压力注浆法修补混凝土裂缝的力学分析

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发布时间：2021-09-03

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压力注浆法修补混凝土裂缝的力学分析
冯英杰，张泽洲
(1．西北民族大学土木工程学院，甘肃兰州730124； 2．兰州有色金属设计研究院，甘肃兰州730000)
[摘要]裂缝是混凝土工程的常见病害，裂缝的存在会影响混凝土结构物的耐久性、使用性和安全性。为延
长混凝土结构的使用寿命、使建筑物恢复正常使用，通常采取各种办法对裂缝进行修补。压力注浆法修补混凝土
裂缝是目前较常用的方法。本文从以界面粘结理论为依据，先通过剪切粘结试验测试混凝土裂缝修补试件的力学
性能及相关参数，然后用ANSYS软件模拟混凝土试件裂缝分布及破坏形态，并进行力学分析。研究结果表明：理
论计算结果与试验结果较接近，证明了计算方法的合理性，理论分析的结果可为工程应用提供可靠依据。
[关键词]混凝土裂缝；压力注浆；粘结理论；力学分析
【中图分类号】Tu 528．O1 【文献标识码】A 【文章编号]1674—0610(2014)ol一0242—04
M echanical Analysis On Grouting Concrete Cracks W ith Pressure
FENG Yingjie ，ZHANG Zezhou
(1．Northwest University for Nationalities Department of Civil Engineering Lanzhou，Gansu 730 1 24，China；
2．LanZhou Engineering＆ Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co．，Ltd，Lanzhou，Gansu
730000，China)
[Abstract]Crack is a common disease in concrete engineering．The concrete crack not only reduces
the durability of building but also affects the safety and use function of building．In order to lengthen
service life of building and make building restore the normal use to mend crack by various methods．
Grouting concrete cracks method with pressure is more common method to repair concrete cracks．In this
article，analysis base on the interface bonding principle．the first，through the shear bond test，tested the
mechanical properties and related parameters of concrete specimens repaired cracks，and then using the
ANSYS software to simulate and analyse the distributor of cracks and failure models．These conclusions
are proved true by making use of numerical analyses method． These theories are useful for engineering
application．
[Key words]Concrete crack；Grouting with pressure；Bonding theory；Mechanical analysis
0 引言
裂缝是混凝土结构的通病，裂缝一旦出现便不
可恢复，而由于裂缝的存在，环境中的有害物质会轻
易进入混凝土内部，造成混凝土腐蚀、劣化。混凝土
裂缝导致结构的耐久性、安全性下降。混凝土结构
出现裂缝后，需要恢复其整体性和使用功能，就需要
对已出现的裂缝进行修补。压力注浆法修补混凝土
裂缝是混凝土裂缝修补的常用方法之一，此方法通
过注浆材料对混凝土裂缝进行封堵，同过混凝土裂
缝修补注浆材料重新粘结混凝土，恢复其整体性，重
新建立力的传导。而试验表明，对裂缝的修补不但
延缓和阻止混凝土劣化的进一步发展，同时延长了
混凝土结构物的使用寿命和使用安全性。
1 粘结界面的几种粘结理论
关于粘结理论目前尚未成熟和统一，各自均是
从某一角度去探讨和解释粘结机理。
1．1 机械结合理论
被粘物表面粗糙不平时，可与粘结材料互相嵌
固、咬合，增加了摩擦力和实际接触面积，从而大大
增加了粘附力，在所研究的被粘物即旧混凝土表面
粗糙多孔时，可使胶凝材料渗入细孔和裂缝中，由于
楔键的作用，凝结硬化后的界面粘结材料保留在细
【收稿日期]2013—04—18
[作者简介】冯英杰(1978一)，女，内蒙古赤峰人，硕士，讲师，研究方向：建筑材料与桥梁工程。
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第1期冯英杰，等：压力注浆法修补混凝土裂缝的力学分析 243
孔内，因而使胶结强度提高。但是，过于粗糙的表
面，又会使粘结强度下降。这是因为牯结剂在被粘
材料的表面受到影响，凹处容易残留气泡，表面尖峰
能切断胶层，出现“缺胶”现象。因此，粘结界面处
的浆体浸润不均匀，使得界面粘结处出现空隙，影响
粘结强度。
1．2 吸附理论
这种理论认为粘结的过程分两步进行。第一阶
段是粘结剂的大部分分子通过布朗运动迁移到被粘
物的表面，粘结剂的极性基团逐渐向被粘物的极性
基团靠近。第二阶段是吸附作用，当粘结与被粘物
之间的距离小于5埃(1埃=10 。m)时，分子间的
引力发生作用。吸附力包括：氢键、色散力、偶极
力、诱导偶极力。
1．3 静电理论
静电理论把粘结剂与被粘结物看作是一个电容
器。在这种情况下，电容器所储存的能量与粘附功
相等。当粘结剂与被粘结物剥离时，二极板之间产
生了电势，到一定程度便产生放电现象。在快速剥
离时，电荷没有足够时间放电，要在较长的距离内克
服正、负电荷的引力．，这就是快速剥离时粘结力较大
的原因。
1．4 扩散理论
扩散理论是建立在线性高分子热运动的基础上
的。由于粘结剂与被粘结物表面互相扩散，即发生
界面互溶，导致界面消失，形成牢固的接头，此接头
的强度大大超过粘结剂和被粘物的强度。
1．5 化学键机理
化学键理论认为，粘结剂与被粘结物的表面是
通过化学反应形成化学键而产生粘结强度的。化学
键分为离子键、共价键与金属键，它们的键能分别为
586～1 047 kJ／克分子与113～348 kJ／克分子，比范
德华力能量要大得多，因而如果粘结剂与被粘结物
表面若能形成化学键，就利于粘结强度的提高。
总之，粘结是机械力、吸附力、化学键的作用以
及相互扩散的综合作用的结果，各种力的贡献目前
尚不能用试验来加以鉴别。因此在处理界面粘结
时，需要进行综合考虑。既要考虑机械力、吸附力，
亦要考虑到化学键的作用，有时还要考虑相互扩散
作用的影响。只有各种有利因素都发挥了作用，才
能获得理想的粘结强度。
混凝土裂缝修补的整体效果主要通过注浆材料
与混凝土的良好粘结以形成牢固的粘结界面及注浆
材料本身的性能来实现。
2 裂缝修补后的混凝土试件粘结抗剪强度
试验
2．1 混凝土试验配合比(见表1)
表1 剪切强度试验配合比
Table 1 the concrete design of shear strength
注：碎石最大粒径31．5 mm。
2．2 粘结剪切试件的制备
制作100 film×100 mill×100 mm 的立方体试
件，待立方体试件3 d龄期后，将粘接面打磨粗糙，
然后用注浆材料按1．0 him宽度，将3 m 试件粘合
成如图1所示的模拟裂缝修补后的混凝土剪切强度
试件。
待试件标养28 d后用双剪法进行剪切强度试
验，如图2所示。
L卜_—P
l_ _．J—
图1 粘结抗剪试验试件尺寸示意图(单位：mm)
Figure 1 the diagrammatic size of bonding speeimen for shear
test(unit：mm)
⋯ ff
图2 抗剪试验示意图
Figure 2 the diagrammatic size of shear test
2．3 试验现象及结果
从试件的破坏状态看，主要是混凝土与注浆材
料表面的粘结界面发生破坏，表现为撕裂破坏(见
图3)。
试件抗剪强度按下式计算：
： 2一bh ( 1)J
式中：为混凝土抗剪强度，MPa；N为最大破坏荷
载，N；b为试件平均宽度，mm；h为试件平均高