混凝土裂缝水下封闭修复技术及其工程应用

王益国，李国豹，吴友仁，范红枝

（1.招商局蛇口工业区有限公司，广东 深圳 518067；2.中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州 510230；3.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300）

0 引言

由于地质条件复杂、勘察设计出现偏差、施工操作不当以及其他不可控因素的影响等，混凝土工程或多或少存在一些缺陷，裂缝是最为常见的一种缺陷。裂缝的存在，势必影响混凝土的强度和耐久性，有些甚至会引起严重的渗漏，影响到建筑物的正常和安全使用[1]，因此，必须对裂缝缺陷进行修复处理。

港口工程混凝土构件根据所处环境不同，可分为大气区、水位变动区、水下区和泥下区。裂缝所处位置不同，修复处理难易程度差别很大。当混凝土裂缝处于大气区，修复相对简单，即使是在水位变动区，也可等退潮后，采用传统技术方法进行修复。当裂缝处于水下，修补粘合材料与混凝土的交界面上会产生一层水层，相当于形成了一个薄弱夹层，若无特殊措施，粘结效果会降低，从而导致修补效果欠佳[2]。而且水下修补工作环境恶劣，一般由潜水员直接进行水下操作施工，如果没有特殊工艺技术，修补工作比较困难。

本文从水下修补材料和水下修补工艺两方面研究分析混凝土裂缝水下封闭修补技术，并通过工程实践验证修补效果，为后续类似工程提供借鉴和参考。

1 裂缝修补技术现状

对于陆上混凝土裂缝的处理，工民建工程中有相对较为成熟的技术方法和相应的规范，但对于水下混凝土构件裂缝的处理几乎没有涉及[3]。

我国在水工方面维修加固起步相对较晚，交通运输部于2011年才颁布关于水工结构维修方面的行业标准JTS 311—2011《港口水工建筑物修补加固技术规范》。规范中规定处于水下部位且截面不大的构件，其裂缝和缺损可采用水下包覆层法或立模浇筑水下不分散混凝土法修补[4]。但从实施方面考虑，包覆层法技术含量要求高、施工难度大，而立模浇筑水下不分散混凝土法，以目前制作水下不分散混凝土的水平，一般情况下强度仅能达到C30左右，不仅工期长、成本高，混凝土浇筑质量还难以保证，因此这两种方法都存在一定的局限性。

2 水下混凝土裂缝封闭修复技术

目前对于工程缺陷的处理，比较成熟的程序为：分析缺陷成因→材料及工艺选择→典型施工（同条件模拟施工）→效果评估→方案调整→大面积施工→检测及验收。其中关键的步骤是材料及工艺选择。

笔者在对工民建工程中混凝土裂缝修补技术和水工结构特点分析研究基础上，试图将混凝土裂缝嵌缝封闭修补技术通过改进后运用到水下工程，从修补材料和封闭工艺两方面，探索适合水下混凝土裂缝的耐久性封闭修补技术。

2.1 修补材料选择与试验研究

混凝土裂缝的修补加固，修补材料与结构之间的粘接是关键，粘结质量的好坏往往直接决定修补加固成功与否。对于水下构件的裂缝修补，更是要解决好修补材料在水中与混凝土的粘接问题。

混凝土为高表面能的无机材料，对水的吸附能力很强，因而在有水情况下，会存在受表面剩余力场作用被吸附在表面的附着水，采用一般的方法无法将其排走。在这种情况下进行粘合，封闭粘结材料覆盖到被粘物表面时，在界面上不可避免地会留下一层水层，就相当于在粘接面上形成了一个薄弱表面层，因而使得粘接效果大大下降。为了解决这个问题，必须从分子结构的设计上入手，在粘合材料分子结构中利用共混作用引入强极性亲水基团，当粘合材料分子与潮湿表面接触时，亲水性基团就可以溶于水膜，从而既大大降低粘合剂与水膜的界面张力，同时也降低了水膜的表面张力，因此有利于粘合剂在水膜中自发溶解和扩散，这样就可以减少水的影响，使粘合剂的效果得到充分发挥[2]。

另外，受水流冲刷、水温、水中各种腐蚀盐类等的影响，修补材料还应能在水中快速固化，固化后还应满足修补所需的强度、抵抗水流冲刷的抗冲击性能和抵抗海水腐蚀的耐腐蚀性。

目前，在这方面具备一定功效的材料主要包括合成树脂类、聚合物胶凝类等，聚合物胶凝类一般需要进行压力灌浆或者立模浇筑，水下施工可操作性相对较差。

因此，本文研究选用了合成树脂类嵌缝材料，即环氧树脂改性物和改性胺类固化剂按照一定比例配合生成的改性环氧修补材料。该材料适用的被粘基材广泛，具备固化收缩低、固化时放热缓和、固化后粘结力强、固化物韧性好、抗冲击性能好、耐冷热冲击、抗开裂性优良等特点，同时由于其合成物中拥有强极性亲水基团，是水下裂缝的封闭修补的理想材料[5]。为验证改性环氧材料水下修补的可行性及修补效果，笔者进行了两方面的试验研究，一个是材料性能指标测试，另一个是水下修补模拟试验。

2.1.1 材料性能测试

按照国标GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》对该种改性环氧合成物的胶体抗压强度、胶体抗拉强度、与干表面混凝土正拉粘结强度、与湿表面混凝土正拉粘结强度等进行测试[6]，验证其是否满足JTS 311—2011《港口水工建筑物修补加固技术规范》第4.2.3条封缝修补材料性能指标的规定。材料性能测试结果见表1。

表1 改性环氧封缝材料性能测试结果Table 1 Performance test results of the improving epoxy joint sealing material

根据材料性能测试结果，该种改性环氧修补材料胶体抗拉、抗压、与干、湿表面混凝土正拉粘结强度等级较高，满足JTS 311—2011《港口水工建筑物修补加固技术规范》第4.2.3条封缝修补材料性能指标的各项规定，尤其是与湿表面混凝土正拉粘结强度高于原混凝土的抗拉强度标准值，破坏界面都在混凝土内，表明这种改性环氧修补材料用于湿表面粘结时效果良好。

2.1.2 水下修补模拟试验

水下修补模拟试验是在抗压强度等级为C40、尺寸为100mm×100mm×100mm的标准混凝土试块表面，采用切割和凿除设备切凿开一个宽2 cm、深3 cm的U形凹槽，清除掉槽内碎屑，然后将配制好的改性环氧修补材料在水下嵌缝封闭修补，修补构件达到一定强度后，进行劈裂试验，观察其修补效果。

试验过程及试验效果记录如图1所示。

图1 混凝土试块改性环氧水下嵌缝修补模拟试验Fig.1 Simulation test of the underwater caulking repair with improving epoxy material for concrete block

从水下修补模拟试验结果来看，该种改性环氧嵌缝修补材料，施工方便，水下可操作性较强，修补后构件修补部位表面外观良好，通过目测和敲击等方法，未发现有缝隙、夹层和空腔等情况，且修补胶与混凝土结合紧密，表明改性环氧修补胶嵌缝封闭修补效果良好，可以进行正式施工。

2.2 封闭工艺

对于水下部位的裂缝，由于受到水的影响，封闭材料与施工工艺、设备的选择受到限制，若直接采用常规的工艺方法来处理，结果往往不理想。

根据水下修补模拟试验，结合实际工程水下混凝土所处环境，对于水下混凝土的裂缝修补，除了要用特殊的水下修补材料外，在采用嵌缝的方法进行封闭处理时，应采取以下封闭工艺和措施：

对混凝土水下开裂情况进行探摸→对裂缝处混凝土表面进行清理→采用水下切割设备沿裂缝走向进行切缝处理→采用水下凿除设备沿裂缝走向进行凿槽处理→采用钢刷或高压水枪等设备对凹槽进行表面清洗→岸上按比例称量配制修补胶→潜水员将配制好的修补胶带至待修补部位→人工把修补胶压入凹槽进行嵌缝修补→采用橡胶垫或挡板等对裂缝修补部位进行防护→待修补胶固化后拆除防护挡板对裂缝修补情况进行检查→存在修补缺陷时对修补缺陷进行处理。

值得注意的是，切割开凿形成的凹槽大小影响到嵌缝效果，实际施工时应满足水工建筑物修补加固技术规范规定的至少宽2 cm、深3 cm的尺寸要求。另外，根据改性环氧修补胶的特性，人工嵌缝时修补胶应略高于凹槽，并适当增加修补胶的宽度和长度；同时将修补材料充分压实，将修补胶与混凝土结合面的水分尽量挤压走，并使修补胶保持受压状态一段时间，待其初步固化后，采用橡胶垫或挡板等对修补胶进行防护，尽量减少水流冲刷的影响。

3 工程应用

3.1 工程概况

某高桩梁板码头，基桩为φ1200mm后张法大管桩，桩身混凝土强度等级为C60。部分基桩在沉桩后发现桩身开裂现象，基本上为竖向裂缝，多数分布于水面以下泥面以上5m范围，基桩开裂情况如图2所示。经专家多次研讨，认为开裂基桩在沉桩后承载力已达到设计要求，对于出现的开裂缺陷应按照JTS 311—2011《港口水工建筑物修补加固技术规范》的要求进行耐久性修复。

图2 混凝土基桩水下典型开裂情况Fig.2 Typical under water cracking conditions of concrete foundation piles

3.2 施工工艺

本工程裂缝采用改性环氧水下嵌缝封闭修复技术，封闭修复示意如图3所示，具体工艺流程为：

图3 基桩裂缝封闭法修补工艺示意图Fig.3 Sketch of the closing patch technology for foundation pile cracks

1）对开裂情况进行探摸复核；

2）清理裂缝处基桩表面附着海生物；

3）根据裂缝走向在裂缝两侧各1 cm左右位置，采用水下风动金刚石锯开两道切割线；

4）在两切割线内用水下气凿凿开一条宽2 cm、深3 cm的U形凹槽，凹槽在裂缝两端的长度应比裂缝长不少于10 cm，如图4所示；

图4 水下冲击钻凿缝Fig.4 Bore cracks by underwater impact drill

5）采用钢刷对凹槽进行表面清洗；

6）岸上按比例称量配制修补胶，由潜水员将配制好的修补胶带至待修补部位；

7）人工把修补胶一次或分次压入凹槽内使其略高出槽面，适当增加补胶的宽度，并采用灰刀进一步压实抹平修整，如图5所示；

图5 人工嵌缝修补压实Fig.5 Caulking patch and compaction by artificial

8）采用橡胶垫对裂缝修补部位进行防护，减少水流冲刷的影响；

9）待修补胶固化后拆除防护挡板对裂缝修补情况进行检查记录。

3.3 质量保证措施

为保证裂缝修补质量，项目在施工过程中主要采取了以下质量保证措施：

1）严把材料关，不合格产品不得使用，材料送检合格方能使用；

2）加强施工过程管理，潜水员使用无线电通讯装置与岸上人员沟通，确保施工步骤和修补部位的准确；

3）采用水下摄像的方式对修补过程进行监控和检查，发现问题，及时整改；

4）采取逐步验收的方法，上一步工作不合格不进行下一步施工；

5）修补完成后由潜水员采用目测、敲击等方法进行外观检验，构件修补连接处应结合紧密，发现有缝隙、夹层和空腔等修补缺陷时应及时采取补救措施。

3.4 效果检验

为检验水下裂缝的修补效果，施工完成后，通过潜水探摸发现基桩裂缝修补胶已经固化、密实饱满，修补胶与基桩连接处结合紧密，未发现有缝隙、夹层和空腔等修补缺陷（裂缝修补后典型效果如图6所示）。

图6 裂缝修补典型效果Fig.6 Typical effect of crack patch

另外进行抽水试验时在基桩裂缝修补处桩内位置也未发现漏水、渗水现象（现场抽水检查如图7所示）。由此表明，基桩裂缝修补效果良好，改性环氧修补胶对混凝土水下裂缝的封闭起到了很好的作用。

图7 现场抽水检查结果（桩内侧）Fig.7 On-site pumping inspection result（inner side of pile）

4 结语

混凝土水下裂缝修复难度大、修复质量容易受施工人员的操作影响出现偏差等问题一直是困扰工程技术人员的一大难题。本文在分析以往研究成果和水下修补材料与混凝土粘结机理的基础上，从改性环氧修补材料性能测试和水下混凝土裂缝封闭修补模拟试验两方面进行研究，成功提出混凝土水下裂缝改性环氧封闭修补技术，并结合工程应用情况对其可行性和修补效果进行验证，取得了良好的成效。

[1] 陈佳伟，梁超.SXM、PBM-3在水下混凝土裂缝修补中的应用[J].吉林水利，2009，4（4）：33-35.CHEN Jia-wei，LIANG Chao.Application of SXM，PBM-3 at the underwater concrete crack patch[J].Jilin Water Resources，2009，4（4）：33-35.

[2] 张捷.大坝混凝土缺陷水下修补技术[J].大坝与安全，2004（4）：8-13.ZHANG Jie.Underwater patching technology of dam concrete cracks[J].Dam&Safety，2004（4）：8-13.

[3] GB 50367—2006，混凝土结构加固设计规范[S].GB 50367—2006，Design code for strengthening concrete structure[S].

[4] JTS311—2011，港口水工建筑物修补加固技术规范[S].JTS 311—2011，Technical code for repair and strengthening of harbor and marine structures[S].

[5] 黄强，刘波，王超，等.改性环氧树脂胶粘剂耐人工海水的性能研究[J].黑龙江大学自然科学学报，2010，12（6）：718-722.HUANG Qiang，LIU Bo，WANG Chao，et al.Study on durability of modification epoxy adhesive in saltwater[J].Journal of Natural Science of Heilongjiang University，2010，12（6）：718-722.

[6] GB/T 2567—2008，树脂浇铸体性能试验方法[S].GB/T 2567—2008，Performance test methods of the resin casting[S].