地铁隧道管片裂缝修补后的抗侵蚀性能研究
发布时间：2022-01-07
摘 要 地铁隧道管片在生产、施工和运营过程中均可能产生裂缝，而管片裂缝修补后的耐久性优劣直接影响隧道安全。文章通过模拟地铁管片裂缝，采用氯离子渗透试验和硫酸盐侵蚀试验，研究了新型修补材料NR修补不同管片裂缝后的抗侵蚀性能，并与常用环氧树脂修补材料EC进行了对比分析。结果表明：采用NR修补不同管片裂缝后其抗Cl渗透性均明显提高，其中对C60混凝土管片修补效果好于C50混凝土管片;对掺聚丙烯纤维管片的修补效果好于未掺聚丙烯纤维的管片;对PFC50和C60混凝土管片的修补效果要优于EC材料。采用NR修补后管片的抗硫酸盐侵蚀能力略有下降，C60混凝土管片修补后的抗硫酸盐侵蚀的抗压和抗折强度降幅均较C50混凝土管片的小，且抗压强度修复效果优于抗折强度;掺聚丙烯纤维管片裂缝修补后的抗硫酸盐侵蚀的抗压和抗折强度降幅均较未掺聚丙烯纤维管片的小，且抗压强度修复效果优于抗折强度;对C50和PFC50混凝土管片抗硫酸盐侵蚀的抗压强度的修补效果要优于EC材料，且对3种混凝土管片抗硫酸盐侵蚀的抗折强度的修补效果均要优于EC材料。
关键词 地铁隧道 管片 裂缝修补 新型修补材料 抗氯离子渗透性 抗硫酸盐侵蚀
1 引 言
随着我国城市交通建设的大力发展，地铁已经成为许多大中型城市基础建设的重要组成部分。盾构法是地铁隧道建设的主要方法之一，采用装配式钢筋混凝土管片作为永久衬砌，管片在生产、施工和运营均可能产生裂缝，地铁管片开裂损坏的事件越来越多[1~3]。混凝土修补材料主要有无机和有机两大类，修补材料修复效果主要由新老材料界面粘结力决定[4~6]，有机修补材料主要是采用环氧树脂进行修补，新老界面粘结强度良好，也能提高承载力[7~9]。王建辉等[10]研究得到聚氨酯修补混凝土后抗渗性较基体要好，与原基体相比，抗压和抗拉强度有明显的降低;叶娇凤[11]通过配合比优化得到了一种力学性能良好、耐化学侵蚀性能优良的改性环氧树脂修补材料，主要研究修补材料本身的力学及耐侵蚀性能，并未研究修补混凝土裂缝后的抗侵蚀性能，同时经修补后的混凝土破损面仍在粘结面。
目前，针对普通混凝土裂缝修补的研究较多[12,13]，对地铁盾构管片裂缝修补后的抗侵蚀性能研究相对较少。裂缝修复后的耐久性优劣直接影响隧道安全，地铁隧道主要处在地下潮湿环境中，其中侵蚀性介质主要含有Cl和SO4 2-，导致混凝土中Ca(OH)2易与其反应而破坏，而且 Cl的扩散加速了管片中的钢筋锈蚀[14,15]，导致管片进一步开裂破坏，缩短了管片的使用寿命，因此开展地铁盾构管片裂缝修补后的耐久性研究是非常重要的。本文通过相关试验，模拟不同强度等级的管片裂缝，采用新型修补材料 NR 及用于对比的常用环氧树脂类修补材料EC，评价其修补管片裂缝后的抗侵蚀性能，为地铁隧道管片裂缝修补提供理论依据。
2 试验材料和方法
2.1 试验材料
水泥为 52.5 MPa 硅酸盐水泥，符合《GB175- 2007通用硅酸盐水泥》性能要求;细集料采用河砂，细度模数为2.3;粗集料采用玄武岩碎石，粒径为5~ 20 mm;采用Ⅰ级粉煤灰;聚丙烯纤维为江苏某材料公司生产的润强丝Ⅰ型抗裂纤维;外加剂为聚羧酸高效减水剂，减水率约为35%;拌合水为自来水。
NR修补材料为课题组研发的新型修补材料，性能指标见表 1。固化剂、非活性稀释剂为常州某化工厂产品;环氧树脂采用上海某化学公司生产的E51环氧树脂(EC)。
2.2 试验配比
根据《GB50157-2013 地铁设计规范》的规定，装配式钢筋混凝土管片设计强度最低为 C50，目前盾构隧道管片多为C50、C60强度等级的混凝土。国内很多学者对掺纤维的混凝土管片进行了应用研究，本试验也加入了掺加聚丙烯纤维的C50混凝土管片作为对比，具体混凝土配合比见表2，其力学性能见表3。根据实验室试验，确定新型修补材料NR 粘度采用180 MPa·s，固化剂掺量为1.5%作为修补材料配合比;环氧树脂修补材料采用环氧树脂 E51，其与固化剂、稀释剂、流化剂的比例为 100∶13∶ 10∶5;如图1所示，试件尺寸为ϕ100 mm×50 mm，上下表面平整，采用长 100 mm、宽 2 mm、深 50 mm 的通缝，其位于试件的正中位置以模拟盾构隧道管片裂缝并进行氯离子渗透试验;采用 40 mm×40 mm× 160 mm的长方体作为硫酸盐侵蚀试件，折断后采用修补材料进行修补，其折断位置基本位于试件正中，主要模拟管片厚度上有渗漏水位置的通缝，修补裂缝后放入浓度为5%的Na2SO4溶液中浸泡30 d，另一组对比试件为裂缝修补后未浸泡 5% 的 Na2SO4溶液。
2.3 试验方法
按照NEL法进行氯离子渗透试验，采用4 mo1/L NaCl 溶液对试件进行真空饱盐。擦去试件表面水分，置于尺寸为ϕ50 mm夹具的两个电极之间，氯离子扩散系数通过NEL型氯离子测试系统进行测定。硫酸盐侵蚀测试参照《GB/T 749-2008 水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》和《JTG E30-2005 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。
3 结果与讨论
3.1 抗氯盐侵蚀
混凝土抗Cl渗透能力通常用电通量和扩散系数来衡量混凝土抗渗性的优劣，其是评价混凝土抗氯盐侵蚀能力的重要指标，图2和图3是采用修补材料 NR 和 EC 修补不同管片裂缝后与原混凝土基体对比的Cl渗透电压-电流关系曲线和氯离子扩散系数示意图。
由图2及图3可得到不同管片混凝土基体及裂缝修补后抗Cl渗透性能的优劣。采用新型修补材料 NR 修补裂缝后，C50 混凝土管片 Cl扩散系数较原基体减小了7.65%，PFC50纤维混凝土管片Cl扩散系数较原基体减小了 9.36%，C60 混凝土管片 Cl扩散系数较原基体减小了 10.11%;采用 EC 修补裂缝后，C50混凝土管片Cl扩散系数较原基体减小了 15.63%，PFC50纤维混凝土管片Cl扩散系数较原基体仅减小了 2.78%，C60 混凝土管片 Cl扩散系数较原基体反而增大了8.68%。这说明采用NR 材料修补管片裂缝后，C60混凝土管片的抗Cl渗透效果较 C50混凝土管片要好;相同强度等级条件下，掺有聚丙烯纤维的混凝土管片在裂缝修补后的抗Cl渗透性效果较好;对于PFC50纤维混凝土和C60混凝土管片，采用NR材料修补裂缝后的抗Cl渗透性效果要优于修补材料EC。修补材料与基体的粘结程度对抗Cl渗透能力有直接的影响作用，NR材料与混凝土基体有着良好的粘结能力，修补后能在裂缝处形成致密光滑的封闭层，由于修补界面水分较少，有利于修补材料固化成膜，封堵微裂缝、毛细孔及联系孔壁(图4)，对抗Cl渗透能力有较强的改善作用[16]。
3.2 抗硫酸盐侵蚀
图5和图6是采用修补材料NR和EC修补不同管片裂缝后，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。
从图5可见，采用NR材料修补C50混凝土管片裂缝后，浸泡后的抗压强度为对比试件的80.3%;修补PFC50管片裂缝后，浸泡后的抗压强度为对比试件的93.3%;修补C60管片裂缝后，浸泡后的抗压强度为对比试件的 88.3%。采用 EC 材料修补 C50 管 片裂缝后，浸泡后的抗压强度为对比试件的70.3%;修补PFC50管片裂缝后，浸泡后的抗压强度为对比试件的84.5%;修补C60管片裂缝后，浸泡后的抗压强度为对比试件的 95.7%。由此可说明，经硫酸盐侵蚀后，对于强度等级相同的混凝土，采用NR材料对掺聚丙烯纤维的混凝土管片裂缝修补后，其抗硫酸盐侵蚀抗压强度降幅较小;经NR修补后的C60混凝土管片抗硫酸盐侵蚀的抗压强度降幅较C50混凝土管片小。从混凝土管片裂缝修补后抗硫酸盐抗压强度修补效果来看，NR材料对C60混凝土管片修补效果更好;同强度等级的混凝土，对掺聚丙烯纤维混凝土管片裂缝修补效果较好;同时NR材料对C50及 PFC50管片抗硫酸盐侵蚀抗压强度修补效果要优于修补材料EC。
从图 6 可见，采用 NR 材料修补 C50 管片裂缝后，浸泡后的抗折强度为对比试件的 68.7%;修补 PFC50管片裂缝后，浸泡后的抗折强度为对比试件的80.9%;修补C60管片裂缝后，浸泡后的抗折强度为对比试件的 83.6%。采用 EC 材料修补 C50 管片裂缝后，浸泡后抗折强度为对比试件的59.1%;修补 PFC50管片裂缝后，浸泡后的抗折强度为对比试件的77.3%;修补C60管片裂缝后，浸泡后的抗折强度为对比试件的 59.4%。由此说明，在硫酸盐侵蚀环境下，对于强度等级相同的混凝土，NR材料对掺加聚丙烯纤维的混凝土管片裂缝修补后，抗硫酸盐侵蚀抗折强度降幅较小;经NR材料修补后的C60混凝土管片抗硫酸盐侵蚀的抗折强度降幅较C50混凝土管片小;从混凝土裂缝修补后抗硫酸盐抗折强度修补效果来看，NR材料对C60混凝土管片修补效果更好;同强度等级的混凝土，对掺聚丙烯纤维混凝土管片裂缝修补效果较好，这一规律与 NR 材料修补不同混凝土管片后的抗硫酸盐抗压强度效果是一致的;NR材料对于3种管片混凝土抗硫酸盐抗折强度修补效果均要优于修补材料EC。
修补材料自身抗硫酸盐侵蚀能力强，与基体有良好的粘结力，修补材料在裂缝处形成致密光滑的封闭层，能阻止 SO4 2-进入混凝土内部，混凝土裂缝修补后的抗硫酸盐侵蚀性能就好，否则大量的SO4 2- 进入裂缝修补粘结面，破坏修补材料与基体粘结，修补后抗硫酸盐侵蚀能力退化[17,18]。
4 结 论
采用新型修补材料NR修补不同管片裂缝后其抗Cl渗透性均有明显提高，其中C60混凝土管片裂缝修补后的抗Cl渗透性能提高更为明显，与原基体相比 Cl扩散系数减小了 10.11%;在裂缝修补后掺有聚丙烯纤维的管片抗Cl渗透性较未掺加聚丙烯纤维的管片更为有效，同时修补材料 NR 对 PFC50 和C60管片裂缝的修补效果要优于修补材料EC。
采用 NR 修补不同管片裂缝后，管片抗硫酸盐侵蚀的抗压和抗折强度均有一定程度的减小，其中对C60混凝土管片裂缝修补后，抗硫酸盐侵蚀的抗压和抗折强度降幅与C50混凝土管片相比均较小，而且对抗压强度的修复效果较对抗折强度的修复效果要好;对于同强度等级管片混凝土，在对掺加聚丙烯纤维管片裂缝修补后，其抗硫酸盐抗压、抗折强度降幅均较未掺加聚丙烯纤维管片要小，而且对抗压强度的修复效果较对抗折强度的修复效果要好;NR 材料对C50和PFC50管片抗硫酸盐侵蚀抗压强度的修补效果要优于修补材料 EC，而且 NR 材料对 3 种混凝土管片抗硫酸盐抗折强度的修补效果均要优于修补材料EC。——论文作者：徐少云1, 2 高培伟1 肖忠平2 赵向敏3 彭海龙3 陈卫峰1
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