聚丙烯纤维砂浆在船闸闸室墙裂缝修补中的应用

宋端想

(江苏省皂河船闸管理所，宿迁 223801)

目前，在我国京杭运河苏北段中，共有十座建成于19世纪80年代的船闸，由于设计尺度和水深优良，一直以来都是船舶通行的重要通道，在苏北运河这条“黄金水道”上发挥着举足轻重的作用。但由于使用年代久远，加之地基沉降、闸室墙变形以及建造时对混凝土施工质量控制不严格等因素，导致闸室墙出现裂缝。特别是近十年以来，随着苏北运河二级航道全面建成，船舶大型化发展迅猛，船舶碰撞闸室墙的事故时有发生，其产生的冲击力进一步加深了闸室墙裂缝的发展。江苏省宿迁市皂河二号船闸建成于1988年，闸室墙高13 m，单节长20 m，其中，多块闸室墙出现沉降缝，局部破损、缺边角、钢筋裸露，有两节闸室墙甚至出现横向裂缝，经查已渗水，基本形成贯通缝，严重威胁着船闸的结构安全。

1 闸室墙混凝土结构表面受损特点及危害

船闸闸室墙作为一种混凝土水工结构，因其结构复杂、体积较大及所处环境特殊等，主要具有如下特点：(1)易产生大体积混凝土结构常见的裂缝问题；(2)混凝土闸室墙频繁遭遇船舶冲撞，除造成表面受损露石外，还易产生混凝土内部折断；(3)闸室涨消水及船舶动车搅动的高速水流冲刷、水流夹砂冲磨作用下，极易造成闸室墙破损及缝隙表面光滑，进而导致修补材料黏结性能降低；(4)因船闸涨消水交替进行，导致一定高度范围内的闸室墙长期处于水位变动状态,同时受干湿变化、季节交替影响，加速了混凝土的碳化、冻融及钢筋锈蚀等作用。闸室墙出现破损不但会影响其外观质量,而且随着破损的发展，一旦裂缝发生渗水，会加速闸室墙内部钢筋的锈蚀，影响结构安全，降低其使用寿命。

2 裂缝修补技术要点

对于已经出现裂缝的闸室墙，应及时采取修补措施。具体技术要求如下：(1)封闭性。根据裂缝分布规律，裂缝一般处于闸室墙下半段水位变动区的低水位区，闸室涨水后，裂缝承受较大水头压力，闸室消水后，裂缝又承受墙后土压力。此处的闸室墙裂缝受力变化剧烈，加剧了裂缝内部混凝土毛细孔的收缩，水分子更加容易侵蚀到钢筋，故必须做到修补后完全封闭缝隙，杜绝渗水，修补材料须具有抗裂、抗渗、抗冻性能。(2)补强性。闸室墙混凝土承受船舶擦碰，即船舶在闸室内易以小角度撞击闸室墙，其中，大型船舶的冲击力对闸室墙的破坏极大，故要求裂缝修补后具有足够强度，其抗压强度、抗磨性不应低于原闸室墙C25混凝土的性能。(3)可通航性。皂河二号船闸是大型船舶的主要通道，受通航压力影响，无法做到长时间停航维修。一旦连续长时间停航维修，势必造成重大社会影响，故要求裂缝维修的方法和选材必须具有施工迅速、自然养护、结构早强等特点。(4)美观性。皂河二号船闸全长230 m，闸室墙分为12节，其裂缝分布不均，且长短不一、宽窄不同，为保证其美观性，要求修补后不能在闸室墙上出现条条极不规整的修补痕迹，即裂缝修补材料与原闸室墙不能出现明显色差。

3 常见补缝措施及其不足之处

根据实践经验，闸室墙裂缝修补最常见的方法有灌浆法、封堵法和塞填法。但这些常规方法与上文提到的技术要求相比，具有明显的不足：(1)灌浆法具有施工周期短、无需专门养护、对通航影响小等特点，往往被养护单位视作首选方案。灌浆法一般采用素水泥浆或改性环氧树脂类胶液灌注裂缝进行修补，但对于较深的裂缝，缝隙内部无法清理水渍和泥沙，打孔引流灌浆后，新老材料结合强度不足，尤其素水泥浆具有显著的干缩性，易开裂，达不到封闭效果。(2)封堵法常用于长度不大，深度较浅的裂缝。首先，需要对裂缝两侧混凝土进行凿除，剔除松散物，保证结合面无明水、浮尘及油污，然后采用高强砂浆封堵。此种方法施工工艺简单，强度也能保证，但高强砂浆抗裂性能差，达不到封闭、阻水的效果，且砂浆结合面黏结不牢，容易空鼓。(3)塞填法主要用于裂度较深的裂缝，其开凿面深且宽，采用细石混凝土塞填，需要配合模板使用，对养护要求较高，否则容易出现开裂，对通航影响较大，一般不予采用。

4 聚丙烯纤维砂浆的特性及作用

4.1 增强砂浆韧性，提高裂缝修补面抗裂强度

修复闸室墙裂缝时，应充分考虑普通砂浆易干缩的特性，要求修补后能够抵抗水流和泥沙的冲刷以及船舶的冲撞。普通砂浆在新老界面的干缩变形不一致,容易在维修面产生新的裂缝,达不到阻水抗渗的要求,因此，需要增加修补材料的韧性。聚丙烯纤维掺入砂浆，可显著增强砂浆的韧性，从而减少修补砂浆的开裂，这主要得益于聚丙烯纤维砂浆的抗裂机理[1]：(1)纤维在砂浆中乱向分布，形成三维支撑,使砂浆的匀质性提高，在修补砂浆施工完成后，可防止早期塑性开裂；(2)通过拌和，聚丙烯纤维在砂浆内部均布，填补了骨料和胶凝材料间的固有微气泡,可阻止微裂缝的形成；(3)聚丙烯纤维可改善砂浆泌水，拌和时添加减水剂，可在硬化过程中减少水分蒸发,减小体积收缩变形；(4)聚丙烯纤维可降低砂浆早期弹性模量，从而降低砂浆内部拉应力,增强砂浆的变形能力,提高其拉伸应变，增加砂浆韧性。

判断水泥材料韧性指标的原理较简单，即：材料的脆性愈大，其抗压强度愈大，而抗折强度却随之减小，故可以利用水泥砂浆的“折压比”表征水泥材料的韧性指标。折压比越大，材料的脆性越小，韧性越大。砂浆试件的断裂韧性随着聚丙烯纤维掺量的增大而明显提高[2]，相关实验表明：在砂浆中掺入同一规格的聚丙烯纤维，按照掺入量0.00%、0.01%、0.02%、0.04%、0.06%分别制作出5种砂浆试件，每组6块，标养28天。采用同一试验台对其抗折强度和抗压强度进行等条件试验，计算其折压比，并以掺入量为0.00%的砂浆实验组为对照组，对比百分率设为100%，结果如表1所示。

表1 聚丙烯纤维不同掺量水泥砂浆试件的折压比及其对比百分率 (%)

由表1可知，砂浆试件的断裂韧性随着聚丙烯纤维掺量的增加而显著提高。原因在于聚丙烯纤维被掺入水泥砂浆后，在砂浆内均匀分布，一定程度上降低了砂浆的脆性，使砂浆试件发生断裂的临界变形量增大，从而提高了砂浆的韧性指标。

4.2 增强砂浆耐磨性，提高裂缝修补面抗船舶冲击能力

船闸闸室墙裂缝修补面通常处于特殊位置，更容易受到船舶的擦碰，当大吨位船舶以小角度撞击闸室墙，碰擦到裂缝修补面时，会形成极大的摩擦力和冲击力。实践证明，皂河二号船闸闸室墙裂缝修补采用的聚丙烯纤维砂浆能够显著提高裂缝修补面的耐磨性及抗冲击性[3]：(1)聚丙烯纤维均布显著细化了砂浆的原生裂缝，提高了砂浆硬化后的介质连续性，增强了砂浆的整体性，使其受到冲击时，可以分散钝化裂隙尖端的应力集中，增大受力面积，减小压强的破坏作用。(2)聚丙烯纤维阻挡、消耗冲击能量，从而约束、阻止裂缝扩展。当冲击发生时，普通砂浆受力收缩,可能在内部产生微裂纹，而聚丙烯纤维在砂浆中形成了三维网络,许多条不同方向纤维的拔出，阻挡、消耗了破坏能量，进而阻止了微裂纹的产生和扩展。综上可知，聚丙烯纤维的加入，增强了砂浆的耐磨性和抗冲击性。

4.3 增强砂浆耐候性，提高修补砂浆抗冻融性能

皂河船闸地处黄淮平原东部，冬季气温可达零下14 ℃，船闸闸室墙裂缝处于干湿交替的环境中，修补时不得不考虑材料的抗冻融性。砂浆的抗冻融性能主要由其强度、含气量、气泡性质等因素决定，在砂浆强度适配固定后，提高修补砂浆抗冻融性能的关键便在于降低由收缩应力引起的微裂缝和毛细孔的数量。掺入聚丙烯纤维提高砂浆抗冻融性能的机理为[4]：(1)聚丙烯纤维均匀分布形成密集的三维网络结构,可以承受由砂浆收缩产生的内应力,从而降低内部微裂纹的发展；(2)纤维与水泥具有良好的黏结力，使得细骨料与胶凝材料之间的黏结力增大，形成微骨架,产生二级加强效果；(3)纤维在砂浆内部起到一定的应力传递作用,可减少收缩应力的集中现象；(4)纤维可以填补和堵塞砂浆内部的毛细孔，减少水分迁移,从而降低失水的毛细管张力,增加砂浆抵抗收缩变形及开裂的能力；(5)纤维弹性模量的降低,对释放膨胀起到一定程度的正面作用,减小了膨胀引起的体积增量,降低后续循环的水分吸入,从整体上增强了砂浆对环境的应变能力,从而提高了砂浆的抗冻融性能。

4.4 增强砂浆抗拉性，提升裂缝修复面美观度

采用常规修复方法修补闸室墙裂缝，需要在修复表面粘贴一层玻璃纤维或碳纤维织物等纤维复合材料，然后涂刷一层沥青,将修补的缝面覆盖。此方法虽然达到了较好的修补效果，但涂刷的沥青与混凝土闸室墙面形成明显色差，且其走向、长短、宽窄无规律可循，非常影响美观，容易对过闸船员造成不良的心理暗示。采用聚丙烯纤维砂浆修补闸室墙裂缝，可以在一定程度上提升砂浆的抗拉性能,提高砂浆的抗裂、抗渗、抗冻性能，同时可省掉表面的沥青涂刷和覆盖，满足修补质量及美观要求。

5 聚丙烯纤维砂浆修补闸室墙裂缝的实践

聚丙烯纤维砂浆较普通砂浆具有显著的性能优势，且不需要特殊的拌和工艺，被越来越多地应用于砌筑、抹灰、修复等工程实践上。关于其在不同使用环境下的配合比设计，已有学者进行了大量的研究，积累了丰富的成果[5]，但在干湿交替环境下的船闸闸室墙裂缝修复工程中，尚无标准的配合比可以使用。

苏北运河呈南北走向，全长404 km，地跨黄淮、江淮平原，跨越中国南北气候分界线淮河，气候变化显著。其最北端在徐州市，地处华北平原东南部，属于温带季风气候；最南端在扬州市，地处江淮平原南部，属于亚热带季风气候，故沿线船闸闸室墙裂缝修补所用聚丙烯纤维砂浆配合比也需因地制宜。

本文以江苏省宿迁市皂河二号船闸闸室墙裂缝修补工程为例，结合苏北运河途径的徐州、宿迁、淮安、扬州四市所属的不同气候条件，分别采用0.0 kg/m3、0.3 kg/m3、0.6 kg/m3、0.9 kg/m3、1.2 kg/m3等5种不同的聚丙烯纤维掺量，对不同掺量下砂浆性能进行验证，主要验证设计抗压强度、抗折强度等性能指标，验证结果如图1～2所示。根据验证结果，最终确认从徐州、宿迁到淮安、扬州等不同气候区，均可采用聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3的砂浆配合比，可达理想效果。其中，验证试验所用的原材料有：江苏中联牌P.042.5普通硅酸盐水泥；江苏骆马湖产湖砂，细度模数为2.8；南京水利科学院所产FDN减水剂；南京派尔尼牌PF-1型聚丙烯纤维，其技术参数如表2所示。

图1 聚丙烯纤维5种不同掺量配合比28日砂浆抗压强度

图2 聚丙烯纤维5种不同掺量配合比28日砂浆抗折强度

表2 派尔尼PF-1聚丙烯纤维技术参数

聚丙烯纤维掺量取为0.9 kg/m3的验证砂浆配合比如下[6]：

(1) 高强砂浆:水泥∶砂∶水∶减水剂=1∶1.5∶0.26∶0.007；

(2) 聚丙烯纤维砂浆：水泥∶砂∶水∶减水剂=1∶1.5∶0.26∶0.001 1，聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3。

试块成型后送标养室进行标准养护，然后对比3 d、7 d、28 d、45 d、60 d等试块的抗压、抗折及抗拉强度，结果如表3～5所示。

表3 抗压强度对比

表4 抗折强度对比

表5 抗拉强度对比

由表3～5可知，掺加聚丙烯纤维的砂浆与普通高强砂浆在早期的抗压、抗折性能上没有明显差异，且抗压强度随着龄期有一定的衰减，但量值很小，可忽略不计。表征水泥材料韧性的指标(水泥压折比)显示聚丙烯纤维可以明显改善砂浆的韧性，同时显著提升砂浆抵抗变形与冲击的能力。

6 结语

聚丙烯纤维砂浆较普通砂浆具有显著的性能优势，且不需要特殊的拌和工艺，将其用在闸室墙裂缝修补工程中，可显著改善修补砂浆的开裂、渗水问题，同时提高其抗冲击性能，在船闸等通航建筑物的养护工程中具有广阔的应用前景。