高寒地区桥墩混凝土开裂原因及修补材料研究.pdf

38 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 3 8 0 3 高寒地 区桥墩混凝土开裂原 因及修 补材料研究 周有禄 ， 熊治文 ， 牛 东兴 ， 李 奋 ， 张寿红 ( 1 中铁西北科学研究院有限公司 ， 甘 肃 兰州 7 3 0 0 0 0 ； 2 青藏铁路公司 ， 青海 西 宁8 1 0 0 0 7 ) 摘要 ： 对高寒地区的气温、 降水、 日照、 辐射等气候环境因素进行了调查， 分析 了环境 因素、 保湿养护和冻 融对混凝土开裂的影响， 提 出了高寒地区选择混凝土裂缝修补材料及方法的原则 ， 并对所选取的柔性环 氧树脂和改性 F E V E氟碳涂料的性能进行 了试验研 究。结果显示： 柔性环氧树脂的断裂伸长率提 高明 显 ， 与 基体 粘结 强度 高 ， 改 性 F E V E氟碳涂 料具 有 附着 力强 、 拉 伸 强度 高和 弹性 好 的特 点 。 关 键词 ： 高寒地 区 混凝 土裂缝 裂缝原 因 修 补材 料 试验研 究 中图分 类号 ： U 4 4 3 2 2文 献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 5 0 9 1 2 高寒地 区气候干旱少雨， 年平均气温较低 ， 13 温差 较大 ， 紫外线照射强烈 。这些 因素极大地加剧 了混凝 土的塑性收缩 、 干燥收缩等。尤其是每 13温度 、 湿度 的 交 替 变化 ， 使得 混凝 土 的应 力 不断 累加 ， 极易 导致 混凝 土开裂。另外 ， 高寒地 区桥墩混凝土结构在 长期使 用过程中， 承受高达数百应变的变形， 易造成混凝土表 面开 裂 ； 频 繁 的正负 温交 替 ， 极 易 引起 水 位变 动 区墩 台 混凝土遭受冻融破坏； 干燥气候条件会造成混凝土 的 干燥 收缩 加剧 。 多种 自然因素的作用， 极 易使混凝土结构产生裂 缝 。因此 ， 有必要针对 高寒地区气候 、 环境特点 ， 进行 桥墩混凝土裂缝修补技术研究。对于高寒地 区已经出 现裂缝的桥梁混凝土结构 ， 若采用适宜 的裂缝修补材 料 ， 可对裂缝 进行 有效治理 ， 从 而提高工程 的服务 质 量 ， 延长桥梁结构的服务寿命 ， 减少维修及重建费用。 1 高寒地区环境条件 1 ) 气温 青藏铁路以条带状 自北 向南穿越青藏高原， 气温 的分布规律受纬度 和海拔 高度 的影响 明显。海拔一 定 ， 气温随纬度的增加而降低； 纬度一定 ， 气温 随海拔 的升 高而 降低 。青 藏 高原 的气 温 因 受海 拔 的制 约 ， 具 有 明显 的垂 直 分带 性 。 已有 的资 料 表 明 ， 海拔 每 升高 1 0 0 I n ， 年平均气温下降 0 5 o C左右 。由于海拔高 ， 青 藏高 原大 部分 地 区的 年平 均 气 温 在 0 以下 ， 最低 可 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 4 1 0； 修回 日期 ： 2 0 1 5 - 0 7 2 O 基金项 目： 中国铁路 总公 司科技研究开发计划项 目( 2 0 1 3 T 0 0 3 - A)； 中国 中铁股份有限公 司科技研究开发计划项 目( 2 0 1 2 一 重大- 7 ) 作者简介 ： 周有禄 ( 1 9 8 4 一) ， 男， 甘肃 白银人 ， 工程师 ， 硕士。 达 一7 5 。 2 ) 降水 青藏高原降水主要集中在暖季的 6 9月 ， 占全年 降水的 8 0 以上 ， 降水主要 以冰雹 、 雪 等固态降水为 主， 全年固态降水天数是降雨的两倍 。该 区寒季气候 严 寒 ， 降水 极少 ， 因 而寒 季 基 本 不 积雪 ， 这 和 高 纬度 寒 区有明显的差别。在东北大小兴安岭地区降雪积雪主 要集中在最寒冷的冬季 ， 而青藏高原多年 冻土区的降 雪主要集中在暖季 ， 太 阳辐射强烈 ， 蒸发量大 ， 降雪很 快就融化蒸发 ， 因而该区雪盖薄， 积雪时间短。 该 区年蒸发量 1 0 0 01 5 0 0 m m， 降水量与蒸发量 比值约为 1 ： 5 ， 蒸 发量较大 的月份集 中在 69月， 其 蒸发量占全年的 1 2左右。 3 ) 13照 和辐射 青藏 高原 日照 时 问长且 强 烈。一 年 13照 时 数 长达 2 6 0 0 3 0 0 0 h 。 13照百 分率平均在 5 0 8 0 左右 。 由于海拔高空气密度小 ， 水气和气溶胶含量少 ， 大 气透明度高， 因而该 区太 阳辐射平 均年总量 6 7 0 0 9 2 0 0 M J m ， 居全 国之 最 。高原 和 内地 同纬 度地 区太 阳的总辐射值差别很大 ， 高原的总辐射值 随海拔的升 高而增 加 。 高原 夏季夜 间 空气湿 度较 大 ， 甚 至趋 于饱 和 ， 这 也 是高原多夜雨的原因之一 。研究表 明， 高 原西南边 缘可能为高原水汽来源的重要通道之一 ， 其水平输送 可影响高原部分地区的水汽分布及其近地表水汽垂直 分布， 成为影响高原局部地区水 分循环变化 的重要因 素之 一 。 2裂缝原 因分析 混凝 土 开裂原 因复杂 ， 涉 及混 凝 土构 造配 筋 、 施 工 2 0 1 5年第 9 期 周有禄 等 ： 高寒地 区桥墩混凝 土开裂 原因及修补材料研究 3 9 工 艺 、 气 候环 境条 件 、 日常养 护 等 方 面 。其 中 ， 气 候 环 境因素是影响混凝土开裂 的重要外部 因素 。只有 对混凝土结构裂缝 的种类 、 状态 和分布进行认真分类 分析， 才能有针对性地提出防治措施 。 2 1 环 境湿 度对 混 凝土 干燥 收缩 的影 响 为 了分 析 混 凝 土 的 干 缩 对 实 体 结 构 拉 应 力 的影 响 ， 以青藏 铁路 和平 原地 区环 境湿度 为 依据 ， 对 比两种 环境 条件 下 桥梁 墩 台混凝 土产 生 的拉应 力 。一 般环 境 条件 下 ， 桥 梁 墩 台混 凝 土 收 缩 产 生 的拉 应 力 约 为 1 9 4 MP a ， 而在青藏高原环境条件下桥梁墩台混凝土收 缩产生的拉应力约为 3 8 8 MP a ， 可见， 高原环境条件下 拉应力接近于混凝土极限抗拉强度的上限 。因此， 低 湿环境是使青藏铁路桥梁墩台混凝土开裂的原因之一。 2 2 保 湿 养护对 混凝 土收 缩 变形 的影 响 保湿养护对混凝土早期收缩和硬化收缩的影响见 图 1 。从图 1 ( a ) 可见， 自混凝土成型至终凝前( 即 0 8 h ) ， 在未 采取保 湿 养护 时混 凝 土塑 性 收缩 近 1 0 0 0 l 0 ， 而采取保湿养护时混凝土在塑性阶段几乎不 收 缩 。从 图 1 ( b ) 可 见 ， 以 1 d龄 期 脱 模 作 为 起 始 零 点 ， 在未采取保湿养护时混凝土 2 4 0 d硬化 收缩约 6 0 0 x 1 0 。 。 ， 而采 取保 湿 养 护 时 混 凝 土 硬 化 收缩 仅 为 3 0 0 1 0一。可见 ， 保湿养护显著减小混凝土因失 水引起 的 塑性收缩和长期干燥收缩 ， 从而 降低混凝土在早期抗 拉 强度相 对低 时 的开 裂风 险 。因此施 工 期 间混凝 土 的 保 湿养 护 不 到 位 也 是 桥 梁 墩 台 混 凝 土 开 裂 的原 因 之一 f I。 一 婚 器 2 姆 ( a ) 混凝土早期收缩 时间 ， d ( b ) 混凝 土硬化收缩 图 1 混凝土早期收缩 与硬化 收缩 2 3 冻 融对混 凝 土开裂 的影 响 根据表现形式 的不同， 混凝土冻融造成的损伤可 以分 为 内部劣 化 和表 面剥蚀 2种类 型 。 内部劣化。混凝土结构受到冻融作用时， 其 内 部水分的冻结将引起体积膨胀。在 反复冻融 的作用 下 ， 混凝 土 内部产 生松 弛 、 微 裂纹 等 。并且 随着 冻融循 环次 数 的增加 ， 龟 裂也不 断增 加 。 表 面剥 蚀 。 随着 冻融 循 环 次数 的增 多 ， 内部 劣 化裂 纹增 多 ， 混 凝 土表 面也逐 渐 出现裂 缝 ， 并 进一 步 出 现剥 离 。 3 高寒地 区桥墩 混凝 土裂缝 修 补材料 的选 择 及试验 3 1 修 补材料 的选 择原 则 1 ) 根 据高 寒地 区所 处 位 置 及气 候 环 境 特 点 ， 所 选 施工方法应具备简易 、 速度快 、 方便 、 可操作性强等特 点 ， 材料应不怕冻 ， 低温使用时性能要 良好。 2 ) 应根据混凝土裂缝深度和宽度等情况， 选择合 适 的修补 方法 。 3 ) 对于相同的裂缝修补效果， 应 当考虑价格 比较 适中， 能够大面积推广使用的裂缝修补材料及方法。 3 2 高 寒地 区桥墩 混凝 土 裂缝修 补材 料 从青藏铁路 的具体环境 出发 ， 在 国内外混凝土裂 缝 修补 技术 的基 础 上 ， 按 照耐 久老 化性 能优先 、 力学 性 能适 宜和施 工便 利 的原则 使用 了改 性 F E V E氟 碳涂 料 和柔性 环 氧树脂 。其性 能指 标见 表 1和表 2 。 表 1改性 F E V E氟碳 涂料性能指标 检测 黏度 凝胶时间 拉伸强度抗 压强度 断裂伸长率 项 目 ( MP a S ) mi n MP a MP a ( 7 d ) 取 值 1 4 5 6 0 3 2 7 5 4 3 由表 1可 见 ， 改 性 F E V E氟碳 涂 料 与普 通 市 售 柔 性 氟碳 涂料 相 比 ， 老 化 性 能 良好 ， 且 具有 附着 力 强 、 拉 伸强度高和弹性好的特点 。由表 2可见 ， 柔性环氧树 脂材 料 的各项 性 能指标 均 满足青 藏铁 路特 殊环 境下 注 浆材料技术要求 。 3 3 高寒地区混凝土裂缝修补材料强度试验 本次试验主要针对实际工程采用 的修补材料 ， 包 括柔 性 环氧 树脂 及 改 性 F E V E氟 碳 涂 料 ， 研 究 了两 种 修补 材 料不 同 的破坏 形 态 ， 并 且 对 其 强 度试 验 的结 果 进行 了对 比分析 ， 见表 3和表 4 。 伽 瑚 咖 枷 瑚 0 瑚 4 0 铁道建筑 S e p t e mb e r ， 2 0 1 5 表 3 柔性环 氧树脂抗压 强度 M P a 改性前抗压强度 改性 后抗 压强度 表 4改性 F E V E氟碳涂料抗拉 强度 改性前和改性后修补材料抗压 、 抗拉强度均能达 到规范标准要求 。改性后柔性环氧树脂抗压强度有所 降低 ， 但影响不是很大。改性后 F E V E氟碳涂料抗拉 强度及伸长率得到了改善 ， 均有所提高。 4 结 论 1 ) 通 过实 地 大量 调查 发 现 ， 高寒 地 区桥 梁 混凝 土 结构在干燥收缩 、 干湿循环 、 冻融循环等 自然 因素的作 用下 ， 混凝土结构开裂较多 ， 其大部分裂缝以非结构性 裂缝 为 主 。 2 ) 对高寒地 区桥墩混凝土裂缝进行 了统计 ， 并且 从低 温环 境 、 保 湿 养护 和 冻 融 对混 凝 土 裂 缝 的 影 响进 行 了分 析 。 3 ) 提 出 了压 力 注 浆 法 和 表 面 封 闭法 相 结 合 的 适 应于高寒地区的防治技术 ， 并对修补材料的抗压 、 抗拉 强度进行了试验研究 。从现场 的修补情况来看 ， 修补 材 料能 够满 足高 寒地 区气候 环境 特点 。 参 考 文 献 1 蒋平 江 西 北地 区 混凝 土 桥梁 开 裂 原 因分 析及 预 防措 施 J 价值工程 ， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 6 2 6 3 2 潘 明远 ， 付殿武 混凝土结构裂缝分析评定及修补技 术研究 J 混凝 土， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 2 6 1 2 7 ， 1 4 4 3 程石 ， 王永生 混凝 土桥梁在 高寒地 区裂缝形成 的原 因及预 防 J 北方交通 ， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 6 9 7 1 ， 4 李 国平 青 藏 高 原动 力 气 象 学 M 北 京 ： 气 象 出版 社 ， 2 0 07 5 林振耀 ， 吴祥定 青藏高原水 汽输送路径 的探讨 J 地理研 究 ， 1 9 9 0 ( 3 ) ： 3 3 4 0 6 边 聪颖 ， 边杰斌 高寒地 区混凝 土桥梁裂缝成 因及预防 J 房材 与应 用 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 6 ) ： 2 4 2 6 7 冯英 杰 ， 王永忠 ， 王起才 寒旱 地区混凝 土裂缝 修补技 术及 材料的试 验研 究 J 施 工技术 ， 2 0 0 6 ( 增 1 ) ： l 1 7 一 l 1 9 8 张永存 ， 李青宁 混凝土裂缝 分析及其防治措施研究 J 混 凝土 ， 2 0 l 0 ( 1 2 ) ： 1 3 7 1 4 0 9 聂彦翔 ， 高松 混凝 土裂缝灌浆修补的选材与处理 J 混凝 土 ， 2 0 0 3 ( 5 )： 5 6 5 8 S t u d y o n c r a c k c a us e s o f b r i d g e p i e r c o n c r e t e i n e x t r e m e l y c o l d a r e a a nd i t s p a t c h i n g m a t e r i a l s ZHOU Yo u l u ， XI ONG Z h i we n ， NI U Do n g x i n g ， LI F e n ， ZHANG S h o u h o n g ( 1 N o rth w e s t Re s e a r c h I n s t i t u t e C o L t d o f C h i n a Ra i l w a y E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， L a n z h o u Ga n s u 7 3 0 0 0 0， C h i n a； 2 Qi n g h a i T i b e t R a i l w a y Co mp a n y， Xi n i n g Qi n g h a i 8 1 0 0 0 7， Ch i n a ) Abs t r ac t ： The e nv i r on m e nt a l c o nd i ti on s i n e x t r e m e l y c ol d a r e a， i n c l ud i n g t e m p e r a t u r e， pr e c i p i t a t i o n，s un l i g ht a n d r a d i a ti o n， we r e i n ve s tig a t e d The e ffe c t o f e n vi r o nme n t ， m o i s t ur e c ur e a nd f r e e z e t ha wi ng o n c o nc r c t e c r a c ki ng wa s a na l y z e d The s e l e c ti o n o f pa t c h i n g ma t e r i a l s a n d pa t c h ing d i s c i pfi n e s i n the e x t r e m e l y c o l d a r e a we r e p r o po s e d The p e r f o r m a nc e of the s e l e c t e d f l e xi b i l i t y e po x y r e s i ns a nd mod i f i e d F EVE f l uo r o c a r b o n c o a ti ng wa s t e s t e d Th e r e s ul t s s ho w tha t the e l o ng a ti o n o f the f l e xi b i l i t y e p o xy r e s i ns inc r e a s e s i g n i f i c a nt l y a n d i t s bo nd s t r e ng th t o t he ma t r i x i s s t r o ng The a d v a nt a g e s o f the mo di f i e d F EVE fluo r o c a r b o n c oa t i n g i nc l ude s tro n g a t t a c h m e nt ， hi g h t e n s i o n s tre ng t h a nd we l l - pe r f o r me d e l a s tic i t y Ke y wo r d s ： Ex tre me l y c o l d a r e a； Co n c r e t e c r a c k； Cr a c k c a u s e ； P a t c h i n g ma t e r i a l s ； E x p e r i me n t r e s e a r c h ( 责任 审编 葛全红)