CN116084993A - 一种采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高延性水泥基复合材料修复衬砌提高隧道耐久性的工艺方法，包括高延性水泥基复合材料、施工工艺和评价方法，所述的施工工艺施工步骤包括：修补区域放样标定、原有衬砌结构基底凿毛和清理、涂抹临时防水胶、布设钢丝网、分层涂抹高延性水泥基复合材料、采用细砂浆找平、涂料装饰；所述高延性水泥基复合材料由水泥、粉煤灰、硅灰、水、混凝土用砂、外加剂和合成纤维搅拌组成，评价方法用抵抗变形潜能参数P表示。本发明借助高延性水泥基复合材料超强的变形能力，实现修复材料和衬砌结构的协同变形，抵抗材料因收缩产生开裂和界面脱粘破坏，处治了衬砌裂缝渗漏水病害，减缓了裂缝进一步扩展，提高了衬砌结构的耐久性。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程、建筑材料技术领域，具体涉及一种采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法。
背景技术
当前运营中的隧道由于服役年限增加、围岩压力变化、材料性能劣损等因素导致衬砌结构存在着不同程度的病害，主要以衬砌开裂和衬砌渗漏水为主。当衬砌结构发生渗漏时，衬砌结构健康状况会进一步恶化，严重时引起衬砌失稳和灾变。调研资料表明：非结构性裂缝是衬砌开裂的主要形式，该类裂缝本身不会对衬砌结构承载力产生威胁，但非结构性裂缝一方面为隧道中有害气体提供腐蚀衬砌钢筋的通道，加快衬砌结构劣化过程；另一方面提供了围岩中的水向隧道内部运移、迁移和扩散的通道，增加隧道内通风、照明等电气化设备短路的风险。
针对该类裂缝，工程中主要采用表面封闭法、注浆法和凿槽填充法来处治，其中表面封闭法因其修复面积广泛、施工工艺简单、交通恢复快速等优点受到工程届的青睐，其常用的封闭材料有普通水泥浆、普通砂浆、环氧树脂改性砂浆、普通沥青、环氧树脂改性沥青等。工程实践中，上述封闭材料在处治裂缝初期取得了良好的修复效果，但随着修复材料服役时间增加和隧道洞内环境侵蚀，大部分修复材料耐久能力逐渐退化。这种现象的本质是上述所述修复材料裂缝控制能力极差、一旦产生开裂难以与衬砌结构发生持续性协同变形，导致修复材料和衬砌界面发生脱粘破坏，往往需要再次修复。
向混凝土或者砂浆中加入一定量的钢纤维、碳纤维、玄武岩纤维、植物纤维和合成纤维等可以有效地提高混凝土材料的韧性和变形能力，例如工程界所熟知的纤维混凝土和纤维增强砂浆，但其裂缝的控制能力仍旧有限，宽度也仅能控制在毫米的量级内，材料在荷载作用下仍呈现出准脆性的破坏方式，修复效果同样不佳。
发明内容
本发明针对现有修复技术的不足，提出一种采用低成本的高延性水泥基复合材料来提高隧道衬砌耐久性的方法，并提出采用该方法修复裂缝的施工工艺。通过本发明的应用，不会对原有衬砌结构的承载力造成重大改变和破损，解决了常规修复材料和衬砌结构变性不协调、修复效果不佳问题，显著提高了隧道衬砌非结构性裂缝抵抗渗漏水和抵抗碳化能力，从而有效提高衬砌结构的抗渗性和耐久性。
为了达到上述修复目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，采用一种高延性的水泥基复合材料，修复方法采用一些特定的施工方法，并采用基于修复材料抵抗收缩和界面脱粘破坏的潜力评估参数P对修复效果进行评价。
上述的高延性水泥基复合材料具有单轴变形能力、裂缝分散化能力和抵抗渗漏水能力，其单轴拉伸极限应变在1％左右。
上述施工方法具体包括如下步骤：
步骤一、对修复区域进行放样标定，标识出拟修补范围，修补范围在衬砌开裂区域基础上往四周扩充1米过渡区；
步骤二、确定修补范围后采用机械设备对衬砌基底进行凿毛处理，处理时应不损伤原衬砌结构的钢筋；
步骤三、凿毛处理结束后，用水枪冲洗掉衬砌表面的浮浆颗粒，露出新鲜的混凝土粘结界面，并在衬砌表面埋设控制涂抹厚度标志；
步骤四、对有渗水出露的裂缝应采用快凝式防水胶进行临时处理，阻止水分进一步渗出；
步骤五、在需要修复的区域布设钢丝网,钢丝网选择HRB400钢筋网，选用钢丝直径在3mm以上，孔径在50mm～100mm之间；钢丝网采用扩底螺栓加垫片的方式固定，固定螺栓的间距保持在40cm到60cm之间；
步骤六、分层多次涂抹高延性水泥基复合材料，第一次涂抹的厚度应该覆盖住钢丝网，待涂抹的材料初凝后，每隔两个小时，对涂抹后的表面进行喷洒水养护，24小时后，开始进行第二次的涂抹，涂抹后的养护方式与第一次涂抹后的养护方式相同，涂抹次数不少于3次，涂抹总厚度控制在3到5cm之间,保证涂抹材料厚度不侵入隧道的建筑限界；
步骤七、高延性水泥基材料涂抹达到控制厚度时，利用细砂浆对涂抹表面存在的坑洼位置进行修补找平；
步骤八、找平后每日对修复区域进行洒水养护，洒水浸湿所有修复区域表面，养护总周期为4周；前2周内，每日洒水养护次数3次，后2周内，每日洒水养护次数2次；
步骤九、利用装修涂料对养护后的修复区域进行装饰。
上述步骤六中，在正式涂抹之前，应该先进行试涂抹，进一步地根据现场条件和涂抹施工难度优化配合比及施工方法，并测试涂抹层和原衬砌之间的粘结强度，试涂抹效果符合要求后方可大面积施工；涂抹过程中，高延性水泥基材料宜随拌随用，涂抹后的掉落物不能收集起来放入下批新鲜料中，以免影响涂抹层的质量；分层多次涂抹高延性水泥基复合材料达到涂抹控制厚度1/2时，在修复的核心区域埋设两组应变计，分别测试高延性水泥基材料沿隧道轴向和环向收缩应变εsh。
上述步骤六中，分层多次涂抹高延性水泥基复合材料过程中，准备好单轴拉伸模具，每批新鲜拌合物浇筑4个单轴拉伸的试件，24h小时脱模后，根据现场修复材料涂抹层养护方式，对单轴拉伸试件进行同样的洒水养护，洒水需要浸湿试件所有表面。
将养护好的单轴拉伸的试件送入试验室进行单轴拉伸试验，分别测定试件弹性应变εe和非弹性拉伸应变εi。
上述潜力评估参数P计算公式如下：
P＝εsh-(εe+εi+εcp)
式中，εsh为所述埋设应变计所监测到的收缩应变，单位：％；εe为所述实验测得修复材料弹性应变，单位：％；εi为实验所测得的修复材料非弹性应变，单位：％；εcp为修复材料的蠕变，高延性水泥基复合材料εcp取0.07％。
上述评价方法具体为：当计算的P值小于0时，表明材料变形能力可以抵消收缩变形，高延性水泥基复合材料具备抵抗收缩破坏和界面脱粘能力，修复效果良好；反之，材料变形能力不能抵消材料收缩变形，修复效果不佳，需要重新调整配合比，再次进行修复。
上述高延性水泥基复合材料组分材料包括：普通硅酸盐水泥、水、细骨料、F级I类粉煤灰、硅灰、抗收缩外加剂和纤维，组分质量百分比水泥：水：细骨料：F级I类粉煤灰：硅灰＝(12％～24％):(16％～17％):(21％～23％):(24％～48％):(12％～24％),所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的一种，水泥的强度等级为52.5，所述的细骨料为混凝土用砂，其最大粒径不超过1mm；所述的抗收缩外加剂包括减水剂、膨胀剂和乳胶粉，其中减水剂掺量不超过胶凝材料,即水泥、粉煤灰、硅灰，总质量的0.5％，膨胀剂和乳胶粉不超过水泥掺量的10％；所述的纤维为聚乙烯醇纤维，长度为8～12mm，其掺量为高延性水泥基复合材料总体积的1.5～2％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在衬砌非结构性裂缝表面分层涂抹一定厚度的高延性水泥基复合材料，有效的阻止了开裂区域的渗漏水，降低了开裂区域的碳化速度。与传统的砂浆或混凝土修复材料相比，本发明所采用的高延性水泥基复合材料可以与衬砌结构协同变形，结合良好，超强的变形能力能够有效抵抗收缩应变，避免因为收缩产生裂缝和界面脱粘破坏，显著提高开裂衬砌的修复质量和结构使用寿命。
本发明采用基于修复材料抵抗收缩和界面脱粘破坏的潜力评估参数P来定性评估修复材料抵抗收缩开裂和界面脱粘的能力，很好结合了现场监测数据和室内试验测试数据，评估结果更为全面，易于计算，方便实施。
分层涂抹高延性水泥基复合材料为隧道衬砌非结构裂缝修复提供了新技术手段，且具有良好的工程推广应用前景。
附图说明
图1为高延性水泥基复合材料修复隧道横断面图。
图2为高延性水泥基材料修复非结构性裂缝方法工艺图。
图3为修复材料收缩开裂和界面脱粘破坏的示意图。
图中，1-高延性水泥基复合材料，2-初期支护，3-二次衬砌，4-修复区域，5-基底刻槽，6-涂抹临时防水胶，7-布设钢丝网，8-分层涂抹高延性水泥基复合材料，9-细砂浆找平，10-涂料装饰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
某公路山岭隧道由于建设早，当时施工技术水平落后，因此二次衬砌采用木模板施工，故现状二次衬砌交接缝、施工缝多，表面平整度差，加之隧道已经运营数十年，已经不同程度地出现了各种病害，其中衬砌开裂和渗漏水现象十分严重，急需采用合适的方法维修。
隧道混凝土取芯发现表明：劣化主要在表面1cm以内，最大宽度为0.72mm，且均属于非结构性裂缝，尚未危及到隧道的结构安全，仅需进行耐久性修复。采用本文所发明工艺方法对该隧道某一处渗漏水比较严重的网状裂缝进行修复，所采用的修复材料为本文所述的高延性水泥基复合材料，所采用的施工方法为本文所述的工艺方法，具体步骤如下。
(1)对修复区域进行放样标定，标识出拟修补范围，修补范围在衬砌开裂区域基础上往四周扩充1米过渡区。
(2)确定修补范围后采用机械设备对衬砌基底进行刻槽凿毛处理，处理时应不损伤原衬砌结构的钢筋。
(3)凿毛处理结束后，用水枪冲洗掉衬砌表面的浮浆颗粒，露出新鲜的混凝土粘结界面，并在衬砌表面埋设控制涂抹厚度标志。
(4)对有渗水出露的裂缝应采用快凝式防水胶进行临时处理，阻止水分进一步渗出。
(5)在需要修复的区域布设钢丝网,钢丝网选择HRB400钢筋网，选用钢丝直径在3mm以上，孔径为50mm；钢丝网采用扩底螺栓加垫片的方式固定，固定螺栓的间距保持在50cm。
(6)进行试涂抹，以进一步地根据现场条件和涂抹施工难度优化配合比及施工方法，并测试涂抹层和原衬砌之间的28天粘结强度，一般不少于2.0MP。
(7)分层多次涂抹高延性水泥基复合材料，第一次涂抹的厚度应该覆盖住钢丝网，待涂抹的材料初凝后，每隔两个小时，对涂抹后的表面进行喷洒水养护，24小时后，开始进行第二次的涂抹，涂抹后的养护方式与第一次涂抹后的养护方式相同，共涂抹3次，涂抹总厚度为5cm；分层多次涂抹高延性水泥基复合材料达到控制厚度1/2时，在修复的核心区域埋设两组应变计，分别测试高延性水泥基材料沿隧道轴向和环向收缩应变εsh。
上述涂抹过程中，使用高延性水泥基材料，组分质量百分比为，24％普通硅酸盐水泥、16％水、21％混凝土用砂、24％F级I类粉煤灰、12％硅灰、抗收缩外加剂,纤维的掺量按照体积分数的2％掺加，所述的外加剂包括减水剂、膨胀剂和乳胶粉，其中减水剂掺量为胶凝材料(水泥+粉煤灰+硅灰)的0.5％，膨胀剂和乳胶粉为水泥掺量的8％。所述的纤维为聚乙烯醇纤维，长度为12mm；高延性水泥基材料宜随拌随用，涂抹后的掉落物不能收集起来放入下批新鲜料中，以免影响涂抹层的质量。
分层多次涂抹高延性水泥基复合材料途中，准备好单轴拉伸模具，每批新鲜拌合物浇筑4个单轴拉伸的试件；24h小时脱模后，根据现场修复材料涂抹层养护方式，对单轴拉伸试件进行同样的养护，洒水需要浸湿试件所有表面，养护周期设为4周，前2周内，每日洒水养护次数3次为宜，后2周内，每日洒水养护次数2次为宜。养护结束后，将试件送入实验室进行单轴拉伸试验，分别测定试件的弹性应变εe和非弹性拉伸应变εi。
(8)高延性水泥基材料涂抹达到控制厚度时，利用细砂浆对涂抹表面存在的坑洼位置进行修补找平；
(9)找平后每日对修复区域进行洒水养护，洒水浸湿所有修复区域表面，养护总周期为4周，前2周内，每日洒水养护次数3次为宜，后2周内，每日洒水养护次数2次为宜。
(10)利用装修涂料对养护后的修复区域进行装饰。
施工修复结束后，根据本发明所提出的评价公式对修复效果进行评价，公式如下所示：
P＝εsh-(εe+εi+εcp)
其中，现场收缩应变计所监测到的εsh最终稳定在225～250με之间，试验所测得的εe和εi分别为0.015％和1％，εcp参考经典工程用水泥基复合材料的蠕变值取0.07％，最终计算得到的P值范围为(-1.065)～(-1.062)，小于0，表明本文发明的高延性水泥基复合材料具有良好的抵抗混凝土收缩和界面脱粘的能力。
为了说明本发明的修复方法较为先进，分别调查普通混凝土和钢筋混凝土的的收缩应变、弹性应变、非弹性应变以及蠕变，并计算这两种修复材料抵抗变形潜能参数P，计算结果下表所示。
结果表明：普通混凝土抵抗变形潜能均为正值，材料收缩易产生脱粘破坏，钢纤维混凝土抵抗变形潜能有一部分为正值，因此钢纤维混凝土用来修复也很难保证材料因收缩而不脱粘；高延性水泥基修补材料的抵抗变形潜能均为负值，意味着材料的收缩变形完全可以被材料本身变形能力消化，材料难以产生脱粘，修补效果良好。
注：*为参考经典工程用水泥基复合材料的蠕变值
综上所述，本发明公开的高延性水泥基修补材料为隧道衬砌的耐久性修复提供了新技术手段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于：
采用一种高延性的水泥基复合材料，修复方法采用一些特定的施工方法，并采用基于修复材料抵抗收缩和界面脱粘破坏的潜力评估参数P对修复效果进行评价。
2.根据权利要求1所述的采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于，所述的高延性水泥基复合材料具有单轴变形能力、裂缝分散化能力和抵抗渗漏水能力，其单轴拉伸极限应变在1％左右。
3.根据权利要求1所述的采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于，所述施工方法具体包括如下步骤：
步骤一、对修复区域进行放样标定，标识出拟修补范围，修补范围在衬砌开裂区域基础上往四周扩充1米过渡区；
步骤二、确定修补范围后采用机械设备对衬砌基底进行凿毛处理，处理时应不损伤原衬砌结构的钢筋；
步骤三、凿毛处理结束后，用水枪冲洗掉衬砌表面的浮浆颗粒，露出新鲜的混凝土粘结界面，并在衬砌表面埋设控制涂抹厚度标志；
步骤四、对有渗水出露的裂缝应采用快凝式防水胶进行临时处理，阻止水分进一步渗出；
步骤五、在需要修复的区域布设钢丝网,钢丝网选择HRB400钢筋网，选用钢丝直径在3mm以上，孔径在50mm～100mm之间；钢丝网采用扩底螺栓加垫片的方式固定，固定螺栓的间距保持在40cm到60cm之间；
步骤六、分层多次涂抹高延性水泥基复合材料，第一次涂抹的厚度应该覆盖住钢丝网，待涂抹的材料初凝后，每隔两个小时，对涂抹后的表面进行喷洒水养护，24小时后，开始进行第二次的涂抹，涂抹后的养护方式与第一次涂抹后的养护方式相同，涂抹次数不少于3次，涂抹总厚度控制在3到5cm之间,保证涂抹材料厚度不侵入隧道的建筑限界；
步骤七、高延性水泥基材料涂抹达到控制厚度时，利用细砂浆对涂抹表面存在的坑洼位置进行修补找平；
步骤八、找平后每日对修复区域进行洒水养护，洒水浸湿所有修复区域表面，养护总周期为4周；前2周内，每日洒水养护次数3次，后2周内，每日洒水养护次数2次；
步骤九、利用装修涂料对养护后的修复区域进行装饰。
4.根据权利要求3所述的采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于，步骤六中，在正式涂抹之前，应该先进行试涂抹，进一步地根据现场条件和涂抹施工难度优化配合比及施工方法，并测试涂抹层和原衬砌之间的粘结强度，试涂抹效果符合要求后方可大面积施工；涂抹过程中，高延性水泥基材料宜随拌随用，涂抹后的掉落物不能收集起来放入下批新鲜料中，以免影响涂抹层的质量；分层多次涂抹高延性水泥基复合材料达到涂抹控制厚度1/2时，在修复的核心区域埋设两组应变计，分别测试高延性水泥基材料沿隧道轴向和环向收缩应变εsh。
5.根据权利要求3所述的采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于,步骤六中，分层多次涂抹高延性水泥基复合材料过程中，准备好单轴拉伸模具，每批新鲜拌合物浇筑4个单轴拉伸的试件，24h小时脱模后，根据现场修复材料涂抹层养护方式，对单轴拉伸试件进行同样的洒水养护，洒水需要浸湿试件所有表面。
6.根据权利要求5所述的采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于，将养护好的单轴拉伸的试件送入试验室进行单轴拉伸试验，分别测定试件弹性应变εe和非弹性拉伸应变εi。
7.根据权利要求1所述的所述的采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于，所述潜力评估参数P计算公式如下：
P＝εsh-(εe+εi+εcp)
式中，εsh为所述埋设应变计所监测到的收缩应变，单位：％；εe为所述实验测得修复材料弹性应变，单位：％；εi为实验所测得的修复材料非弹性应变，单位：％；εcp为修复材料的蠕变，高延性水泥基复合材料εcp取0.07％。
8.根据权利要求1所述的所述的采用高延性水泥基复合材料修复衬砌的工艺方法，其特征在于，具体评价方法为：当计算的P值小于0时，表明材料变形能力可以抵消收缩变形，高延性水泥基复合材料具备抵抗收缩破坏和界面脱粘能力，修复效果良好；反之，材料变形能力不能抵消材料收缩变形，修复效果不佳，需要重新调整配合比，再次进行修复。
9.根据权利要求1和2所述的高延性水泥基复合材料，其特征在于组分材料包括：普通硅酸盐水泥、水、细骨料、F级I类粉煤灰、硅灰、抗收缩外加剂和纤维，组分质量百分比水泥：水：细骨料：F级I类粉煤灰：硅灰＝(12％～24％):(16％～17％):(21％～23％):(24％～48％):(12％～24％),所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的一种，水泥的强度等级为52.5，所述的细骨料为混凝土用砂，其最大粒径不超过1mm；所述的抗收缩外加剂包括减水剂、膨胀剂和乳胶粉，其中减水剂掺量不超过胶凝材料,即水泥、粉煤灰、硅灰，总质量的0.5％，膨胀剂和乳胶粉不超过水泥掺量的10％；所述的纤维为聚乙烯醇纤维，长度为8～12mm，其掺量为高延性水泥基复合材料总体积的1.5～2％。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116597926B (zh) * | 2023-06-02 | 2024-02-23 | 山东大学 | 二分法裂纹开展的高延性水泥基修复材料设计系统与方法 |
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2023
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