混凝土结构裂缝修复技术研究进展.pdf

中国科技核心期刊 新 建魄 混凝土结构裂缝修复技木研究进展 黄微波， 李晶， 伯忠维， 高金岗 青 岛理工大学 功 能材料研究所 ， 山东 青 岛2 6 6 0 3 3 摘要 简要阐述了混凝土结构裂缝修复的重要性， 详细介绍了混凝土置换法、 填充灌浆法、 表面修补法、 结构加固法、 电化学沉 积法、 混凝土裂缝 自修 复法及聚脲技术这 7种修 复技术的适用条件 、 施工 工艺和优缺 点， 其 中聚脲修 复技术 因具 有优异 的修 复性 、 耐久性、 绿色环保性而成为新一代裂缝修复技术。 关键词 混凝土结构 裂缝修复； 聚脲技术 中图分类号 T U 4 7 2 ． 5 文献标识码 A 文章编号； 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 4 0 6 0 0 8 0 0 4 Th e r e s e a r c h p r o g r e s s o n c r a c k s r e p a i r t e c h n o l o g y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e HU ANG We i b o ， L I J i n g， BO Z h o n g w e i ， G A0 J i n g a n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f F u n c t i o n a l M a t e ri al s ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， S h a n d o n g ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r b ri e fl y d e s c ri b e s t h e i mp o r t a n c e o f r e p a i ri n g c r a c k s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s ， a n d i n t r o d u c e s i n d e t ai l t h e a p p l i c a b l e c o n d i t i o n s ， c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s ， a d v a n t a g e s and d i s a d v a n t a g e s o f s e v e n k i n d s o f c r a c k i n g me n d i n g t e c h n i q u e s ， wh i c h are c o n c ret e r e p l a c e me n t me t h o d， fil l i n g g r o u t i n g me t h o d ， s u r f a c e r e p a i r me t h o d， s t ruc t u r a l r e i n f o r c e me n t me t h o d， e l e c t r o c h e mi c a l d e p o s i t i o n me t h o d， c o n c r e t e c r a c k s e l f- rep airin g me t ho d an d p o l y u r e a t e c h n o l o g y ． I n wh i c h ， t e c h n o l o gy o f rep airin g c r a c k s wi t h p o l y u r e a b e c o me a n e w g e n e r a t i o n c r a c k i n g me n d i n g t e c h n i q u e wi t h o u t s t a n d i n g r e p airin g e ffe c t ， d u r a b i l i t y， a n d e n v i r o n me n t p rot e c t i o n． ● Ke y wo r d s c o n c ret e s t r u c t u re； r e p air c r a c k s ； p o l y u r e a t e c h n o l o gy 0 前言 1 混凝土结构裂缝修复的重要性 由于混凝土中各种组成材料变形不一致，互相约束而产 生初始应力，造成骨料与水泥石粘结面或水泥石本身之间出 现肉眼看不见的细微裂缝。 当裂缝宽度小于0 ．0 5 m m时， 对结 构使用不会造成影响。但由于荷载作用、 温差作用、 不均匀沉 降和施工操作不规范等原因， 会导致裂缝进一步扩展并逐渐 贯通， 从而带来较严重的质量问题或导致事故的发生， 引起 经济损失甚至人员伤亡。因此， 对混凝土裂缝的适时修复将 有效改善和提高建筑物或构筑物的安全性和耐久性。裂缝 修复是能够保持或加强混凝土结构性能的一种修复技术。 混凝土裂缝修复技术较为成熟， 且方法较多。随着科技的进 步， 新技术、 新材料不断涌现， 混凝土结构裂缝修复技术也 在不断革新。 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 4 作者简介 黄微波， 男， 1 9 6 3 年生， 重庆人， 教授， 博士生导师， 长期从 事新型功 能材料研究 。地址 山东省青 岛市市北 区抚 顺路 1 1号青岛 理工大学 1 1 1 信箱 ， E ma i l l i j i n g 2 0 1 2 6 1 9 s i n a ．c n 。 8 0 新型建筑材料 2 0 1 4 ． 6 混凝土裂缝对混凝土结构有着很大的安全隐患。 1 裂缝影响混凝土结构的承载能力 裂缝会降低其刚度 和抗剪强度， 使钢筋承受拉力大于设计拉力， 从而影响其承载 力； 2 裂缝引起钢筋锈蚀 裂缝的存在会使水分或各种腐蚀 介质渗入结构体内，导致钢筋锈蚀或降低骨料强度而对整体 结构带来危害。 在寒冷环境， 裂缝会加重冻融对混凝土结构的 损害， 使保护涂层开裂、 脱落而失去保护性能； 3 影响结构的耐久性 裂缝会使各种有害杂质进入混凝 土中， 加速了钢筋的锈蚀和混凝土的碳化， 使得混凝土结构的 耐久性大大降低； 4 影响结构的封闭性 核电站、 疫苗培养空间等场所要 求结构具有良 好的封闭性，一旦有裂缝出现将会带来严重的 后果； 5 影响结构的舒适度 严重时可能导致构件， 甚至工程 全部报废， 造成较大的经济损失。 综上所述， 混凝土裂缝修复对提高结构的安全性、 耐久性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 黄微波， 等 混凝土结构裂缝修复技术研究进展 具有重要意义。 2 现有的混凝土裂缝主要修复方法 现有的混凝土裂缝修复方法主要有混凝土置换法、 填充 法、 灌浆法、 表面修补法、 结构加固法、 电化学沉积法、 混凝土 自 修复法。 2 ． 1 混凝土置换法 混凝土置换法通常应用于混凝土严重损坏或失效处的修 补， 首先将损坏的混凝土剔除， 再填入置换材料[ 1 】。混凝土置 换法的施工工艺 完全剔除损坏的混凝土， 将表层打毛， 然后 用高压水枪冲洗干净， 要求不得有任何杂物残留， 最后浇注置 换材料嘲 。该方法施工工艺复杂， 不易操作， 施工周期长， 影响 工期。 2 ． 2 填充法、 灌浆法 填充法主要用于修补水平面上较宽的裂缝。 其施工工艺 直接向裂缝内灌注修补材料， 对于小于0 _ 3 m m的裂缝， 应沿 裂 缝将混凝土开凿成u 型或V型 槽， 然后灌注修补材料。 对 于有钢筋锈蚀的裂缝， 应先加宽、 加深凿槽， 对钢筋彻底除锈， 然后涂刷防锈涂料， 再填充聚合物水泥砂浆、 环氧砂浆。填充 法对结构有一定的损伤， 适用范围较小， 像混凝土梁、 电杆、 轨 枕这些物件不宜采用。 ， 灌浆法一般用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混 凝土裂缝的修复。该方法采用高压设备将修补材料压入裂缝 中， 使结构达到整体防护的目的。 灌浆法分为水泥灌浆法和化 学灌浆法， 当裂缝宽度小于2 m m时， 采用化学灌浆法， 该法可 有效防水， 但对开裂部分粘结不够好；当裂缝宽度大于2 m m 时， 采用水泥灌浆法， 优点是适用于潮湿环境， 凝结时间可控 制， 可用于非常细微的裂缝， 缺点是工艺要求高， 是否与结构 形成整体很难判定， 另外， 整体强度较低口 】 。 2 ． 3 表面修补法 表面修补法应用于对结构强度没有影响或会使钢筋发生 锈蚀的地方， 主要以提高结构的防水性及耐久性为目的。 该方 法的 修补环境分为 可骑缝涂覆修补和 全部涂覆修补2 种 。 要求裂缝宽度小于0 ． 2 m m ， 表面修补法施工简单， 但是涂料 无法深入到裂缝内部，而且我国目前还缺少耐久性和防水性 可靠而价格适中的涂抹材料。 2 ． 4 结构加固法 结构加固法是应用于对混凝土结构的承载能力有影响或 可能导致结构发生破坏的裂缝进行修补和加固的一种方法。 结构加固法分为外包钢加固法、 加大截面加固法、 粘钢加固法 和碳纤维加固法。 外包 钢加固法主要应用于不允许增大原构件截面尺寸， 且有大幅提高截面承载能力需求的框架梁、 柱、 牛腿等大型结 构或大跨结构的裂缝修补同 ； 加大截面加固法主要适用于混凝 土梁、 板、 柱等一般陆基混凝土裂缝修补f 7】 ， 该方法是在结构外 侧包钢筋混凝土围套，并使其与基体起到协同作用以增大截 面， 提高承载力； 粘钢加固法是在混凝土结构表面用高性能胶 将钢板粘牢嗍 ， 该方法适用于受弯、 受拉的混凝土构件， 要求钢 板的厚度大于2 m m ， 粘结胶需具有附着力好、 耐老化及强度 高的特点； 碳纤维加固法是利用碳纤维片材通过专用树脂类 胶结材料粘结于构件表面， 使碳纤维片材承受拉应力， 且与混 凝土变形一致， ‘ 共同受力， 达到恢复和提高结构的承载力 。 碳纤维加固法具有适用范围广、 施工简便、 对结构不产生损伤 和具有 优良 的 耐化学腐蚀性等优点。 2 ． 5 电化学沉积法 电化学沉积法在金属材料行业中应用十分广泛，近年来 主要用于对传统修复技术难以奏效或修复价格太高的水下混 凝土裂缝， 主要修复对象是海洋环境中的混凝土结构。 其基本 原理为 以带裂缝的海工混凝土结构中的钢筋为阴极， 同时在 海水中放置难溶性阳极， 两者之间施加电压， 在电场的作用下 正负离子分别向两极移动， 并发生一系列的电化学反应， 最后 在海工混凝土结构的表面和裂缝里生成沉积物，覆盖混凝土 表面， 愈合混凝土裂缝， 原理如图1 所示。 有研究表明旧 ， 使用 该方法能使混 凝土 裂缝达到完美愈合，且能有效 地防 止钢筋 腐蚀。 图 l 电沉积法修复混凝土裂缝原理示意 2 ． 6 混凝土裂缝 自修复法 ’混凝土裂缝自 修复法包括 结晶沉淀、 渗透结晶和聚合物 固化。 结晶沉淀法是在水介质的作用下， 通过物理、 化学和热、 力学等一系列过程，在混凝土裂缝中生成碳酸钙沉淀，经聚 集、 生长达到修复目的【l 1 】 。 该方法需要在有水或者足够湿度的 条件下进行， 在有拉应力、 水流速度大和活动裂缝时该方法将 失效。 渗透结晶技术是以水为载体，经渗透作用使活性外加剂 中的 活性化学物 质在混凝土微裂缝中形成晶体，且 促使混凝 NE W B Ul L DI N G MAT E R I AL S 8 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 黄微波， 等 混凝土结构裂缝修复技术研究进展 土中未完全水化的水泥颗粒继续水化， 使裂缝愈合I1 2 1。 由于该 方法具有抗渗性能与自 愈性能好、 防止钢筋锈蚀、 易于施工等 特点， 被广泛应用于地下工程、 水利工程、 蓄水池、 污水处理等 结构防水中， 且获得了良好的效果。 聚合物固化技术是将装有修复材料的胶囊放入混凝土 中， 当混凝土形成裂缝时， F h 于应力作用使胶囊破裂释放出修 复材料， 达到裂缝修复的目的【 l 3 】 。 胶囊的材质要求在产生裂缝 时破裂，修复材料需要具有良好的粘结性能且强度不能小于 混凝土自 身 强度。 采用聚合物固化技术修 复混凝土裂缝应从 强度回复率、 应力一 应变曲线以及断裂能几个方面来评价其 修复效果。 以上几种处理方法虽然能起到一定的效果，但是工艺复 杂， 修复效果不好或材料易老化、 寿命短、 强度低、 防护性能欠 可靠等缺点， 因此， 寻求一种可对混凝土结构实现长期有效的 修复技术显得至关重要。 3 混凝土裂缝修复新技术一 聚脲技术 3 ． 1 技术优势 聚脲技术㈣ 是近十几年发展起来的一种新型无溶剂、 无 污染、 节能环保的混凝土裂缝修复施工技术， 聚脲是由异氰酸 酯封端的预聚物 简称A组分 与氨基化合物组分 简称 R组 分 反应生成的高聚物。 聚脲技术与以上常见混凝土结构裂缝修复方法比较如表 1 表 1 聚脲技术与现有混凝土裂缝修 复方法 的比较 通过表 1 对比可知，聚脲技术用于混凝土裂缝修复具有 以下优势 1 力学性能优异， 拉伸强度可达2 0 M P a 以上， 硬度可以 根据需要从A 3 0 一 D 6 5 可调。附着性能优异，附着力高于2 ． 5 M P a 。且能够抵御昼夜、 四季环境温差造成的热胀冷缩， 混凝 土不会产生开裂和脱落现象； 2 快速固化， 聚脲反应 一 N C 0 R _ 一 N H ， - -- R N H C O N H 非常迅速， 可以不受环境温、 湿度的影响， 凝胶时间以秒计算， 5 ra i n内即可达到步行强度； 8 2 新型建筑材料 2 0 1 4 ． 6 3 施工方便快捷， 效率高。喷涂输出量大、 可连续操作， 一 次涂装便可以达到2 m m以上的厚度，可实现对裂缝有效 的修复。 且能在任意曲面、 斜面、 垂直面及顶面连续喷涂成型， 不产生流淌现象； 4 零v o c ， 符合环保、 节能、 减排、 低碳的要求。拥有超 长的耐老化性能； 5 聚脲化学活性极高， 不需要添加任何催化剂， 拥有超 长的耐老化性能， 寿命在7 5 年以上。青岛理工大学功能材料 研究所的大量理论与工程应用研究也证实了这一点。同时具 备高效防水、 耐腐蚀、 抗冻融、 抗冲击、 抗疲劳破坏等常规涂料 所不具备的性质， 修复效果突出㈣ ； 色彩能与环境保持一致， 喷涂后保持原样且表面光亮平整， 具备很好的装饰性。 此外还 可以根据施工环境的改变， 灵活地进行配方设计， 从而达到混 凝土修复要求的性能。 3 ． 2 施工 工 艺 ． 聚脲技术的施工工艺主要包括基材处理、 底涂施工和聚 脲喷涂 道工序n 5 ． 堋 。 1 基材处理， 基材处理的好坏直接影响聚脲的性能。施 工时应保证基材表面清洁、 干燥， 不得有蜂窝麻面、 浮碴、 浮 土、 脱模剂和油污等杂质。表面的毛刺用角磨机磨平， 棱角和 尖端突起处尽量做到圆弧过渡。 2 底涂是连接聚脲涂层与混凝土的桥梁， 底涂性能直接 影响聚脲的附着力。 常用的施工方法有辊涂和喷涂。 对于底涂 材料要求现配现用， 底涂不能与水接触， 施工环境湿度较大时 应减小底涂涂层厚度。 - 3 聚脲喷涂应用成套喷涂设备， 喷涂设备要求 性能 ① 喷涂时压力在 1 1 ． 7 l 7 ．2 M P a ，这样可以确保 A 、 B两组分充 分混合和力学性能的形成； ②保证物料输送平稳、 计量精确、 混合均匀、 雾化良好。 一 此外， 聚脲技术涵盖了填充法、 灌浆法和表面修补法的优 点， 且将修补和防护融为一体， 符合我国节能减排、 绿色环保 的要求。 3 ． 3 工程应用 ． 本工程是对青岛市某酒店钢筋混凝土结构的楼板进行修 复， 如图2 所示。该酒店的现浇楼板出现大面积集中裂缝， 最 大宽度达到2 l n m以上， 同时出现渗水现象， 严重影响了结构 使用安全和美观。 采用聚脲技术对楼板进行修复施工， 喷涂成 型后迅速形成高强度高弹性的连续致密涂层。 施工流程为 将楼板面毛刺用角磨机磨平， 尖端突起处尽 量做到圆弧过渡， 消除尖端应力。 清除板面的浮碴、 浮土、 脱模 剂和油污等杂质， 保证楼面清洁、 干燥、 没有蜂窝麻面； 采用辊 涂的方法来涂底漆， 边、 角、 沟、 槽辅以毛刷刷涂施工； 用聚脲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m