裂缝中掺入膨胀纤维对加固开裂混凝土构件的试验与实践

郝国伟

（山西五建集团有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

建筑工程项目地下室混凝土构件在混凝土浇筑过程中的水化热本就不易控制，再加之受土体中孔隙水的浸润以及土体中金属离子的影响，容易产生不同程度的裂缝。本文针对某建筑工程在地下室混凝土顶板浇筑过程中，由于水化热控制不理想，产生的纵向裂缝，并出现的浸水等质量问题，采取注射膨胀纤维对地下室进行加固，通过试验测试膨胀纤维的加固效果，并对加固效果进行评价，为我国建筑工程项目地下室开裂混凝土的加固维护提供基于实践应用层面的参考。

1 某建筑工程地下室混凝土开裂情况分析

某建筑工程地下室为双层单跨式结构（建筑平面尺寸为28.5m×28.5m），其混凝土结构构件主要有钢筋混凝土顶板、钢筋混凝土侧墙、钢筋混凝土中板和钢筋混凝土底板。根据施工现场实际测量得到各有关结构构件的尺寸分别如下：钢筋混凝土顶板厚度850mm、顶部纵梁截面尺寸为1200mm×2000mm；钢筋混凝土中板厚度450mm，中部纵梁截面尺寸为1200mm×1800mm；钢筋混凝土底板厚度1000mm，底部纵梁截面尺寸为1400mm×2200mm；钢筋混凝土侧墙厚度850mm，且上述构件的混凝土强度均为C40（备注：所有纵梁的跨度均为9500mm）。

在完成混凝土结构构件浇筑、养护并拆除模板之后，发现钢筋混凝土顶板存在裂缝，其裂缝具体情况统计如表1所示。此外，对地下室混凝土顶板位置区域进行实地勘察发现，地下室混凝土顶板的覆土深度仅有0.8m，覆土的容重值约为16kN/m3，且顶板日常承受的动荷载也仅为8kN/m2。

由于地下室混凝土顶板的覆土深度、覆土容重以及日常承受荷载均较小，故地下室混凝土顶板受外力影响产生裂缝的概率很低。再结合表1来看，地下室混凝土顶板共计存在18条开裂裂缝，其中横向裂缝仅有2条，横向裂缝的平均宽度值、平均深度值均较小，且未发生浸水现象；但是纵向裂缝多达16条，纵向裂缝的平均宽度值、平均深度值分别为0.45mm和0.30mm，而且在这16条纵向裂缝中竟有12条裂缝存在浸水现象。经分析表明，地下室混凝土顶板裂缝产生的主要原因是在地下室混凝土顶板浇筑过程中，水化热控制不理想，使得混凝土内部由于水化热产生的纵向温度应力大于混凝土自身的纵向抵抗应力，从而导致纵向裂缝的产生，并出现浸水等质量问题[1]。

2 应用膨胀纤维的加固效果试验

针对案例工程项目地下室混凝土顶板出现的裂缝，施工技术人员拟通过注射膨胀纤维的方式进行加固，以达到地下室混凝土顶板应有的强度要求和防浸水效果。利用注射膨胀纤维的方式对地下室混凝土顶板进行加固，首先需要掌握相关膨胀纤维对混凝土构件物理性能的改善情况，并借助试验测试膨胀纤维的加固效果，从而基于实践应用对注射膨胀纤维的加固效果进行评价[2]。

2.1 裂缝中掺入膨胀纤维对混凝土构件物理性能的改善

膨胀纤维对于混凝土的加固能够起到什么样的效果，起初案例项目的施工技术人员也没有太大的把握。因此决定首先通过在地下室结构构件配比相同的混凝土原料中掺入膨胀纤维，制作试块，检验膨胀剂对混凝土试块的物理性能改善情况，以掌握膨胀纤维的改良加固性能。本次试验中膨胀纤维组成材料为“EA型膨胀剂+BF型玄武岩纤维”。由于膨胀纤维中EA型膨胀剂和BF型玄武岩纤维的组成比例不同，其对混凝土物理性能改善的情况也不尽相同[3]。因此，首先通过EA型膨胀剂和BF型玄武岩纤维的不同配比，测试混凝土材料的坍落度，以及掺入膨胀纤维后制备的混凝土标准试块的抗压强度、抗拉强度、防渗强度。

用于测试的膨胀纤维配比有如下9个测试组：

（1）测试组-1∶5%EA型膨胀剂+0.8%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.40；

（2）测试组-2∶7%EA型膨胀剂+1.0%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.40；

（3）测试组-3∶9%EA型膨胀剂+1.2%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.40；

（4）测试组-4∶5%EA型膨胀剂+1.0%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.42；

（5）测试组-5∶7%EA型膨胀剂+1.2%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.42；

（6）测试组-6∶9%EA型膨胀剂+0.8%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.42；

（7）测试组-7∶5%EA型膨胀剂+1.2%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.45；

（8）测试组-8∶7%EA型膨胀剂+0.8%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.45；

（9）测试组-9∶9%EA型膨胀剂+1.0%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.45。

按照上述9组配比组份，掺入与地下室混凝土配比相同的原料中，按测试组编号顺序制得的混凝土坍落度测试结果如下：掺入测试组-1～测试组-9的混凝土坍落度分别为121mm、83mm、37mm、107mm、75mm、132mm、92mm、144mm和111mm。

已知浇筑地下室结构构件的混凝土，在不掺加任何膨胀纤维的境况下其坍落度为182mm，因此综合上述试验结果可知，膨胀纤维具有明显降低混凝土坍落度的效果，且测试组-8（7%EA型膨胀剂+0.8%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.45）改良混凝土坍落度的效果最佳，因此继续以测试组-8的配比将膨胀纤维掺入混凝土原料中，制作标准试块，检测混凝土试块抗压强度、抗拉强度、防渗强度的变化。有关试验统计结果如下：混凝土试块的抗压强度提升约8%、抗拉强度提升约15%、防渗强度提升约10%，由此可知膨胀纤维对地下室所使用的混凝土具有良好的物理力学改良性能。

2.2 裂缝中掺入膨胀纤维对混凝土微观结构的改善

由于以上的试验测试是直接在混凝土的原料中掺入膨胀纤维，在确定了膨胀纤维对混凝土的物理力学性能具有改善效果之后，为了更加接近于案例项目地下室混凝土顶板裂缝的改良加固实际，通过多方渠道找到一块尺寸大小适宜的混凝土板（编号为试验板-1），该板的板面上存在多条不同宽度和深度的横向、纵向裂缝。按照以上所述的测试组-8（7%EA型膨胀剂+0.8%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.45）制作组份膨胀纤维，而后通过特殊的注射装置将组份膨胀纤维注射进入试验板-1的裂缝中，并利用精密仪器观测试验板-1裂缝中微观结构在组份膨胀纤维注射前后的变化情况，其裂缝的微观结构在同一位置处的具体变化如图1所示。

图1（a）为试验板-1的裂缝在注射组份膨胀纤维前的微观结构，图1（b）为试验板-1的裂缝在注射组份膨胀纤维后的微观结构。对比图1（a）和图1（b）可以看出，注射组份膨胀纤维之前，试验板-1的裂缝微观结构不仅孔隙数量比较大、而且孔径分布也很不均匀；注射组份膨胀纤维之后，试验板-1的裂缝微观结构孔隙数量明显减少、而且显得更加密实。此外，对比图1（a）和图1（b）还可以看出，试验板-1的裂缝经注射组份膨胀纤维处理后，其裂缝微观结构中呈现出清晰可见的纤维丝，这些纤维丝质地均匀，分布严密，由多重纤维丝构成的纤维网能够明显提升试验板-1的抗压、抗拉、防渗性能。

3 案例工程地下室混凝土开裂改良加固

在通过试验确定了膨胀纤维既能够提升混凝土的物理力学性能，又能够明显改善混凝土结构构件裂缝的微观结构之后，决定使用测试组-8所示的配比组份膨胀纤维，对案例项目的地下室某块顶板（该顶板编号为试验板-2）进行实地加固改良试验。利用电镜，对试验板-2进行组份膨胀纤维处理前后的裂缝位置进行断面扫描，图2（a）、图2（b）分别为试验板-2的裂缝断面在注射组份膨胀纤维前后的电镜扫描图。

图2 组份膨胀纤维注射前后试验板-2裂缝断面的电镜扫描图

图2（a）为未注射膨胀纤维之前的混凝土顶板某位置处裂缝断面电镜扫描图，从图2（a）可以看出，在该裂缝的断面位置处，主要是一些云团状的凝胶质体和层板形状的氢氧化钙晶体、层板形状的铝酸钙晶体以及大量圆球颗粒状的粉煤灰，且该裂缝断面整体结构呈现松散不密实的状态。图2（b）为注射膨胀纤维之后的混凝土顶板裂缝断面电镜扫描图，从图2（b）可以看出，在该裂缝的断面位置处，除了含有水泥、粗骨料、细骨料等的水化产物之外，还形成了非常明显的柱状钙矾石和纤维状的水镁石这两种膨胀性纤维物质，且这两种膨胀性纤维物质互融交错、并十分紧密地附着在混凝土原料的水化反应产物上，不仅非常完美地填塞了混凝土构件的裂缝，而且也使得裂缝断面的孔隙基本消失了，整个微观结构呈现出较为理想的密实状态。

综合上述多项试验测试结果，最终依照测试组-8（7%EA型膨胀剂+0.8%BF型玄武岩纤维、水胶比控制为0.45）的配比制作组份膨胀纤维，并经特殊注射装置注射于案例项目地下室混凝土顶板的裂缝位置处，获得了较为理想的地下室混凝土顶板抗压、抗拉、防渗效能提升效果[4]，圆满完成了对案例项目地下室混凝土顶板的改良加固任务。

4 结束语

综上所述，对于地下室混凝土结构构件的裂缝，可以利用膨胀纤维来控制裂缝，提升混凝土物理力学性能和抗水防渗性能。通过试验确定膨胀纤维的最佳组份配比，从而通过混凝土试块试验和实地检测，验证了膨胀纤维既能够提升混凝土的物理力学性能，又能够明显改善混凝土结构构件裂缝的微观结构，具有良好的改良加固效果，可将其大面积推广于存在裂缝质量缺陷的混凝土结构构件中，为地下室混凝土结构构件的裂缝防治提供参考。