫差變化和養(yǎng)護(hù)不周等都會(huì)對(duì)裂縫的產(chǎn)生有一定影響[15-18]。

2 橫、縱裂縫具體處理方案及效果檢驗(yàn)

對(duì)橫向裂縫主要采用化學(xué)注漿，對(duì)縱向裂縫除進(jìn)行化學(xué)注漿外，還采用增加斷面法進(jìn)行加固。針對(duì)天津市1段工程大摻量礦渣混凝土箱涵裂縫，橫向裂縫采用化學(xué)注漿[19-21]進(jìn)行處理，對(duì)于縱向裂縫，除對(duì)裂縫進(jìn)行化學(xué)注漿外，還采用增加斷面法進(jìn)行加固，另外對(duì)箱涵內(nèi)部裂縫處涂刷防護(hù)材料。為預(yù)防箱涵裂縫滲水或再次拉裂[22]，箱涵外墻整體涂刷防護(hù)涂料，內(nèi)側(cè)裂縫處涂刷單組分聚脲涂料。

2.1 橫向裂縫注漿試驗(yàn)

2.1.1 化學(xué)注漿材料

在裂縫處理中，化學(xué)漿材具有與表面貼合較好，穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，本研究中化學(xué)注漿材料選用新型 JX-5系環(huán)氧漿材，黏結(jié)強(qiáng)度為 4.6～16.8 MPa · S，所有力學(xué)指標(biāo)均超過(guò)《混凝土裂縫用環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（JC/T 1041—2007）的規(guī)定，符合工程要求。JX-5系環(huán)氧漿材分為甲、乙兩組，甲組為主劑，由環(huán)氧樹(shù)脂、稀釋劑等構(gòu)成，乙組由固化劑、促進(jìn)劑等組成。本試驗(yàn)通過(guò)改變兩組成分和比例進(jìn)行調(diào)配。

裂縫封堵加固采用兩種配比，A配比甲乙組的占比為6∶1，B配比為5∶1。其中A配比的漿材滲透性和親水性較好，利于驅(qū)水及浸潤(rùn)，B配比較A親水性較弱，黏度和強(qiáng)度增長(zhǎng)快，利于盡快結(jié)束注漿，所以選用B配比調(diào)配試驗(yàn)漿材。

2.1.2 化學(xué)注漿施工工藝流程

化學(xué)注漿施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 橫向裂縫化學(xué)注漿施工流程圖

（1）箱涵結(jié)構(gòu)表面打磨。由于橫向裂縫一直處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，所以會(huì)導(dǎo)致裂縫周圍混凝土產(chǎn)生橫向拉裂。為此，需在每條橫向裂縫延伸段混凝土結(jié)構(gòu)表面距離裂縫1 m左右，提前進(jìn)行表面打磨處理，且沿箱涵結(jié)構(gòu)橫向裂縫走向打磨裂縫縫口兩側(cè)混凝土寬度均不得低于10 cm。為保證化學(xué)注漿的整體效果，在回填前預(yù)先對(duì)尚未回填的箱涵邊墻進(jìn)行表面封堵。

（2）鉆轉(zhuǎn)注漿孔布置。利用手持式電鉆沿橫向裂縫發(fā)展方向采用騎縫鉆孔，鉆孔孔徑Φ27 mm，鉆孔深度25～35 mm，鉆孔孔距30～40 cm，具體布置詳見(jiàn)圖3。

圖3 箱涵結(jié)構(gòu)橫向施工縫化學(xué)注漿孔布置示意圖

（3）箱涵結(jié)構(gòu)橫向裂縫沖洗。通常采用高壓風(fēng)和水由高向低逐步?jīng)_洗箱涵結(jié)構(gòu)橫向裂縫，目的是將殘存在縫內(nèi)、縫壁的碎屑沖到縫外，并將裂縫沖洗干凈，防止縫內(nèi)發(fā)生堵塞。

（4）對(duì)鉆孔縫盲孔檢查。鉆孔結(jié)束后，需要對(duì)鉆孔縫開(kāi)展盲孔檢查，若檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在盲孔，應(yīng)重新鉆新孔。

（5）埋管與封縫。本次試驗(yàn)埋管采用滲透結(jié)晶型或硫鋁酸鹽水泥基等性能的快速堵漏劑，終凝時(shí)間控制不超過(guò)15 min，1 h抗壓強(qiáng)度不低于4.5 MPa，封縫采用特制高性能結(jié)構(gòu)膠。

（6）化學(xué)注漿?；瘜W(xué)注漿是利用機(jī)械手段，在壓力作用下，將特制的高分子材料注入混凝土結(jié)構(gòu)裂縫中，并在裂隙中凝固，達(dá)到填充裂縫、止水等目的。通常在封縫結(jié)構(gòu)膠凝結(jié)3～4 d后，開(kāi)始注漿，但由于衛(wèi)河段9節(jié)混凝土箱涵在注漿前已經(jīng)回填，因此化學(xué)注漿無(wú)法采用外部封堵處理，只能從混凝土箱涵內(nèi)部進(jìn)行注漿封堵。同時(shí)，因混凝土箱涵橫向裂縫為貫穿性濕縫，故注漿采用先A后B配比的方式組合開(kāi)展，處理混凝土箱涵橫向裂縫均自下而上進(jìn)行注漿，相鄰鉆孔注漿嘴出漿時(shí)，均采用多點(diǎn)并聯(lián)式注漿方式。注漿初始?jí)毫?.2 MPa，然后壓力逐級(jí)提升，但需控制最大壓力不得超過(guò)0.5 MPa。注漿結(jié)束后，封閉注漿嘴等待漿液凝結(jié)硬化，直至漿液完全凝固，將注漿管沿環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠表面割除干凈。

2.1.3 橫向裂縫注漿效果分析

對(duì)化學(xué)注漿情況分兩次進(jìn)行取芯檢測(cè)，共鉆芯樣8組，其中已化學(xué)注漿6組，未注漿2組。從芯樣表面看，已注漿的芯樣縫內(nèi)化學(xué)漿材充填飽滿且黏接良好，未注漿的芯樣沿裂縫斷開(kāi)成為兩半。針對(duì)注漿強(qiáng)度，抗壓試驗(yàn)檢測(cè)4組，抗壓強(qiáng)度分別為32.35、35.05、37.85、40.50 MPa，均滿足C30強(qiáng)度要求，且斷裂面均不在裂縫注漿處，箱涵混凝土整體性得以恢復(fù)。F150凍融試驗(yàn)5組，抗凍指標(biāo)滿足 F150技術(shù)要求，凍融試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1數(shù)據(jù)及表觀可以明顯看出，箱涵混凝土注漿后性能良好，且裂縫表面干燥無(wú)滲水現(xiàn)象。

表1 凍融試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2.2 縱向裂縫注漿試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)標(biāo)段箱涵混凝土縱向裂縫出現(xiàn)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)，共發(fā)現(xiàn) 4條縱向裂縫，分別出現(xiàn)在 3節(jié)混凝土箱涵的中孔、左孔和右孔中。基于工程安全及建筑物運(yùn)行穩(wěn)定要求，需對(duì)出現(xiàn)縱向裂縫箱涵部位進(jìn)行加固處理。通過(guò)對(duì)可采用的加固方法分析比較，并考慮到實(shí)際操作的可行性，最終選擇增加斷面法加固箱涵產(chǎn)生的縱向裂縫，采用該方法應(yīng)遵循既能保證建筑物結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)又不能影響箱涵的過(guò)水能力，綜合考慮采取措施如下：

（1）對(duì)縱向裂縫化學(xué)注漿。首先對(duì)試驗(yàn)標(biāo)段箱涵發(fā)現(xiàn)的4條縱向裂縫采用化學(xué)注漿措施。

（2）箱涵頂板混凝土結(jié)構(gòu)加固。對(duì)箱涵縱向裂縫化學(xué)注漿結(jié)束后，對(duì)箱涵頂板混凝土結(jié)構(gòu)利用增加斷面法開(kāi)展加固處理。首先對(duì)箱涵原頂板混凝土表面進(jìn)行刨毛處理，保證箱涵頂板上部受力鋼筋外露不得小于5 cm，借助箱涵頂板原有鋼筋骨架作為新混凝土與老混凝土的銜接基礎(chǔ)，為保證銜接有效發(fā)揮作用，在箱涵頂板局部也適當(dāng)配以少量插筋。

箱涵結(jié)構(gòu)縱向裂縫增加斷面尺寸保持與原斷面尺寸一致，在標(biāo)段（XW141+057）～（XW141+072）處采用K3型增加斷面，厚為480 mm，在標(biāo)段（XW141+706）～（XW141+721）和標(biāo)段（XW141+736）～（XW141+751）處均采用H2型增加斷面，厚為430 mm，加固結(jié)構(gòu)工程增加量如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)加固增加斷面工程量

（3）混凝土鑿除。首先確定各節(jié)箱涵縱向裂縫周圍鑿除邊界線，試驗(yàn)采用手持式風(fēng)鎬將原混凝土頂板鑿除12 cm厚，保證原頂板上部鋼筋外露深度不小于5 cm，鑿除時(shí)將頂板上部鋼筋混凝土全部鑿除，保留上層受力鋼筋。在鑿除過(guò)程中，原受力鋼筋不能被破壞，實(shí)時(shí)測(cè)量鑿除深度，防止鑿除過(guò)深。因?yàn)橄浜敯迳蠈硬贾娩摻顢?shù)量較多，所以鑿除混凝土難度較大，為此在開(kāi)鑿過(guò)程中，采用一邊開(kāi)鑿混凝土一邊清理碎渣的辦法，從而降低了混凝土碎渣給施工帶來(lái)的困難。箱涵頂板鑿除混凝土邊界線如圖4所示。

圖4 箱涵頂板鑿除混凝土邊界示意圖

（4）植入錨固鋼筋。植入錨固鋼筋施工之前先做測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)拉拔效果，以鋼筋被拉斷或混凝土被鋼筋帶出破壞為合格標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)合格后，在原混凝土箱涵邊墻內(nèi)側(cè)、中墻兩側(cè)均需植入錨固長(zhǎng)度為480 mm的錨固鋼筋，首先確定箱涵加固打孔位置，并將孔壁周圍的灰塵清理干凈，保證打孔直徑不得小于18 mm，其次確定箱涵加固打孔深度，按照植入鋼筋使用結(jié)構(gòu)膠的性能要求確定打孔深度，錨固鋼筋入孔深度不得低于480 mm，錨固鋼筋縱向間距不得大于250 mm。打孔后需使用有效工具將孔內(nèi)灰塵清理干凈，但不得用水沖洗，若表面有明水時(shí)，用抹布擦拭并用熱吹風(fēng)機(jī)吹干后，再將配好的結(jié)構(gòu)膠用專用工具注入清理后的干燥孔底，然后插入除去油污及銹跡的錨固鋼筋，保證結(jié)構(gòu)膠飽滿，并將溢出的結(jié)構(gòu)膠清理干凈，同時(shí)注意在固結(jié)硬化過(guò)程中不得對(duì)鋼筋有任何擾動(dòng)。試驗(yàn)選用的結(jié)構(gòu)膠應(yīng)具備黏結(jié)力大、黏結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并具有耐腐蝕性、耐水性等優(yōu)良性能，以減少實(shí)際應(yīng)用中的阻礙。

（5）縱向裂縫注漿效果檢驗(yàn)。對(duì)混凝土箱涵縱向施工裂縫進(jìn)行注漿處理，然后對(duì)處理后的裂縫部位外觀及內(nèi)部進(jìn)行效果檢驗(yàn)。選擇現(xiàn)場(chǎng)3節(jié)大摻量混凝土箱涵頂板不同處理部位，首先對(duì)縱向裂縫箱涵混凝土外觀進(jìn)行檢驗(yàn)，裂縫處理后其外觀照片如圖5所示。由圖5可以看出，注漿后外觀無(wú)明顯裂縫，效果較好。其次對(duì)注漿處理后縱向裂縫混凝土箱涵內(nèi)部效果采用取芯樣本進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)注漿前后裂縫取芯樣本對(duì)比檢驗(yàn)。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)3節(jié)大摻量混凝土箱涵頂板加固質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，注漿后的混凝土能夠滿足各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)、耐久性指標(biāo)等工程要求。注漿前后裂縫取芯樣本照片見(jiàn)圖6和圖7。

圖5 縱向裂縫注漿處理后混凝土外觀照片

圖6 縱向裂縫未注漿前混凝土取芯樣本照片

圖7 縱向裂縫注漿后混凝土取芯樣本照片

3 小結(jié)

針對(duì)南水北調(diào)天津干線天津市1段工程大摻量礦渣混凝土整體箱涵裂縫問(wèn)題開(kāi)展研究，通過(guò)成因分析確定橫向裂縫和縱向裂縫的解決方案，并進(jìn)行工程實(shí)踐，研究及實(shí)踐總結(jié)如下：

（1）針對(duì)注漿方式的選擇，化學(xué)注漿能控制凝結(jié)時(shí)間，恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性效果較好，適用于裂縫修補(bǔ)處理，與裂縫表面黏合較好，可以達(dá)到預(yù)期效果。因此，化學(xué)注漿作為良好的裂縫處理方法可在天津段工程周圍進(jìn)行推廣。

（2）混凝土裂縫問(wèn)題經(jīng)常存在于日常建筑中，為起到很好的預(yù)防效果，首先對(duì)實(shí)地進(jìn)行考察分析，實(shí)驗(yàn)中不同指標(biāo)得出最優(yōu)材料或摻和比時(shí)應(yīng)先進(jìn)行小范圍現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，再大范圍推廣。尤其是水利工程設(shè)施中，面對(duì)硫酸鹽的直接接觸，選擇混凝土摻入磨細(xì)礦渣和粉煤灰等，采用科學(xué)配比可以很大幅度地提高混凝土性能。在確保達(dá)到理想前提下，考慮實(shí)地混凝土材料質(zhì)量，合理選擇優(yōu)化綠色節(jié)約型方案。在施工過(guò)程中，多組織相關(guān)人員學(xué)習(xí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，減少操作失誤，盡可能減少混凝土后續(xù)出現(xiàn)的裂縫等問(wèn)題。