ECC修補混凝土結構裂縫的技術分析★

楊 鑫 張新文 劉萬成 孫林柱

(溫州大學建筑與土木工程學院，浙江溫州 325035)

0 引言

混凝土是目前用量最大的建筑材料之一，廣泛應用于各種工程領域。但是混凝土作為一種復合型的建筑材料，在其施工和服役的過程中會受到內部因素和外部環(huán)境影響而產生裂縫，從而導致混凝土結構的防水和耐久性能下降，影響結構的正常使用或者縮短結構的使用壽命。

采取有效的修補材料和可行的修補方案恢復結構因開裂而降低的防水和耐久性能十分重要。ECC(Engineered Cementations Composite)是一種亂向分布纖維增強水泥基復合材料，具有超高韌性、應變硬化以及多裂縫開裂的特性。目前已有大量的研究證明，ECC具有良好的變形能力、抗裂性能、耐久性能以及抗疲勞能力，是一種理想的耐久性修補材料［1］。

由于混凝土結構開裂機理復雜，要根據(jù)多種因素來選擇有效的修補材料和可行的修補方案。ECC作為修補材料，目前只有在國外有部分工程應用案例，但對于ECC可以修補哪些裂縫，如何修補等問題，還沒有一套完整的施工方法。本文從混凝土結構裂縫的分類以及常規(guī)的修補方法出發(fā)，再結合ECC的應用案例，對ECC修補混凝土結構裂縫的技術進行了分析。

1 混凝土結構裂縫的分類

1.1 按裂縫產生的原因分類

1)變形作用。

由變形作用引起的非受力裂縫，包括失水干縮、溫度變化、不均勻沉陷等原因引起的裂縫。其基本特征是結構要求變形，但受到約束而產生內應力，當產生裂縫時變形得到滿足，應力就發(fā)生松弛。

2)荷載作用。

由外荷載引起的裂縫，包括由動、靜載荷直接應力和次應力引起的裂縫。根據(jù)國內外調查資料表明，工程結構由于變形作用而引起的裂縫約占80%，由于荷載作用而引起的裂縫約占20%。

1.2 按裂縫的深進分類

裂縫按深進的情況可分為表面裂縫、深入裂縫、貫穿性裂縫。

1.3 按裂縫的形成分類

1)靜止裂縫:形態(tài)、尺寸和數(shù)量均已經穩(wěn)定不再發(fā)展的裂縫。

2)活動裂縫:寬度在現(xiàn)有的環(huán)境和工作條件下始終不能保持穩(wěn)定，隨著結構構件的受力、變形和環(huán)境溫濕度變化而時張、時閉的裂縫。

3)尚在發(fā)展的裂縫:長度、寬度或者數(shù)量尚在發(fā)展，但經歷一段時間后將會終止的裂縫。

2 常規(guī)的混凝土結構裂縫修補方法

在混凝土結構裂縫修補前，需要對原有混凝土結構進行可靠性分析，綜合判斷結構承載力是否滿足要求。若承載力不足，需對結構加固后再進行裂縫修補。

1)表面修補法。

通過在裂縫表面涂抹水泥砂漿、聚合物水泥膏等修補材料，恢復結構的防水性和耐久性要求。主要用于處理靜止的和對結構承載力沒有影響的，但會有損美觀或將導致鋼筋銹蝕的表面以及深入細微裂縫(裂縫寬度小于0.2 mm)。涂料應選擇粘結力強、耐久性好的材料，對于活動裂縫應采用彈性材料。該方法的缺點是修補工作無法深入到裂縫內部。

2)灌漿法。

利用壓力設備將膠結材料(如樹脂漿液、聚合物漿液等)壓入混凝土的裂縫中，膠結材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而起到恢復結構整體性、防水性和耐久性的目的。適用于對獨立裂縫、貫穿性裂縫、混凝土的蜂窩狀缺陷等有影響結構整體性和防水性的裂縫修補。

3)填充密封法。

在構件表面沿裂縫走向騎縫鑿出V，U形溝槽，然后嵌填修補材料，適用于寬度大于0.5 mm且鋼筋銹蝕的活動裂縫或靜止裂縫。填充完畢后，其表面應做防護層。

3 ECC修補混凝土結構裂縫的工程案例

3.1 擋土墻的表面修補［2］

2003 年，日本對一座已經服役30年的混凝土擋土墻(寬約18 m，高約5 m)進行了表面修補。由于堿骨料反應導致?lián)跬翂Ρ砻娑嗵庨_裂，工程采用ECC和修補砂漿進行了對比修補，并通過鋪設焊接鋼絲網等增加界面粘結強度。

修補24個月后，采用ECC修補的墻面出現(xiàn)的裂縫小于0.12 mm，并且細微裂縫呈網狀，而與之對比的砂漿修補的墻面則出現(xiàn)了0.3 mm的裂縫。與砂漿相比，ECC具有多縫開裂特性，能夠控制基體內部反射到表面修補層的裂縫。在一定程度上減少了外界物質的侵入，提高了結構的防水性和耐久性。如圖1所示是修補前后的對比。

圖1 邊坡修補前后對比

3.2 大壩的表面修補［3］

2003 年，日本對廣島一座已經服役60多年的水壩進行了修復。通過對大壩強度可靠性分析，大壩承載力滿足要求，但由于長期使用，壩體表面保護層混凝土嚴重老化、開裂，導致大壩防水性和耐久性下降，所以壩體表面約600 m2的混凝土保護層需要進行修復。最后工程在大壩表面噴射了一層20 mm厚的ECC作為覆蓋層，并通過設置鉚釘增加覆蓋層與原基體的粘結強度。整個修補過程簡單而高效，恢復了大壩的防水性和耐久性要求，如圖2所示。

圖2 大壩總圖和施工圖

4 ECC修補混凝土結構裂縫的技術分析

4.1 ECC的材料特性

ECC具有多縫開裂以及應變硬化的特性，從目前的研究看，ECC具有如下基本性能:抗疲勞能力強、變形能力強、耐久性和抗裂性能好以及良好的抗凍融性能?；緷M足修補材料的性能要求，是一種理想的耐久性修補材料。

4.2 能夠修補的裂縫

通過國外的工程案例，結合已有的混凝土結構裂縫處理技術，ECC可以應用于大面積混凝土結構開裂的表面修補。例如混凝土結構長時間工作而老化、堿骨料反應等，特別是需要大面積修補的結構(如大壩、擋土墻、飛機跑道等)，并且可以采用噴射技術，大大提高作業(yè)效率。雖然ECC具有較強的變形能力，但是能否修補活動裂縫和尚在發(fā)展中的裂縫還要進一步驗證。在實際工程中，混凝土開裂往往是多因素造成，并且開裂形式多樣。ECC是一種表面修補的良好材料，但還是無法深入到結構內部，所以需要采用多種修補方式結合的辦法，ECC可作為最后一步工序的表面覆蓋修補。

4.3 施工工藝

ECC修補混凝土結構裂縫與常規(guī)的表面修補法的施工工藝幾乎相同，施工程序為:裂縫調查→裂縫表面打磨→清理→涂刷或噴射ECC修補材料。如作業(yè)面積較大，應設置鋼絲網、鋼筋網片等，提高修補層與原基材的粘結強度。最重要的是選擇合適的材料，配制出性能可靠的ECC。

5 結語

混凝土結構裂縫的修補目的是為了恢復結構的防水性和耐久性。裂縫的種類和形式很多，要從根本上解決混凝土裂縫問題，需要正確判斷和分析混凝土開裂原因，并結合裂縫性狀、結構重要性和環(huán)境條件等因素來選擇修補材料和修補方法。ECC是一種理想的大面積混凝土開裂表面修補材料，但還面臨以下問題:

1)我國的ECC研究起步較晚，目前還處在實驗室研究階段，并且ECC的制作成本較高，所以要加速制備技術的改進以及原材料的國產化發(fā)展。

2)作為表面修補材料，要保證ECC與原基材有足夠的粘結力，對于ECC與原基材的粘結強度需要進一步深入研究。

3)目前國內還沒有ECC修補混凝土結構裂縫的案例，特別是噴射修補技術還要進一步研究。

［1］徐世烺，李賀東.超高韌性水泥基復合材料研究進展及其工程應用［J］.土木工程學報，2008，41(6):45.

［2］Rokugo K，Kunieda M，Lim S C.Patching Repair with ECC on Cracked Concrete Surface［C］.Proc.CONMA T 5，Aug.2005.

［3］Kojima S，Sakata N，Kanda T，et al.Application of direct sprayed ECC for retrofitting dam structure surface application for mitakadam［J］.Concrete Journal，Japan Concrete Institute，2004，42(5):135-139.