地铁混凝土管片裂缝修补后抗侵蚀性能研究

徐少云，高培伟，潘金敢，张丽芳，孙亚飞,4，刘宏伟，陈卫峰

(1.南京航空航天大学土木工程系，南京 210016；2.扬州工业职业技术学院建筑工程学院，扬州 225127；3.南京中联混凝土有限公司，南京 211100；4.盐城工学院土木工程学院，盐城 224051)



地铁混凝土管片裂缝修补后抗侵蚀性能研究

徐少云1,2，高培伟1，潘金敢3，张丽芳1，孙亚飞1,4，刘宏伟1，陈卫峰1

(1.南京航空航天大学土木工程系，南京 210016；2.扬州工业职业技术学院建筑工程学院，扬州 225127；3.南京中联混凝土有限公司，南京 211100；4.盐城工学院土木工程学院，盐城 224051)

通过模拟地铁隧道管片裂缝，研究了采用四种修补材料修复C50地铁混凝土管片裂缝后的抗侵蚀性能，研究结果表明：丙烯酸酯共聚乳液(ACE)修复后混凝土抗Cl-渗透性有所减小，其余三种修补材料修补后混凝土抗Cl-渗透性均有所提高，其中聚氨酯(LW)修补后提高幅度最大；四种修补材料修补后的混凝土抗硫酸盐侵蚀能力均有不同程度的减小，采用环氧树脂(ER)修补后混凝土抗压和抗折强度降幅最大，聚氨酯(LW)修补后抗折强度降幅最小，丙烯酸酯共聚乳液(ACE)修补后抗压强度降幅最小。

地铁管片； 裂缝修补； 抗氯离子渗透； 抗硫酸盐侵蚀

1 引 言

近年来，随着城市交通的快速发展，很多城市已经拥有或正在建造地铁，其中盾构法主要采用管片作为隧道的永久衬砌，部分管片在生产、施工和运营期间出现了裂缝，管片开裂渗漏的报道也逐年增多[1-3]，目前混凝土裂缝修补材料主要为有机与无机两大类，影响无机修补材料修复效果的主要是新旧材料的界面粘结力[4,5]，有机修补材料主要以环氧树脂为基材的一类修补材料，界面粘结强度高，承载能力也得到了相应的提高[6,7]，范玉波分别用环氧改性砂浆、丙乳改性砂浆涂抹混凝土表面，得到环氧改性砂浆涂抹后混凝土抗Cl-渗透性有明显提高，而丙乳涂抹后的抗Cl-渗透性相对较差[8]，王建辉等研究得出聚氨酯修复混凝土后的抗渗性较基体要好，但抗压、抗拉强度要明显低于原基体[9]，叶娇凤通过优化配合比，研究出了一种耐侵蚀、力学性能优良的改性环氧树脂修补材料[10]。

2 试 验

2.1 试验材料

选用52.5 MPa硅酸盐水泥，其性能指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)的要求；细集料采用细度模数2.3的河砂；粗集料采用粒径5～20 mm的玄武岩碎石；矿物掺合料采用Ⅰ级粉煤灰；外加剂选用超塑化剂，最大减水率≥35%；拌合水为实验室自来水。

两组成分聚氨酯修补材料为上海某贸易公司销售的进口修补材料(LW)；E-51环氧树脂为上海某化学有限公司生产(ER)；丙烯酸乳液采用江苏某研究院研制的丙烯酸酯共聚乳液(ACE)， XJ修补材料是课题组自行研制的新型修补材料，性能指标见表1；固化剂、非活性稀释剂均为常州某化工厂生产。

表1 新型修补材料的性能Tab.1 Physical properties of XJ

2.2 试验配比

《地铁设计规范》(GB50157-2013)规定装配式钢筋混凝土管片最低设计强度为C50，C50等级混凝土配合比及基本力学性能试验结果如表2所示；根据对比实验新型修补材料XJ采用180 mPa·s粘度，1.5%的固化剂掺量作为实验配合比；聚氨酯修补材料按照使用说明的两种组分体积比1∶1采用；环氧树脂修补材料采用的配合比为环氧树脂E-51、稀释剂、固化剂与流化剂的比例为100∶10∶13∶5；采用聚灰比为0.65的丙烯酸酯共聚乳液改性水泥修补材料；为保证管片裂缝修补效果，在实际修补时应沿裂缝进行钻孔并使用压力注浆机进行注浆修补，修补材料主要适用宽度在0.5 mm～2 mm的微细裂缝。氯离子渗透实验采用图1模拟裂缝，硫酸盐侵蚀试件采用40 mm×40 mm×160 mm的长方体，折断后用不同的修补材料进行修补，裂缝修复后在浓度5%Na2SO4溶液中浸泡30 d为一组，另一组修补后未浸泡作为对比试件。

图1 混凝土裂缝模拟试件(单位：mm)Fig.1 Repairing specimen of test

/kg·m-3

2.3 试验方法

氯离子渗透按照NEL法执行，将试件放入4 mo1/L NaCl溶液中真空饱盐，擦去试件表面盐水并置于试样夹具上的尺寸为φ50 mm的两个电极之间，通过NEL型氯离子测试系统测定氯离子扩散系数。硫酸盐侵蚀测试参照《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》(GB/T 749-2008)和《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》JTG E30-2005进行。

3 结果与讨论

3.1 抗氯盐侵蚀

通常用氯离子的电通量和扩散系数来衡量抗氯离子渗透的能力，同时也能反映混凝土的抗渗性的优劣，评价混凝土抵抗氯盐侵蚀的能力，图2和图3是采用不同修补材料修补混凝土裂缝后与未开裂混凝土的电通量和氯离子扩散系数示意图。

图2 不同材料修补后Cl-渗透电压-电流关系 Fig.2 Voltage-current of different material repaired

图3 不同材料修补后Cl-扩散系数Fig.3 Cl- diffusion coefficient of different material repaired

从图2和图3可见采用ACE修补材料修补混凝土裂缝后电流和扩散系数比没有开裂混凝土的稍大，扩散系数为基体的102.6%，说明其修补后界面抗氯离子渗透性能较原基体有所降低；LW修补后的电流与扩散系数均小于原基体，扩散系数较原基体降低22.6%；XJ与ER修补后的电流和扩散系数较原基体有明显减小，其修补后扩散系数较原基体分别降低了7.6%和15.6%，说明XJ和ER修补后界面抗氯离子渗透性较原基体有明显提高，抗Cl-渗透能力同修补材料与基体之间的粘结有直接关系，LW是聚氨亚酯类材料，能够在裂缝内部形成内榫结构，能将修补材料渗透到混凝土内部，LW抗Cl-渗透能力最优，ACE修复后抗Cl-渗透能力退化最为严重，其余三种修补材料抗Cl-渗透能力较原基体无退化，反而有所提高。

3.2 抗硫酸盐侵蚀

图4和图5是采用不同修补材料修补混凝土裂缝后，浸泡在硫酸盐溶液中的试件与未浸泡试件的强度变化示意图。

由图4可得XJ修补后浸泡的抗压强度为未浸泡的80.3%，LW修补后浸泡的抗压强度为未浸泡的74.4%，ER修补后浸泡的抗压强度为未浸泡的70.3%，ACE修补后浸泡的抗压强度为未浸泡的86.6%，同时ER修复后未浸泡硫酸盐抗压强度最大，说明在无硫酸盐侵蚀条件下ER修复后的抗压强度最优，ACE修复硫酸盐侵蚀后抗压强度最大，单从抗硫酸盐侵蚀抗压强度看，ACE修补后的性能降幅最小，ER修补后的性能降幅最大；从抗压强度抗硫酸盐侵蚀能力看，ACE修补效果最好。

图4 修补后抗硫酸盐侵蚀抗压变化图 Fig.4 Change of compressive strength of sulfate attack

图5 修补后抗硫酸盐侵蚀抗折强度变化Fig.5 Change of flexural strength of sulfateattack

从图5可以得到浸泡后的试件抗折强度均低于未浸泡的抗折强度，其中XJ修补后浸泡后的抗折强度为未浸泡试件抗折强度的68.7%，LW修补后浸泡后的抗折强度为未浸泡试件抗折强度的84.7%，ER修补后浸泡后抗折强度仅为未浸泡试件抗折强度的59.1%；ACE修补后浸泡后的抗折强度为未浸泡试件抗折强度的76.1%，同时ER修复后未浸泡硫酸盐抗折强度最大，说明在无硫酸盐侵蚀条件下ER修复后的抗折强度最优，ER和ACE修补硫酸盐侵蚀后的抗折强度最大，说明经硫酸盐侵蚀后，ER和ACE的修复效果较好，总体上看，ER修复后抗硫酸盐侵蚀抗折强度降幅最为明显，LW修补后的降幅最小，而XL和ACE的降幅介于ER和LW之间。

4 结 论

除丙烯酸酯共聚乳液ACE修补管片裂缝后的抗Cl-渗透性有所降低，其余三种修补材料修补管片裂缝后抗Cl-渗透性均有所提高，其中聚氨酯LW修补后提高幅度最大，扩散系数较原基体降低了22.6%。

管片裂缝修补后，抗硫酸盐侵蚀抗压强度降幅由大到小依次为环氧树脂类ER、聚氨酯类LW、新型修补材料XJ、丙烯酸酯类ACE；抗硫酸盐侵蚀抗折强度降幅由大到小依次为环氧树脂ER、新型修补材料XJ、丙烯酸酯共聚乳液ACE、聚氨酯LW。

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Corrosion Resistance Attack after Repairing the Subway Concrete Segment Crack

XUShao-yun1,2,GAOPei-wei1,PANJin-gan3,ZHANGLi-fang1,SUNYa-fei1,4,LIUHong-wei1,CHENWei-feng1

(1.Department of Civil Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China;2.College of Architectural Engineering,Yangzhou Polytechnic Institute,Yangzhou 225127,China;3.Nanjing Zoomlion Concrete Co.Ltd,Nanjing 211100,China;4.Department of Civil Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng,224051,China)

Study on four kinds of repairing materials for C50 concrete segment crack to repair the erosion resistance by simulating the subway tunnel segment crack. The results show that concrete resistance to chloride ion permeability is reduced by using the acrylic copolymer emulsion (ACE), it is increased by using the remaining three kinds of repair materials respectively, the polyurethane (LW) improves the sharpest; The resistance to sulfate attack of concrete is decreased in different degrees by using four kinds of repairing materials respectively, the largest decline in flexural and compressive strength by using epoxy resin (ER),the smallest decline in flexural strength by using polyurethane (LW),the smallest decline in compressive strength by using acrylic copolymer emulsion (ACE).

the subway segment;crack repair;resistance to chloride ion permeability;resistance to sulfate attack

中国和江苏省博士后基金(1301057B、2014M551588)；住房和城乡建设部科技项目(2015-K4-023)；江苏省住房和城乡建设厅科技项目(2013ZD12)；中央高校基本科研业务费专项资金(NS2015010)联合资助

徐少云(1985-)，男，博士研究生.主要从事土木工程材料结构与性能研究.

高培伟，教授，博士生导师.

TU528.7

A

1001-1625(2016)08-2596-04