朱张峰，管秀发，张 成

(1.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211816； 2.南京东固土木工程技术有限公司，江苏 南京 210022)

0 引言

混凝土质量稳定性与可靠性由原材料质量及合理的配合比共同决定[1]，混凝土质量直接决定工程结构安全性与耐久性。混凝土表面爆裂往往是由制备过程中不慎混入生石灰或钢筋锈蚀引起的[2-3]，为常见的质量问题。

随着经济的快速发展，我国工程建设体量呈跨越式增长，建筑材料存在短缺现象，从而导致混凝土原材料质量难以保证，如采用工业废料生产的混凝土，其内部往往含有未经处理或处理不到位的钢渣粉末，钢渣粉末中的游离氧化钙、游离氧化镁遇水会发生化学反应，导致混凝土爆裂[4]。近年来，由未经处理或处理不到位的钢筋粉末引起的混凝土爆裂质量问题频频出现[5-6]，且该问题往往出现在结构竣工后，如果处理不当，存在一定安全隐患，须引起重视。

对于混凝土抗裂及裂缝修复，受不同原因影响，在不同环境条件下可采用相应的工艺方法[7-9]。本文以某高层住宅楼为依托，针对钢渣掺入混凝土引起的爆裂问题，提出喷涂聚合物改性水泥砂浆和粘贴碳纤维布修复方案，并基于有限元分析手段，对2种方案下的修复效果进行对比分析，提出修复建议。

1 工程概况

某高层住宅楼为剪力墙结构，地上32层，地下1层，建筑高度98m，建筑面积约3万m2，结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，结构抗震设防烈度为6度，剪力墙抗震等级为三级。

剪力墙厚200mm，其中地下1～地上6层、地上7～10层、地上11～15层、地上16～32层剪力墙混凝土强度等级分别为C45，C40，C35，C30。楼板厚度基本为120mm，地下1～地上5层、地上6～32层楼板混凝土强度等级分别为C35，C30。构件主要受力钢筋均采用HRB400钢筋。

2 质量问题

本工程主体结构竣工时未出现明显质量问题，但在装修过程中，发现大量已粉刷完成的墙侧及板底出现零散的混凝土局部点状爆裂现象，如图1所示。

图1 墙侧及板底质量问题

委托第三方检测单位进行强度检测和爆裂部位混凝土块体结构及化学成分检测，认为混凝土强度满足设计要求，块体呈多孔结构，表面颜色偏褐色，所含化学元素包括钙、铝、镁、氧等，同时块体具有明显的膨胀特性，基于此推断混凝土出现点状爆裂的原因是混凝土骨料中掺入了未经处理或处理不到位的钢渣粉末。

3 修复方案

现场剥除部分爆裂点混凝土，发现混凝土爆裂主要发生在墙面或板底保护层深度范围内。基于检测结果认定的混凝土强度满足设计要求的前提，由于缺少钢筋约束，导致混凝土受钢渣粉末影响产生膨胀应力，且膨胀应力超过混凝土抗拉强度，使混凝土开裂、剥落。

因此，在尽量全数处理构件表面爆裂点的基础上，采用喷涂聚合物改性水泥砂浆和粘贴碳纤维布的修复方案，以加强原构件混凝土保护层抗裂能力，避免混凝土点状爆裂问题再次发生。

3.1 喷涂聚合物改性水泥砂浆

该修复方案采用的聚合物改性水泥砂浆需满足GB 50728—2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》中的Ⅰ级标准要求，28d抗压强度≥55MPa。墙面喷涂厚度为20mm，分2层喷涂，并在喷涂层中部设置钢丝网。板底喷涂厚度为10mm，分2层喷涂，并在喷涂层中下部(距表面3mm)设置钢丝网。

具体工艺流程为：装饰层铲除→表面湿润→爆裂点凿除→混凝土基层凿毛→表面冲洗→爆裂点修补→满挂镀锌钢丝网(由φ1mm钢丝制成，孔距为15mm)→分层喷涂聚合物改性水泥砂浆→收光、养护→装饰层恢复。

爆裂点凿除主要针对已出现爆裂的混凝土及经探测含有钢渣但未爆裂的混凝土，注意将钢渣清理干净，同时，注意保护周边钢筋。混凝土基层凿毛深度≥6mm。爆裂点修补时采用聚合物改性水泥砂浆进行填充。满挂镀锌钢丝网后，采用专业炮钉枪进行固定，纵、横向固定间距为100cm。分层喷涂聚合物改性水泥砂浆时应注意控制第1层喷涂厚度，且使喷涂面为毛面，以加强其与第2层喷涂砂浆的黏结性能，喷涂完成8h后，设专人进行养护，养护时间≥14d。

3.2 粘贴碳纤维布

该修复方案采用的碳纤维布需满足《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》中的单向织物高强Ⅰ级标准，抗拉强度标准值≥3 400MPa。墙、板均粘贴1层碳纤维布，采用人工粘贴方式，单位面积质量控制为300g/m2。

具体工艺流程为：装饰层铲除→表面湿润→爆裂点凿除→混凝土基层打磨→表面冲洗→爆裂点修补→粘贴面修补找平→底胶涂抹→碳纤维布粘贴→固化→检验→抗裂砂浆喷涂→装饰层恢复。

混凝土基层打磨应注意清理干净，转角处应进行半径≥20mm的圆弧倒角处理。爆裂点修补时同样采用聚合物改性水泥砂浆进行填充。粘贴面修补找平时，混凝土表面蜂窝、麻面、凹凸部位利用修补结构胶填平。碳纤维布粘贴时应严格遵照相关操作要求进行，确保粘贴质量。

4 修复效果分析

考虑到目前有限元分析方法无法模拟混凝土点状爆裂微观机理，基于检测结果认定的混凝土强度满足设计要求的前提，计算时不考虑已发生混凝土点状爆裂构件对材料性能的影响，将喷涂聚合物改性水泥砂浆或粘贴碳纤维布对构件承载力的提高作为安全储备，以减小进一步发生的混凝土内部爆裂对构件力学性能的影响。

采用有限元分析软件ABAQUS进行计算，兼顾模型建立效率和准确度要求，选取1片剪力墙和1块楼板进行建模，对比修复后的构件力学性能，分析修复效果。

4.1 剪力墙

1)喷涂聚合物改性水泥砂浆修复模型建立

混凝土与聚合物改性水泥砂浆采用实体单元C3D8R模拟，钢筋采用桁架单元T3D2模拟。使用Tie功能将混凝土墙体与聚合物改性水泥砂浆修复面层绑定，使用Embedded Element功能将钢筋和钢丝网分别嵌入墙体混凝土和修复面层聚合物改性水泥砂浆中，不考虑材料间的相对滑移。

混凝土和聚合物改性水泥砂浆均采用ABAQUS软件内置的混凝土塑性损伤模型模拟，本构模型按相关规范标准值或实测值确定，输入参数取值如表1所示。钢筋采用理想弹塑性模型，屈服强度与弹性模量按相关规范标准值确定，分别取为400，2.00×105MPa，总伸长率按7.5%计。钢丝采用理想弹塑性模型模拟，屈服强度与弹性模量按相关规范标准值确定，分别取为510，2.05×105MPa，总伸长率按3.5%计。

表1 剪力墙混凝土和聚合物改性水泥砂浆材料参数

2)粘贴碳纤维布修复模型建立

考虑单面粘贴单层碳纤维布修复方案，混凝土采用实体单元C3D8R模拟，钢筋采用桁架单元T3D2模拟，碳纤维布采用三维膜单元M3D4R模拟。使用Tie功能将混凝土墙体与碳纤维布绑定，使用Embedded Element功能将钢筋嵌入墙体混凝土中，不考虑材料间的相对滑移。

混凝土、钢筋本构模型参数与喷涂聚合物改性水泥砂浆相同，碳纤维布按弹性材料本构模型确定，抗拉强度按相关检测结果确定，取4 300MPa，弹性模量取2.6×105MPa，泊松比取0.3，伸长率取1.9%。

3)模型边界条件与加载

剪力墙模型底部固定，上部自由。首先在剪力墙顶施加竖向荷载，轴压比为0.5；然后施加单调水平荷载，按位移控制加载，为获取模型在弹塑性阶段的受力全过程，极限位移取100mm，位移角约为1/30。

4)结果分析

计算得到剪力墙混凝土塑性应变云图如图2所示，钢筋/钢丝应力云图如图3所示，荷载-位移曲线如图4所示。

图2 剪力墙混凝土塑性应变云图

图3 剪力墙钢筋应力云图(单位：MPa)

图4 剪力墙荷载-位移曲线

由图2～4可知，喷涂聚合物改性水泥砂浆修复方案对剪力墙弹塑性受力性能的改善更明显，使剪力墙塑性变形峰值减小，承载力提高。分析认为，聚合物改性水泥砂浆使剪力墙产生了明显的蒙皮效应，有效改善了剪力墙钢筋与混凝土的受力；而碳纤维布由于具有单向受力特性，对剪力墙(弯剪构件)性能的提升效果相对有限。

4.2 楼板

1)喷涂聚合物改性水泥砂浆修复模型建立

除混凝土材料本构模型按C30强度等级重新确定外，其余材料本构模型与剪力墙构件相同，相关参数取值如表2所示。

表2 楼板混凝土和聚合物改性水泥砂浆材料参数

2)粘贴碳纤维布修复模型建立

板底粘贴1层碳纤维布，除混凝土材料本构模型按C30强度等级重新确定外，其余材料本构模型与剪力墙构件相同。

3)模型边界条件与加载

楼板模型四边固定，并在板面施加均布位移荷载，为获取模型在弹塑性阶段的受力全过程，极限位移取40mm，约为宽度的1/100。

4)结果分析

楼板变形云图如图5所示。由图5可知，喷涂聚合物改性水泥砂浆修复模型峰值位移约为0.88mm，粘贴碳纤维布修复模型峰值位移约为4.36mm，可见喷涂聚合物改性水泥砂浆修复方案对楼板构件刚度的提升作用明显。

图5 楼板变形云图(单位：mm)

5 实际修复

根据有限元计算结果，认为喷涂聚合物改性水泥砂浆可使构件获得更优的综合力学性能。因此，采用喷涂聚合物改性水泥砂浆修复方案，关键修复过程如图6所示。后期使用过程中混凝土未再次出现爆裂现象，且表面未产生新裂缝，说明修复方案合理、可靠。

图6 关键修复过程

6 结语

针对某实际工程由于钢渣掺入导致的混凝土点状爆裂问题，本文提出了喷涂聚合物改性水泥砂浆和粘贴碳纤维布修复方案。采用有限元分析软件ABAQUS对修复后的剪力墙、楼板构件进行计算分析。计算结果表明，喷涂聚合物改性水泥砂浆可使构件获得更优的综合力学性能。同时，考虑到粘贴碳纤维布所用胶体存在耐久性缺陷，本文推荐采用喷涂聚合物改性水泥砂浆修复方案，工程实践表明，该方案具有较好的修复效果。

另外，对于近年来常见的混凝土点状爆裂问题，当仅对混凝土表面爆裂点进行凿除填补修复处理时，无法抵抗后期可能出现的混凝土内部爆裂产生的不利效应，因此，建议在凿除填补爆裂点的基础上，增加喷涂聚合物改性水泥砂浆修复方案，可确保构件安全，且可形成防水密封层，避免混凝土内部爆裂的发生。