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 730000;2.青藏铁路公司，青海 西宁 810007)

高寒地区桥墩混凝土开裂原因及修补材料研究

周有禄1，熊治文1，牛东兴1，李 奋1，张寿红2

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000;2.青藏铁路公司，青海 西宁 810007)

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FEVE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FEVE氟碳涂料具有附着力强、拉伸强度高和弹性好的特点。

高寒地区 混凝土裂缝 裂缝原因 修补材料 试验研究

高寒地区气候干旱少雨，年平均气温较低，日温差较大，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。尤其是每日温度、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［1］。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［2-3］。

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100 m，年平均气温下降0.5℃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，最低可达－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80%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1 000～1 500 mm，降水量与蒸发量比值约为1∶5，蒸发量较大的月份集中在6～9月，其蒸发量占全年的1/2左右。

3)日照和辐射

青藏高原日照时间长且强烈。一年日照时数长达2 600～3 000 h。日照百分率平均在50%～80%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6 700～9 200 MJ/m2，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［4］。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［5］。

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

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［6］。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1.94 MPa，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3.88 MPa，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［7］。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1 000× 10－6，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240 d硬化收缩约600× 10－6，而采取保湿养护时混凝土硬化收缩仅为300× 10－6。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［8］。

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。

①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。

②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

l)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FEVE氟碳涂料和柔性环氧树脂［9］。其性能指标见表1和表2。

表1 改性FEVE氟碳涂料性能指标

表2 柔性环氧树脂性能指标

由表1可见，改性FEVE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FEVE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。

表3 柔性环氧树脂抗压强度 MPa

表4 改性FEVE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FEVE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。

［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，2011(2):62-63.

［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，2010(4):126-127，144.

［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，2007(10):69-71.

［4］李国平.青藏高原动力气象学［M］.北京:气象出版社，2007.

［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，1990(3):33-40.

［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，2005，33(6):24-26.

［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，2006(增1):117-119.

［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，2010(12):137-140.

［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，2003(5):56-58.

Study on crack causes of bridge pier concrete in extremely cold area and its patching materials

ZHOU Youlu1，XIONG Zhiwen1，NIU Dongxing1，LI Fen1，ZHANG Shouhong2
(1.Northwest Research Institute Co.Ltd of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China; 2.Qinghai-Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810007，China)

T he environmental conditions in extremely cold area，including temperature，precipitation，sunlight and radiation，were investigated.T he effect of environment，moisture cure and freeze thawing on concrete cracking was analyzed.T he selection of patching materials and patching disciplines in the extremely cold area were proposed.T he performance of the selected flexibility epoxy resins and modified FEVE fluorocarbon coating was tested.T he results show that the elongation of the flexibility epoxy resins increase significantly and its bond strength to the matrix is strong.T he advantages of the modified FEVE fluorocarbon coating include strong attachment，high tension strength and well-performed elasticity.

Extremely cold area;Concrete crack;Crack cause;Patching materials;Experiment research

U443.22

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.12

(责任审编 葛全红)

2015-04-10;

:2015-07-20

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013T003-A);中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目(2012-重大-7)

周有禄(1984— )，男，甘肃白银人，工程师，硕士。

1003-1995(2015)09-0038-03