压力注浆法修补混凝土裂缝的力学分析.pdf

第 3 9卷 ， 第 1 期 2 0 1 4年 2 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9，No 1 F e b， 2 0 1 4 压力注浆法修 补混凝土裂缝 的力学分析 冯英杰 ， 张 泽洲 ( 1 西北 民族大学 土木工程学院 ， 甘肃 兰州7 3 0 1 2 4 ； 2 兰州有色金属设计研究院 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 0 0 ) 摘 要 裂缝是 混凝 土工程 的常见病 害， 裂缝 的存 在会 影响混凝 土结构物 的耐久性 、 使用性 和安全性 。为延 长混凝 土结构 的使用寿命 、 使建筑物恢复正常使用 ， 通常采 取各种 办法对裂缝 进行修 补。压力注 浆法修 补混凝 土 裂缝是 目前较 常用 的方 法。本文从 以界 面粘结理论为依据 ， 先通过剪切粘结试 验测试混凝 土裂缝修 补试 件的力学 性能 及相关参数 ， 然后用 A N S Y S软件模拟混凝土试 件裂 缝分布及 破坏形态 ， 并进 行力学 分析 。研究结 果表 明 ： 理 论计算结果与试验结 果较接近 ， 证明 了计算方法的合理性 ， 理论分析 的结果可为工程应用提供可靠依据 。 关键词混凝土裂缝 ；压力注浆 ； 粘结理论 ； 力学分析 【 中图分类号 】T u 5 2 8 O 1 【 文献标识码】A 【 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) o l 一 0 2 4 2 0 4 M e c h a n i c a l An a l y s i s On Gr o u t i n g Co n c r e t e Cr a c k s W i t h Pr e s s u r e F E NG Yi n g j i e ，Z HANG Z e z h o u ( 1 N o r t h w e s t U n i v e r s i t y f o r N a t i o n a l i t i e s D e p a rt m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g L a n z h o u ， G a n s u 7 3 0 1 2 4 ， C h i - n a； 2 La n Zh o u Eng i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f No n f e r r o u s Me t a l l u r g y Co ， L t d，La n z h o u，Ga n s u 7 3 0 0 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t C r a c k i s a c o m m o n d i s e a s e i n c o n c r e t e e n g i n e e r i n g T h e c o n c r e t e c r a c k n o t o n l y r e - d uc e s t h e d u r a bi l i t y o f b u i l d i n g b u t a l s o a f f e c t s t he s a f e t y a n d u s e f u n c t i o n o f b u i l d i n g I n o r d e r t o l e n g t h- e n s e r v i c e l i f e o f b u i l d i n g a nd ma k e b u i l di ng r e s t o r e t h e no r ma l u s e t o me n d c r a c k b y v a r i o us me t h o d s Gr o u t i n g c o n c r e t e c r a c k s me t h o d wi t h p r e s s u r e i s mo r e c o mmo n me t h o d t o r e p a i r c o n c r e t e c r a c k s I n t hi s a r t i c l e，a n a l y s i s b a s e o n t h e i n t e r f a c e b o n d i n g p r i n c i p l e t h e f i r s t ，t h r o ug h t he s he a r b o n d t e s t ，t e s t e d t he me c h a ni c a l p r o p e rti e s a nd r e l a t e d p a r a me t e r s o f c o n c r e t e s p e c i me n s r e p a i r e d c r a c k s，a n d t h e n u s i n g t he ANS YS s o f t wa r e t o s i mu l a t e a n d a n a l y s e t h e d i s t r i b u t o r o f c r a c k s a n d f a i l u r e mo d e l s Th e s e c o n c l u s i o n s a r e p r o v e d t r u e b y ma k i n g u s e o f nu me r i c a l a n a l y s e s me t h o d Th e s e t h e o r i e s a r e u s e f u l for e ng i n e e r i ng a p p l i c a t i o n Ke y w o r d s C o n c r e t e c r a c k ； G r o u t i n g w i t h p r e s s u r e ；B o n d i n g t h e o r y ；Me c h a n i c a l a n a l y s i s 0 引言 裂缝是混凝土结构 的通病 ， 裂缝一旦出现便不 可恢复 ， 而由于裂缝 的存在 ， 环境中的有害物质会轻 易进入混凝土内部 ， 造成混凝土腐蚀、 劣化。混凝土 裂缝导致结构的耐久性、 安全性下降。混凝土结构 出现裂缝后 ， 需要恢复其整体性和使用功能 ， 就需要 对 已出现的裂缝进行修补。压力注浆法修补混凝土 裂缝是混凝土裂缝修补 的常用方法 之一 ， 此方法通 过注浆材料对混凝土裂缝进行封堵 ， 同过混凝土裂 缝修补注浆材料重新粘结混凝土， 恢复其整体性 ， 重 新建立力的传导。而试验表 明， 对裂缝的修补不但 延缓和阻止混凝土劣化的进一步发展， 同时延长了 混凝土结构物的使用寿命和使用安全性。 1 粘结界面的几种粘结理论 关于粘结理论 目前尚未成熟和统一 ， 各 自均是 从某一角度去探讨和解释粘结机理。 1 1机械 结合 理论 被粘物表面粗糙不平时， 可与粘结材料互相嵌 固、 咬合 ， 增加了摩擦力和实际接触面积， 从而大大 增加了粘附力 ， 在所研究 的被粘物即旧混凝土表面 粗糙多孔时 ， 可使胶凝材料渗入细孔和裂缝中， 由于 楔键的作用 ， 凝结硬化后 的界面粘结材料保留在细 【 收稿 日期2 0 1 3 0 4 1 8 作者简 介】冯英 杰( 1 9 7 8 一) ， 女 ， 内蒙古赤峰人 ， 硕士， 讲 师， 研究方向 ： 建筑材料与桥梁工程。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 冯英 杰 ， 等 ： 压力注浆法 修补混凝土裂缝 的力学分析 2 4 3 孔 内， 因而使胶结强度提高。但是 ， 过 于粗糙 的表 面 ， 又会使粘结强度下 降。这是 因为牯结剂在被粘 材料 的表面受到影响 ， 凹处容易残留气泡， 表面尖峰 能切断胶层 ， 出现 “ 缺胶” 现象。因此， 粘结界 面处 的浆体浸润不均匀 ， 使得界面粘结处 出现空隙， 影响 粘结强度 。 1 2吸 附 理 论 这种理论认为粘结的过程分两步进行 。第一阶 段是粘结剂的大部分分子通过布朗运动迁移到被粘 物的表面， 粘结剂的极性基 团逐渐 向被粘物的极性 基团靠近。第二阶段是吸附作用 ， 当粘结与被粘物 之间的距离小于 5埃 ( 1埃 =1 0 。 m) 时 ， 分子 间的 引力发生 作用。吸附力包 括 ：氢键 、 色 散力 、 偶极 力 、 诱导偶极力。 1 3静 电理论 静电理论把粘结剂与被粘结物看作是一个电容 器。在这种情况下 ， 电容器所储存 的能量与粘 附功 相等。当粘结剂与被粘结物剥离 时， 二极板之 间产 生了电势 ， 到一定程度便产生放 电现象。在快速剥 离时， 电荷没有足够时间放电， 要在较长的距离内克 服正 、 负电荷的引力 ， 这就是快速剥离时粘结力较大 的原 因 。 1 4扩散 理论 扩散理论是建立在线性高分子热运动的基础上 的。由于粘结剂与被粘结物表面互相扩散 ， 即发生 界面互溶 ， 导致界面消失 ， 形成牢固的接头 ， 此 接头 的强度大大超过粘结剂和被粘物的强度。 1 5化 学键机 理 化学键理论认 为， 粘结剂与被粘结物的表面是 通过化学反应形成化学键而产生粘结强度的。化学 键分为离子键 、 共价键与金属键 ， 它们 的键能分别为 5 8 61 0 4 7 k J 克分子与 1 1 3 3 4 8 k J 克分子 ， 比范 德华力能量要大得 多， 因而如果粘结剂与被粘结物 表面若能形成化学键 ， 就利于粘结强度的提高。 总之， 粘结是机械力、 吸附力、 化学键的作用以 及相互扩散的综合作用的结果 ， 各 种力 的贡献 目前 尚不能用试验来加 以鉴别。因此在处理界 面粘结 时 ， 需要进行综合考虑。既要考虑机械力、 吸附力， 亦要考虑到化学键的作用， 有时还 要考 虑相互扩散 作用的影响 。只有各种有利因素都发挥 了作用， 才 能获得理想 的粘结强度。 混凝土裂缝修补 的整体效果主要通过注浆材料 与混凝土的良好粘结 以形成牢固的粘结界面及注浆 材 料 本身 的性 能来 实现 。 2 裂缝修 补 后 的混 凝土试 件 粘 结抗 剪 强度 试验 2 1 混凝 土试验 配合 比 ( 见表 1 ) 表 1 剪切 强度试验 配合 比 Ta b l e 1 t h e c o n c r e t e de s i g n o f s h e a r s t r e ng t h 注 ：碎 石 最 大 粒 径 3 1 5 mm。 2 2粘 结 剪切 试件 的制备 制作 1 0 0 f i l m1 0 0 m i l l 1 0 0 m m 的立方 体试 件， 待立方体试件 3 d龄期后 ， 将 粘接面打磨 粗糙 ， 然后用注浆材料按 1 0 h i m宽度 ， 将 3 m 试件粘合 成如图 1所示的模拟裂缝修补后的混凝土剪切强度 试件 。 待试件标养 2 8 d后用双剪法进行剪切强度试 验 ， 如图 2所示 。 L卜 _ P l _ _ J 图 1 粘结抗剪试验试件 尺寸 示意 图( 单位： m m ) F i g u r e 1 t h e di a g r a mma t i c s i z e o f b o nd i n g s p e e i me n f o r s h e a r t e s t ( u n i t ： mm) f f 图 2抗剪试验示意 图 Fi g u r e 2 t he d i a g r a mma t i c s i z e o f s h e a r t e s t 2 3试 验 现 象及 结 果 从 试 件 的破 坏 状 态 看 ， 主要 是 混凝 土与 注 浆材 料表面的粘 结界面发生破坏 ， 表现 为撕裂 破坏( 见 图 3 ) 。 试件抗剪强度按下式计算 ： ： ( 1 )2 b h 一 ( J 式 中： 为混凝土抗剪强度 ， MP a ； N为最大破 坏荷 载 ， N； b为试件平均宽度， m m； h为试件平均高度 ， mm o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路工程 3 9卷 图 3 用注浆材料粘结的混凝土试件破坏 形态 F i g u r e 3 t h e f a i l u r e p at t e r n o f c o n c r e t e s p e ci me n wi t h g r o u t i ng m a t e r i a l 表 2模拟试件 ( 1 0 0 mm 1 0 0 mi l l 3 0 0 mm) 剪切破坏荷 载 T a b l e 2 t h e s h e a r f a i l u r e l o a d s o f s i m u l a t i o n s p e c i m e n( 1 0 0 mm x 1 0 0 mm x 3 0 0 mm) 3 AN S Y S软件模拟混凝土抗剪强度试验 A N S Y S的 S O L I D 6 5单元是专为混凝土、 岩石等 抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开 发的单 元 。 。它可以模拟混凝 土材料的拉裂和压溃现象 。 S O L I D 6 5单元最多可以定义 3种不同的加固材料 ， 即此单元允许 同时拥有四种不同的材料。混凝土材 料具 有 开裂 、 压碎 、 塑性 变形 和蠕 变的能力 。 3 1参数 的确 定 通过试验测得 C 5 0混凝土 1 0 0 mm x 1 0 0 m m 1 0 0 m m立方体抗压强度为 5 8 MP a ， 则转化为混 凝土标准 立方 体抗压 强度 =5 80 9 5=5 5 1 MP a。 我国设计规范规定 C 5 0混凝土 的棱柱体 抗压强度与立方体抗压强度的比值取 0 7 6 ， 则 ： = 5 5 10 76=41 8 7 6 MPa 。 C 5 0混凝土的弹性模量随抗 压强度而增大 ， 但因所用粗骨料的种类 、 质量和含量而又变化。我 国的试验 结果 给 出混凝 土 的弹性模 量约 为 ： E 。 = 4 5 0 0 + 5 0 0 0 MP a ( 2 ) 当厂 c = 5 5 1 M P a 时， 算得 E 。 = 4 5 0 0 5 5 1 + 5 0 0 0 =3 8 4 1 0 MPa 。 C 5 0 t 昆 凝土的受压峰值应变 s 。 随抗压强度 ( 厂 c 或 ) 增大， 计算式为： s p = ( 7 0 0 + 1 7 2 以 ) 1 0 ( 3 ) 当厂 c =4 1 8 7 6 MP a时 ， 算 得 s =( 7 0 0+ 7 2 、 )X 1 0 =1 8 1 31 0 C 5 0混凝土的弹性 阶段的泊松 比值 ， 为 0 2 0 2 8之 间 ， 这里 取 0 2 。 C 5 0混凝 土受压应力一应 变全 曲线 也满足 普通混凝土全曲线的全部条件 ， 因而也可以采用相 同的分段式 曲线 方程 ： 1 Y= +( 32 ) +( 一 2 ) ( 4 ) 1 Y =_ ( 5 ) o t d ( 一1 ) + 袁 = f n ， Y = o j c 参数 0 和 O t d可以按下式计算 ： 暑4 - 0 O lfctt132fi 090 5 ) d = 0 一 J 一 由 = 5 5 1 MP a ， 代人上式 得： =1 8 4 9 ， o t d =1 0 06。 由此得到 C 5 0混凝 土受压应 力一应 变全 曲线 方 程为 ： 1 Y=1 8 49 一0 6 9 8 一01 51 ： y 1 0 0 6 1。 f 一 1 + 3 2 A N S Y S软 件计 算结 果 C 5 0混凝土的受压应力一 应变曲线如图 4所示。 S T RAI N(1 0一 j1 图 4混 凝 土 受 压 应 力 一应 变 曲线 F i g u r e 4 t he s t r e s s s t r a i n c u r v e o f c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e ng t h 将计算出的 C 5 0混凝土参数： 弹性模量 3 8 4 1 0 M P a ， 泊松比 0 2 ， 模型中考虑混凝土的非线性 ， 裂缝张开传递系数 0 5 ， 裂缝闭合传递 系数 0 9 ， 应 力一 应 变 曲线 ； 注 浆 材料 弹性模 量 E =0 6 4 1 0 MP a ， 泊松比0 2 ， 输入模型进行计算 。 裂缝宽度设为 1 mm， 如果混凝土一个试件模型 尺 寸设 为 1 0 0 m m 1 0 0 m m x 1 0 0 m m， 对 于 A N S Y S 有限元模型来说， 有限元 网格划分规定 长细 比不超 过 5 ， 这样就会使得单元数 目过大 ， 给运算带来很大 困难 。因此 ， 一个 混 凝 土 试 件模 型 尺 寸 设 为 5 0 mm 加 勰 加 L 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 2 6 2 公路工程 3 9卷 1 9 0型级配 ， 同样细型级配混合料所测得 的扭矩值 在 1 2 01 7 0 o C温度下都要高于粗型级配， 这说明对 于 1 9 0型级配， 高温下粗型级配的工作性要 比细型 级配好 ； 但是随着温度的升高 ， 粗型级配和细型级配 的工作 性差距 越来 越 大 。 由图 8可知 ：一般情况下 ， 最大公称粒径大 的 混合料的工作性差 ； 当最大公称粒径相同时， 级配偏 细的混合料的工作性差。在实际工程经验 中， 可 以 发现： 在沥青混合料压实过程 中， A C 1 3混合料易于 A C 1 6混合料 ， 而 S MA1 3混合料易于 A C 1 3混合料。 3 结语 本文采用沥青混合料和易性试验仪， 测定不同 沥青 、 不同级配下混合料 的工作性 ， 通过对试验结果 进行分析， 主要得出以下结论 ： 相同级配下 ， 沥青 结合 料粘度越 大， 混合 料 的工作性越差 。对 于不 同级配的混合料工作性 ， 由 于粗集料含量 、 细集料含量、 沥青用量 的不 同， 导致 混合料工作性差异 比较大； 通过对沥青粘度与温度之间关系研究 ， 发现 壳牌 9 0 基质沥青在 1 2 01 3 5较为敏感 ， S B S改 性沥青在 1 3 51 5 0 o C较为敏感。当温度高于敏感 温度范围时， 沥青粘温曲线趋于稳定， 由此推断出混 合料的压实特性在温度高于敏感温度时趋于稳定 ； 通过级配对 沥青混合料工作性 的敏感性研 究 ， 得出最大公称粒 径大越大 ， 混合料 的工作性越 差 ； 而最 大公称粒径相 同， 粗集料 ( 4 7 5 m l n以上) 含量相同的混合料 ， 细型级配的混合料工作性较差。 沥青混合料 的工作性对沥青混合料施工有 非常重要的影响， 直接影响着沥青混合料的拌和、 运 输 、 摊 铺 和压实 ， 而施 工 时各个 工序 的混合 料状 态直 接影响着沥青路面 的施工质 量。因此 ， 研究沥青混 合料的工作性， 对进一步优化沥青混合料的设计 以 及指导沥青路面的施工具有重要意义。 8 9 1 O 1 1 1 2 1 3 参考文献 Ma r v i l l e t J a n d P Bo u g a hWo r k a b i l i t y o f Bi t u mi n o us Mi - x e s D e v e l o p me n t o f a Wo r k a b i l i t y Me t e r z P r o c e e d i n g s ， As s o c i a t i o n o f As p h a l t P a v i n g te c h n o l o g i s t s Vo l u me 48 De n - v e r ，Co l o r a d o 1 9 7 9 孙 洁热拌沥青混合料施 工压实过程 中温度场变化 规律研究 D 长沙 ： 长沙理工大学 ， 2 0 0 9 康卫沥青混合料 集料级配 的变异性与动态控制措施 J 公 路工程 ， 2 0 1 2， ( 0 2 ) ： 1 4 91 5 2+1 5 7 秦永春 ， 王随原 ， 石小培 ， 等国外温拌沥青混合料工作性能研 究综述 J 中外公路 ， 2 0 1 3 ， ( 0 1 ) ： 2 4 22 4 4 唐娴 ，刘建超 ， 谢 淑琴 沥 青混合 料工作 性路 用性能 的探索 J 铁道建筑 ， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 9 2 9 3 廖克俭 ， 丛 玉凤道路沥青 生产与应 用技术 M 北京 ： 化学 工业 出版社 。 2 0 0 4 张起森 ， 王辉 ， 胡旭东译热拌沥青混合料铺面手册 M 北 京 ：人民交通 出版社 。 2 0 0 8 Ma r v i l l e t J a n d PBo u g a hWo r k a b i l i t y o f Bi t u mi n o u s Mi - x e s D e v e l o p me n t o f a Wo r k a b i l i t y Me t e r z P r o c e e d i n g s ， As s o c i a t i o n o f As p ha l t Pa v i n g t e c h n o l o g i s t s Vo l u me 4 8 De n - v e r 。Co l o r a d o 1 9 7 9 J T J 0 5 2 2 0 0 0， 公路工程 沥青及沥青混合料试验规程 S 王立志道路沥青温 度敏感性 评价方 法的 研究 【 D 青 岛 ： 中国石油大学 ， 2 0 0 9 陈华鑫 ，刚增军 ，王应 龙，等S B S改性 沥青温 度敏感性 指 标研究 J 建筑材料学报 ，2 0 1 0 ，1 3( 5 ) ： 6 9 1 6 9 6 季社鹏 沥青混合料工作性及施工质量控制研究 D 西安 ： 长安大学，2 0 1 2 沈金安 沥青及沥青混合料路 用性 能 M 北京 ： 人 民交通 出 版社，2 0 0 1 ( 上接第 2 4 5页) 7 博弈创作室 AN S YS基础教程 与实例祥解 M 北京 ： 中国水 利水电出版社 。 2 0 0 4 8 L e n n a r t O s t e r g a a r d 。D a v i d L a n g e a n d He n r i k S t a n g E a r l y a g e s t r e s s - c r a c k o p e n i n g r e l a t i o n s h i p s f o r h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ，V o l u m e 2 6， I s s u e 5， J u l y 9 1 O 2 0 0 4，P a g e s 5 6 35 7 2 崔士起 ， 成勃 ， 王金山， 等 混凝土裂 缝压力注浆 的有限元分析 【 J 建筑结构 ， 2 0 0 7( S I ) 赵 国藩 高等 钢筋混 凝 土结构 学 M 北 京 ： 机 械工 业出版 社 ， 2 0 0 5 1J 1j， l二- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m