一种用多缝开裂水泥基复合材料修补混凝土裂缝的方法 【技术领域】
本发明属于混凝土的增强技术领域，涉及利用在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝的多缝开裂水泥基复合材料修补混凝土裂缝的方法。
背景技术
一般常用的混凝土裂缝修补技术，是将老混凝土凿毛，采用砂浆、纤维混凝土等抹面修补。但由于砂浆、纤维混凝土等修补材料抗拉强度较小，修补层易开裂，并形成贯穿老混凝土裂缝的宽度较大的主裂缝，导致有害侵蚀物质渗入老混凝土结构内部，不能充分实现止裂、保护建筑结构的目的。
多缝开裂水泥基复合材料是一种较为理想的混凝土补强加固材料，也可以称之为多缝开裂应变硬化水泥基复合材料，是指在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝的水泥基复合材料，是一种使用短纤维增强的水泥基复合材料，硬化后具有显著的应变硬化特征，极限拉应变达到1％以上，在拉伸荷载作用下可产生多条细裂缝，直接拉伸荷载达到峰值时对应试件的平均裂缝宽度在0.1mm以下，由收缩应力产生的裂缝宽度一般都小于0.05mm，可满足许多工程对无害化裂缝宽度的限制要求。
根据已有技术，多缝开裂水泥基复合材料采用的成分有水泥、水、纤维、精细骨料、活性矿物掺合料(粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土中的一种或多种)，其中精细骨料和活性矿物掺合料的重量组分的最小值可以为0。
2004年Fukuda等人发表在Proc.of the Japan Concrete Institute(日本混凝土协会论文集，26卷，第2期，1693-1698页)的文章“Effect of ECC OverlayReinforcement Method on Steel Plate Deck Attached with FRP Dowels”中给出了一种多缝开裂水泥基复合材料的配比为(水泥+粉煤灰)∶水∶沙＝1∶0.422∶0.7(重量比)，聚乙烯醇纤维含量为2％。
2005年Maalej等人发表在Journal of Materials in Civil Engineering(17卷，第2期，143-152页)的文章“Behavior of Hybrid-Fiber Engineered CementitiousComposites Subjected to Dynamic Tensile Loading and Projectile Impact”中给出了一种多缝开裂水泥基复合材料的配比为水泥∶水∶硅灰∶减水剂＝1∶0.28∶0.1∶0.02(重量比)，聚乙烯纤维体积为复合材料总体积的1.5％。
申请号为200510046878.X的中国专利，在实施例中公开了一种具有多缝开裂特性的水泥基复合材料的配比，各成分重量比为水泥∶水∶沙∶粉煤灰∶减水剂＝1∶0.56∶0.8∶1.2∶0.032，纤维体积掺量为2％。
现有的修补混凝土裂缝技术，是将老混凝土裂缝进行灌浆处理后，对老混凝土修补面进行凿毛，以增强新老混凝土之间的界面粘结强度，再覆盖一层修补材料，但由于一般的修补材料(普通砂浆、环氧砂浆、混凝土、纤维混凝土等)较低的抗裂能力和单一裂缝破坏特性，修补层一旦开裂就易形成主裂缝。当使用上述多缝开裂水泥基复合材料做修补材料时，该材料具备多条细密裂纹的微观开裂模式，比其他修补材料产生的裂缝宽度小，也更细密；但是由于在外界荷载和温度应力作用下，老混凝土裂缝周边存在较大的应力，容易造成裂缝上端修补层的应力集中，产生贯穿性主裂缝，最终导致修补层的破坏。因此对混凝土裂缝的修补，不仅需要具有较好抗裂性能的修补材料，而且需要能减缓和防止形成贯穿性主裂缝的修补方法。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种多缝开裂水泥基复合材料修补混凝土裂缝的方法，能更好地发挥材料的裂缝分散能力，使修补层裂缝细密，防止新修补层形成贯穿性主裂缝，修补后的结构能达到无害裂缝要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种用多缝开裂水泥基复合材料修补混凝土裂缝的方法，采用多缝开裂水泥基复合材料覆盖在混凝土外表面作为修补层，多缝开裂水泥基复合材料在拉伸荷载作用下极限拉应变达到1％以上，可产生多条细密裂缝，本发明的特征在于，在浇注多缝开裂水泥基复合材料之前，将混凝土外表面裂缝周边打磨光滑或设置隔离层，以减弱或消除裂缝周边混凝土与多缝开裂水泥基复合材料之间的粘结强度；采用浇注浆体或先浇注一薄层浆体后覆盖预制板的方式，将多缝开裂水泥基复合材料覆盖在混凝土外表面；所采用的多缝开裂水泥基复合材料包含的各成分的重量比为：
水泥∶水∶精细骨料∶粉煤灰∶硅灰∶粒化高炉矿渣∶偏高岭土＝1∶(0.27～2.2)∶(0～3)∶(0～6.9)∶(0～0.3)∶(0～0.55)∶(0～0.4)并含有体积为复合材料总体积1％～3％的纤维，精细骨料的粒径小于或等于0.6mm。
混凝土外表面裂缝周边打磨光滑或设置隔离层的范围可以为：从裂缝周边各方向对外延伸5～80mm，最佳范围为5～50mm。
采用先浇注一薄层多缝开裂水泥基复合材料浆体、后覆盖多缝开裂水泥基复合材料预制板的方式时，浆体是作为粘贴预制板的胶层。覆盖预制板前，可以将预制板与浇注浆体粘合的一面预先涂上一薄层同样的浆体，使覆盖后的预制板与浆体结合牢固，无孔洞。
预制板与浆体粘合地表面可以是平面，也可以是波纹面或其他凹凸面，以增加预制件表面摩擦力，增强预制件与混凝土之间的粘结能力。
制作多缝开裂水泥基复合材料时，精细骨料、粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣、偏高岭土的重量组分最好不同时均为0，还可以根据需要适量加入减水剂、消泡剂、引气剂、增稠剂、甲基纤维素等化学外加剂，其用法和用量与制作普通混凝土或普通纤维混凝土相同。
纤维可以采用聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、芳纶纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、钢纤维、聚丙烯纤维、凯夫拉尔纤维，光谱纤维等一种或一种以上多种组合。
隔离层可采用塑料薄膜、防水胶带、防水油纸、防水材料薄膜、聚酰亚胺胶带、绝缘材料、电工绝缘胶带等较薄的且与混凝土之间粘结较弱的材料。
通过混凝土裂缝修补效果的测定实验证明，采用多缝开裂水泥基复合材料修补混凝土裂缝，当受到外界荷载时，其破坏过程先是修补层与老混凝土发生界面剥离，然后产生材料裂缝，材料裂缝和界面裂缝交替出现。随着外界荷载的进一步增长，材料裂缝增大，以材料开裂为主，界面裂缝逐渐扩展滞缓，界面裂缝的扩展最终是由修补层的材料强度控制的，当达到极限强度时，材料达到极限抗拉强度，界面裂缝也停止扩展。这时材料进入裂缝局部化扩展阶段，逐渐形成主裂缝，界面裂缝已经不再扩展，随着材料裂缝宽度不断增大，修补层发生最终断裂。多缝开裂水泥基复合材料修补层的裂缝分布范围由界面剥离长度控制，剥离越长，修补层材料裂缝分布范围越大。将混凝土表面处理光滑，以减弱修补层和混凝土之间的界面粘结强度，界面裂缝扩展长度增大，能够增加修补层和混凝土复合结构的挠度与延性，应力能平均分配在修补层上，同等荷载条件下能量更多耗损在界面裂缝扩展上，推迟裂缝嵌入修补材料中。因此在光滑表面混凝土上的修补层，比粗糙表面混凝土上的修补层裂缝分散效果更好。
因此，通过在混凝土外表面裂缝周边打磨光滑或设置隔离层的区域，减弱或消除裂缝周边混凝土与多缝开裂水泥基复合材料之间粘结强度，修补层可以不受原混凝土裂缝应力集中的影响，重新分配荷载，增加复合结构的挠度与延性，充分利用材料本身特性，防止主裂缝的生成，裂缝更细密，体现更为优越的应变硬化特性；通过脱粘还可适当增加界面剥离长度，使修补层发生的裂缝在较大的区域内均匀分布，裂缝充分均匀细密。
采用粘贴预制板的方式，可以形成两个界面，在外荷载及收缩应力作用下，两个界面均会产生界面裂缝，修补层表面的裂缝经过两次分散，同等荷载条件下能量更多耗损在界面裂缝扩展上，推迟裂缝嵌入多缝开裂水泥基复合材料中，诱导修补材料的裂缝分散，提高其分散裂缝能力，预制板表面裂缝更加均匀细密。
本发明给出了所采用的多缝开裂水泥基复合材料纤维体积含量、精细骨料粒径以及各成分重量比的范围。在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝、具有多缝开裂应变硬化特性的水泥基复合材料的配比不限于此范围，它们也适用于本发明的修补方法。
施工时，将裂缝周边混凝土打磨成光滑表面，将混凝土表面其他区域进行铣刨、拉毛或凿毛处理，然后采用高压气体或刷子清理老混凝土表面，再浇水清洗后，对老混凝土裂缝进行灌浆处理，灌浆材料可采用水泥或环氧水泥砂浆等普通灌浆材料；采用在裂缝周边设置隔离层方式时，仍采用上述步骤，只是不用先将裂缝周边打磨光滑，清洗、灌浆后待混凝土裂缝周边的修补面及灌浆材料略干，在裂缝周边设置隔离层。也可以先将裂缝周边打磨光滑，再设置隔离层。
浇筑多缝开裂水泥基复合材料前，按常规混凝土修补方法，用水再次浸湿老混凝土表面，使水自然浸透，结合面不留水迹，仅保持稍微湿润的状态；浇筑多缝开裂水泥基复合材料并抹平处理后，按常规浇水养护到龄期，浇注层厚度一般大于5mm。采用先浇注一薄层浆体后覆盖预制板的方式时，可以先在混凝土表面放置与浆体厚度相同、用来支撑预制板的小块垫板，再浇筑多缝开裂水泥基复合材料浆体，然后将预制板与浇注浆体粘合的一面预先涂上一薄层同样的浆体，浆体总厚度略高于垫板厚度，一般大于3mm，再将预制板粘贴到混凝土的修补面上，加压，当浆体稍硬，不会塌陷时，抽出垫板(也可以不用抽出)，用抹子清理溢出浆体，密封边缘空隙，浇水养护到龄期。
当修补飞机场跑道、混凝土路面等混凝土构件时，由于它们对修补层与混凝土之间界面的粘结强度要求不高，所以施工时可以只对裂缝周边打磨光滑或设置隔离层，不用对整个混凝土表面做铣刨、拉毛或凿毛处理，采用原混凝土自然表面，减小整个界面粘结强度，能更好的发挥修补材料的特性，并提高施工速度。
本发明可解决现有的裂缝止裂技术中因应力集中而导致修补层开裂的问题，能防止形成贯穿性裂缝，充分发挥多缝开裂水泥基复合材料的应变硬化特性能，提高其分散裂缝能力，达到更好的止裂效果。在外界环境收缩应力的作用下，修补层裂缝宽度一般可小于0.05mm，远小于各类规范对裂缝宽度的限定值，能阻止有害物质的侵袭，可达到无害裂缝要求，提高结构寿命。本发明可广泛应用于混凝土路面、飞机机场跑道、大坝止裂带以及桥体表面板等混凝土结构的裂缝修补。使用预制板还能避免施工抹面，便于实施机械化流水作业或半自动作业，加快施工速度。
【附图说明】
图1为混凝土外表面裂缝周边打磨光滑或设置隔离层平面示意图。
图中1为混凝土结构，2为混凝土裂缝，3为裂缝周边打磨光滑或设置隔离层区域。
图2为混凝土外表面裂缝周边打磨光滑或设置隔离层、现场浇注多缝开裂水泥基复合材料修补混凝土裂缝，以及修补层裂缝分布示意图。
图中4为现浇多缝开裂水泥基复合材料，5为修补层受外界荷载后产生的均匀分布的细裂缝，A1、A2为老混凝土与现浇修补层之间界面剥离的终止位置，左右横向和斜上箭头分别表示界面裂缝扩展方向和修补层裂缝扩展方向。
图3为混凝土外表面裂缝周边打磨光滑或设置隔离层、先浇注一薄层多缝开裂水泥基复合材料浆体、再覆盖预制板方式修补混凝土裂缝，以及修补层裂缝分布示意图。
图中4为现浇的一薄层多缝开裂水泥基复合材料浆体，5为现浇(胶)层受外界荷载后产生的均匀分布的细裂缝，6为多缝开裂水泥基复合材料预制板，7为预制板受外界荷载后产生的均匀分布的细裂缝，A1、A2、B1、B2为界面剥离的终止位置，左右横向和斜上箭头分别表示界面裂缝扩展方向和修补层裂缝扩展方向。
图4-A为混凝土外表面裂缝周边设置隔离层、现浇多缝开裂水泥基复合材料修补后的加载试验结果照片，图中8为测量修复层变形的仪器LVDT。
图4-B为与图4-A相同混凝土裂缝的周边未设置隔离层、现浇相同配比多缝开裂水泥基复合材料修补后加载试验结果照片，图中9为贯穿性主裂缝。
图4-C为与图4-A相同混凝土裂缝的周边设置隔离层、现浇砂浆材料修补后的加载试验结果照片，图中10为砂浆材料修补层，11为砂浆修补层加载试验后产生的裂缝
图5-A为混凝土外表面裂缝周边设置隔离层、先浇注一薄层多缝开裂水泥基复合材料浆体、再覆盖预制板修补后的加载试验结果照片。
图5-B为与图5-A相同混凝土裂缝的周边设置隔离层、现浇相同配比多缝开裂水泥基复合材料修补后的加载试验结果照片。
图5-C为与图5-A相同混凝土裂缝的周边设置隔离层、现浇钢纤维材料修补后的加载试验结果照片，图中12为钢纤维混凝土，13为钢纤维混凝土修补层加载试验后产生的裂缝。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1用多缝开裂水泥基复合材料，采用裂缝周围设置隔离层、现浇方式修补混凝土裂缝。
多缝开裂水泥基复合材料各成分重量比为水泥∶水∶沙∶粉煤灰∶硅灰∶减水剂＝1∶1.58∶1.5∶2.0∶0.15∶0.02，还含有体积为复合材料总体积2％的聚乙烯醇纤维，沙子最大粒径为0.2mm；水泥类型为PII42.5R，粉煤灰为I级粉煤灰，减水剂为聚羧酸盐类减水剂。
参见图1、图2，混凝土结构采用两块分离的棱柱体，两块混凝土之间为预制混凝土裂缝，裂缝长度为50mm。去除混凝土表面浮尘，清洗表面，待表面略干后，将混凝土裂缝2周边各向外25mm区域3粘贴防水胶带(设置隔离层)。
用水再次浸湿混凝土表面，使水自然浸透，结合面不留水迹，仅保持稍微湿润的状态；将多缝开裂水泥基复合材料按上述配比搅拌均匀后，浇注到呈微湿润的状态混凝土表面，形成修补层4，修补层厚度为50mm，浇水养护到龄期。
对修补层和混凝土的复合结构采用四点弯曲加载试验，考察本方法修补混凝土裂缝的效果，加载方式为位移控制。结果表明，修补层裂缝5分布在界面剥离范围A1～A2内，裂缝分布均匀细密，在峰值荷载时，最大裂缝宽度小于0.08mm。试验结果照片见图4-A。
对比实验：
1)用同样配比的多缝开裂水泥基复合材料，在不设置隔离层的情况下，修补相同的混凝土结构裂缝。修补层/混凝土复合结构四点弯曲加载试验结果见图4-B，修补层形成主裂缝9。
2)在设置相同隔离层的情况下，用普通砂浆材料修补相同的混凝土结构裂缝。修补层/混凝土复合结构四点弯曲加载试验结果见图4-C，砂浆修补层10形成主裂缝11。
图4-A的裂缝分散效果明显好于图4-B，说明由于隔离层的布置，使混凝土基体与修补层之间形成界面分离，修补层裂缝分布范围增大，因此裂缝分散效果较好，形成大量细密裂缝，避免了主裂缝的形成。而砂浆材料修补的试件，如图4-C所示，虽然设置了隔离层，但是试件破坏后仍只存在一个主裂缝，这是由砂浆自身的抗裂能力和单一裂缝破坏特性决定的，修补层一旦开裂就直接形成主裂缝。
实施例2采用裂缝周围设置隔离层、先浇注一薄层多缝开裂水泥基复合材料浆体后覆盖预制板方式修补裂缝。
多缝开裂水泥基复合材料各成分的重量比为水泥∶水∶沙∶粉煤灰∶硅灰∶减水剂＝1∶1.23∶1.2∶1.8∶0.12∶0.01，还含有体积为复合材料总体积2％的聚乙烯醇纤维，水泥类型为PII42.5R，沙子最大粒径为0.2mm，粉煤灰为I级粉煤灰，减水剂为聚羧酸盐类减水剂。
参见图1、图3，混凝土结构采用两块分离的棱柱体，两块混凝土之间为预制混凝土裂缝，裂缝长度为100mm。去除混凝土表面浮尘，清洗表面，待表面略干后，将混凝土裂缝2周边各向外25mm区域3粘贴防水胶带(设置隔离层)。
用水再次浸湿混凝土表面，使水自然浸透，结合面不留水迹，仅保持稍微湿润的状态；在混凝土基体上放置垫板，以确保预制板与混凝土之间的胶层厚度。
按照配比准备多缝开裂水泥基复合材料，用模具制作预制板，厚度为26mm，待24～48小时后浆料初凝，脱模，标准条件下养护28天。
在混凝土表面铺设一层多缝开裂水泥基复合材料浆体4，预制板6准备与浆体粘合的一侧也涂敷一层1～2mm浆体，浆体总厚度略高于垫板厚度，然后将预制板粘贴到混凝土上，重物加压，当浆体稍硬，不会塌陷时，抽出垫板，用抹子清理溢出浆体，密封边缘空隙。48小时后，放置到养护室标准条件养护28天。
对修补层和混凝土的复合结构采用四点弯曲加载试验，考察本方法修补混凝土裂缝的效果，加载方式为位移控制。结果表明，现浇胶层裂缝5分布在现浇胶层与混凝土界面的剥离范围A1～A2内，预制板裂缝7分布在预制板与现浇胶层界面的剥离范围B1～B2内，裂缝7更加均匀细密，在峰值荷载时，最大裂缝宽度小于0.04mm。试验结果照片见图5-A。
对比实验：
1)设置隔离层，用同样配比的多缝开裂水泥基复合材料，采用现浇方式修补相同的混凝土结构裂缝。修补层/混凝土复合结构四点弯曲加载试验结果见图5-B。
2)设置隔离层，用钢纤维混凝土，现浇方式修补相同的混凝土结构裂缝，钢纤维混凝土成分含量为水泥∶水∶沙∶石子＝1∶0.48∶1.76∶2.64(重量比)，钢纤维的体积为材料总体积的1％，采用42.5R P·II普通硅酸盐水泥，沙子最大粒径为1mm，石子的最大粒径为10mm。修补层/混凝土复合结构四点弯曲加载试验结果见图5-C，钢纤维混凝土修补层12形成主裂缝13。
在峰值荷载时，测得三种方式最大主裂缝宽度分别为0.036mm，0.078mm，2.62mm，裂缝数目分别为为47条，10条，2条，如图(照片)5-A、5-B、5-C所示，5-A中的预制板裂缝7是被描黑后拍照的。
覆盖预制板方式修补，可产生现浇胶层/混凝土、预制板/现浇胶层两个界面，当荷载增加时，现浇胶层与混凝土之间界面开裂，界面裂缝与嵌入现浇胶层裂缝交替发生，随后裂缝进入到预制板/现浇胶层界面，界面裂缝进一步扩展，同等荷载条件下能量更多耗损在界面裂缝扩展上，进一步推迟裂缝嵌入修补材料中，预制板表面裂缝相比现浇修补方式更加均匀细密。
由于钢纤维修补层的抗裂能力和极限拉应变远小于多缝开裂水泥基复合材料，因此浇注钢纤维混凝土修补层以前，虽然混凝土裂缝周围设置了隔离层，但修补层仍存在较宽的裂缝，修补层一旦开裂就直接形成主裂缝。
实施例3，用多缝开裂水泥基复合材料，采用裂缝周围打磨光滑、现浇方式修补水工建筑物坝体表面混凝土裂缝。
多缝开裂水泥基复合材料各成分重量比为水泥∶水∶沙∶粉煤灰∶粒化高炉矿渣∶偏高岭土∶减水剂∶消泡剂∶增稠剂＝1∶2.2∶1.4∶6.9∶0.55∶0.12∶0.008∶0.01∶0.005，还含有体积为复合材料总体积1.0％的芳香族聚酰胺纤维和碳纤维的混杂纤维(两者重量比为2∶1)，水泥类型为PII32.5R，沙子最大粒径为0.45mm，粉煤灰为II级粉煤灰，减水剂为聚羧酸盐类减水剂。
施工步骤如下：
1)将从混凝土外表面裂缝周边各方向对外延伸约35mm区域打磨光滑，混凝土外表面其他区域进行铣刨、拉毛或凿毛处理；
2)采用高压气体或刷子清理表面，然后浇水清洗；
3)对坝体裂缝进行清理、灌浆处理，灌浆材料可采用水泥或环氧水泥砂浆等普通灌浆材料；
4)待灌浆材料略干，用水再次浸湿老混凝土表面，使水自然浸透，结合面不留水迹，仅保持稍微湿润的状态，随即浇筑多缝开裂水泥基复合材料，浇筑厚度60mm，抹面处理；
5)浇水养护到龄期。
实施例4，采用设置隔离层，先浇注一薄层多缝开裂水泥基复合材料浆体后覆盖预制板方式，对受温度影响而产生大面积收缩裂缝的桥面板的修补施工。
多缝开裂水泥基复合材料各成分重量比为水泥∶水∶沙∶粉煤灰∶硅灰∶偏高岭土∶减水剂∶引气剂∶甲基纤维素＝1∶1.8∶3.0∶4.2∶0.3∶0.4∶0.02∶0.006∶0.022，还含有体积为复合材料总体积3.0％的凯夫拉尔纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维的混杂纤维(重量比为1∶1∶2)，水泥类型为PII52.5R，沙子最大粒径为0.6mm，粉煤灰为I级粉煤灰，减水剂为聚羧酸盐类减水剂。
施工步骤如下：
1)将从混凝土外表面裂缝周边各方向对外延伸约80mm区域打磨光滑，混凝土外表面其他区域进行铣刨、拉毛或凿毛处理(也可以采用混凝土自然表面不做处理)；
2)采用高压气体或刷子清理表面，然后浇水清洗；
3)对桥面板裂缝进行清理、灌浆处理，灌浆材料可采用水泥或环氧水泥砂浆等普通灌浆材料；
4)待灌浆材料及混凝土裂缝周边的修补面略干后，在裂缝周边各方向对外延伸约80mm区域布置塑料胶膜。
5)用水再次浸湿老混凝土表面，使水自然浸透，结合面不留水迹，仅保持稍微湿润的状态。
6)在老混凝土表面放置小块垫板，以确保预制板与混凝土结合挤压过程中胶层的厚度，垫板厚度为10mm，等于成型后界面的现浇胶层厚度。
7)浇筑一层多缝开裂水泥基复合材料浆体，将厚度为40mm、表面涂有相同浆体的预制板粘贴到已浇筑一层浆体(现浇胶层)的混凝土的修补面上，涂有浆体的表面与现浇胶层粘合，浆体总厚度稍高于垫板厚度，加压。
8)当浆体稍硬，不会塌陷时，抽出垫板，用抹子清理溢出浆体，密封边缘空隙。或将垫板永久浇筑在界面粘结层中，浇水养护到龄期。