范成文 ，白 銀，李 平

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室，江蘇 南京 210029)

隨著國家“南水北調(diào)”西線工程規(guī)劃以及“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，處于高水壓地區(qū)的水工建筑物規(guī)模日益增大，此類建筑通常采用混凝土材料修筑而成[1]。對于處在高水壓環(huán)境中的建筑，若存在混凝土裂縫，則會發(fā)生滲漏，造成結(jié)構(gòu)局部承載力和穩(wěn)定性下降[2-3]。裂縫得不到及時有效處理時，甚至?xí)菇ㄖl(fā)生整體性破壞，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命和財產(chǎn)安全[4]。當(dāng)下主流的滲漏封堵方法是對裂縫進(jìn)行灌漿[5-7]。早期工程上采用普通硅酸鹽水泥(P·O)作為灌漿材料，但其硬化時體積易收縮，會削弱封堵效果[8]。為此，相關(guān)學(xué)者著手研究快硬硫鋁酸鹽水泥（R·SAC），試驗及工程實踐均表明，R·SAC比P·O的封堵效果更好[9-11]。為了進(jìn)一步提高封堵材料的性能，人們在R·SAC中添加VAE等聚合物[12-13]。VAE是一種通過噴霧干燥的特殊水性乳液，與水泥在水中混合后，顆粒之間形成搭接結(jié)構(gòu)，粘結(jié)強(qiáng)度突出，可提高水泥基材料柔韌性，顯著改善水泥基材料的黏附、抗折、防水和抗裂等多種性能[14]。

在研究封堵材料性能時，很多學(xué)者都注重測試長齡期性能，然而對于混凝土滲漏封堵材料來說，其早期就可形成硬化體，僅僅研究長齡期性能顯得不夠充分?；炷翝B漏封堵屬于應(yīng)急搶險類工作，作業(yè)時間非常有限，在封堵材料泵送至封堵位置過程中，其硬化過早或過遲都將對施工產(chǎn)生不良影響，即使是流變階段后期也會出現(xiàn)迅速硬化的現(xiàn)象，因此有必要對封堵材料的早期性能作全面分析。本文測試了VAE對R·SAC流變性能的影響，同時測試其早期的抗折、抗壓和粘結(jié)性能，并通過SEM分析揭示VAE對R·SAC的改性機(jī)理。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗采用德國瓦克牌8034H型可再分散乳膠粉，其聚合物為乙烯/月桂酸乙烯酯/氯乙烯，固含量為(99±1)%，灰分為（13±2）%，表觀密度為（450±50）g/L，主要顆粒尺寸為 0.3～9.0 μm，最低成膜溫度為 0 ℃。水泥為快硬型硫鋁酸鹽水泥（R.SAC 42.5），其化學(xué)成分及相應(yīng)質(zhì)量占比情況為：CaO（42.25%），Al2O3（28.93%），SiO2（10.96%），SO3（8.88%），F(xiàn)e2O3（3.71%），MgO（1.45%）以及燒失量 3.82%。

1.2 試驗方法

在室溫20 °C條件下制樣并測試，配合比情況為：固定水灰比0.4，8034H型可再分散乳膠粉摻量分別為硫鋁酸鹽水泥質(zhì)量的0，1%，2%，3%，4%和5%。

流變學(xué)試驗：以黏度為測試的主要指標(biāo)，使用美國博勒飛RST-SST流變儀。配合成的封堵材料攪拌均勻后倒入塑料杯中（容量1 000 mL，直徑110 mm，高144 mm，為了脫模方便在內(nèi)壁刷少許油），并固定在流變儀測試臺上。采用恒定旋轉(zhuǎn)測試模式，控制剪切速率（CSR），為減少轉(zhuǎn)子對材料凝結(jié)硬化速率的影響，設(shè)置低頻率轉(zhuǎn)速為1 r/min。

力學(xué)試驗：以抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度為主要測試指標(biāo)，使用TYE-300D型水泥膠砂抗折抗壓試驗機(jī)與YF-900型電腦拉力試驗機(jī)?？拐劭箟涸囼灂r將凈漿試樣放在儀器夾具中間，試樣的成型面要與受壓面垂直。開動壓力機(jī)，使試樣在指定載荷速率范圍內(nèi)加載直至破壞。而在黏結(jié)強(qiáng)度試驗中，基準(zhǔn)試塊是在“8”字模中成型的半個“8”字普通硅酸鹽水泥砂漿試塊，齡期均為28 d以上。將粘結(jié)部位用鋼絲刷打毛，并取出新拌合的封堵材料澆筑另外半個“8”字模，形成完整試樣。成型好的試樣養(yǎng)護(hù)至一定齡期后取出放置在拉力試驗機(jī)中測試，拉斷試樣后用游標(biāo)卡尺量出破壞面尺寸，結(jié)合拉力值計算出粘結(jié)強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變學(xué)試驗

水泥漿液是一種固、液混合物，從加入水開始，水泥即發(fā)生水化反應(yīng)。隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，凈漿發(fā)生著黏、彈、塑性的演變，也就是逐漸失去流動性從而硬化形成強(qiáng)度的過程。水泥漿液的流變特性對水泥的微觀結(jié)果、理化性質(zhì)有著重要的影響，宏觀上說流變性能可直接決定此類材料在泵送過程中的性能。流變學(xué)試驗結(jié)果如圖1所示。采用以下通用方程對圖1中曲線進(jìn)行擬合：

式中：η為黏度（Pa·s）；t為時間（min），其中 t=0 表示加水時刻；η0為初始黏度（Pa·s）；A 為與黏度增長速度呈正相關(guān)的參數(shù)；B為與黏度突變時刻及速度有關(guān)參數(shù)。參數(shù)取值見表1。

由圖1可以看出，隨著時間的增長，各摻量的改性R·SAC黏度在遇水約40 min內(nèi)均無明顯變化，稱此時的黏度為初始黏度。這是由于水泥漿液作為一種多分散尺度的多相懸浮體系，水泥顆粒懸浮分散在液相中，水化作用下水泥漿液是具有反應(yīng)活性的懸浮分散體系，故在初始階段為黏塑性流體。通過ExpGro1模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出黏度η與時間t的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均在0.93以上，說明擬合程度較高。結(jié)合圖1和表1可發(fā)現(xiàn)，A值越大黏度增長越快；B值越大黏度突變速度越慢，B值越小，黏度突變時刻越早、速度越快。

比較不同摻量下初始黏度值可看出：隨著8034H型VAE摻量的提高，改性R·SAC的初始黏度先逐漸增加，并在4%摻量達(dá)到極值444 Pa·s，隨后降低。這說明8034H型VAE加入R·SAC中后，凈漿的黏性有所增加。隨后當(dāng)達(dá)到某個臨界點時黏度值呈指數(shù)型上升，并迅速達(dá)到流變儀測量扭矩上限。由圖1還可大致看出，隨著摻量提高黏度增長曲線更加陡峭，而黏度曲線越陡峭在封堵過程則意味著材料失去流動性越快，越不容易被高水壓沖走。為進(jìn)一步分析黏度急劇增長階段各摻量下改性R·SAC的差異，可分析通用表達(dá)式η=Aet/B+η0中B值。由表1發(fā)現(xiàn)，隨著摻量增加，B值逐漸上升，4%時達(dá)到極值，這說明摻量在4%時改性R·SAC的黏度突變速度最快。

圖 1 8034H型VAE改性R·SAC黏度-時間曲線Fig. 1 Viscosity-time curve of 8034H VAE modified R·SAC

不同摻量下改性 R·SAC黏度由1 000 Pa·s上升至8 000 Pa·s時間差異較大，其中未添加 VAE的R·SAC需要351 s，而加入4%摻量的8034H型VAE后所需時間僅為106 s，改性水泥黏度在1 000 Pa·s至8 000 Pa·s階段增長速度提高了231%。因此在封堵材料泵送至混凝土滲漏缺陷位置后，從流變學(xué)角度可認(rèn)為加入4%的8034H型VAE可大幅提高R·SAC在灌漿處的變黏速度。

2.2 力學(xué)試驗

隨著R·SAC水化的進(jìn)行，漿體逐漸喪失流動性、緩慢凝結(jié)演變?yōu)榫哂幸欢椥缘能浌腆w直至固體。對于水泥凈漿和混凝土來說，強(qiáng)度是基本性能指標(biāo)。在混凝土修補(bǔ)中，修補(bǔ)材料的各項性能應(yīng)與老混凝土相匹配，物理性能相接近。而凈漿與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度對于修補(bǔ)耐久性也非常重要，因為修補(bǔ)材料和老混凝土基面之間膠結(jié)良好是成功修補(bǔ)的關(guān)鍵。通過抗折抗壓試驗研究VAE對R·SAC凈漿抗折抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖 2 改性R·SAC抗折及抗壓強(qiáng)度Fig. 2 Flexural strength and compressive strength of modified R·SAC

整體來看，8034H型VAE對R·SAC的抗折強(qiáng)度略有提高，1 h和1 d齡期下均為3%～4%摻量時效果最好，較基準(zhǔn)水泥相比抗折強(qiáng)度提高了約15%～21%，繼續(xù)提高摻量，則抗折強(qiáng)度下降；8034H型VAE的加入，明顯降低了各齡期的抗壓強(qiáng)度，且摻量越大，抗壓強(qiáng)度越低。

采用折壓比表征混凝土的柔韌性，其值越大，則材料的柔韌性越好，抗開裂能力越高。表2為根據(jù)本次抗折抗壓試驗的結(jié)果而得的各類試件折壓比。表2中，1 h和1 d的改性R·SAC折壓比均為先上升再下降，且在4%～5%時折壓比最大，達(dá)到0.400和0.304。這說明加入8034H型VAE后，R·SAC的柔韌性得到了提高，因此可有效抵抗混凝土再次發(fā)生開裂。

根據(jù)界面的相關(guān)理論可知，材料的結(jié)合在界面處最為薄弱，大多數(shù)破壞都發(fā)生在界面或者從界面開始。為此，本文研究新拌改性R·SAC與老舊混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以明顯看出，加入8034H型VAE后，R·SAC的粘結(jié)強(qiáng)度得到了顯著提高：在4%摻量下粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到了1.04 MPa，而基準(zhǔn)組粘結(jié)強(qiáng)度僅為0.47 MPa，提高了121%。因此，8034H型VAE具有較為良好的粘結(jié)性能，顯著提高了界面的粘結(jié)程度。

為了從微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步探究VAE對R·SAC的改性機(jī)理，對硬化體進(jìn)行取樣并做水化1 d的SEM分析。從圖4中可以看出，R·SAC試樣在水化1 d時生成了團(tuán)絮狀C-S-H凝膠，絲帶狀鈣礬石散布在硬化體中，圖中黑色圈內(nèi)可明顯看到大量深色孔隙。這說明未添加VAE的R·SAC內(nèi)部結(jié)構(gòu)不是特別致密，在有壓的水環(huán)境下難以起到良好的抗?jié)B性能。通過圖5所示的同齡期VAE改性R·SAC試樣SEM照片發(fā)現(xiàn)，此時已經(jīng)生成了大量C-S-H凝膠而鈣礬石卻看不到，這是由于VAE形成的聚合物與水泥水化形成的大量C-S-H凝膠已經(jīng)將鈣礬石包裹住。聚合物被限制在毛細(xì)孔隙中，聚合物顆粒絮凝在一起，即乳膠顆粒在與水泥水化過程中改性R·SAC內(nèi)部出現(xiàn)了鉚接、搭接的結(jié)構(gòu)，形成如圖5所示的連續(xù)的聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并填補(bǔ)了孔隙，說明VAE聚合物可將R·SAC水化物粘結(jié)起來。這使得材料的內(nèi)聚強(qiáng)度提高，形成致密的硬化體，因此可顯著改善R·SAC封堵滲漏缺陷的能力。

表 2 改性R·SAC折壓比Tab. 2 Flexural-compression ratio of modified R·SAC

圖 3 8034H型VAE改性R·SAC 1 d粘結(jié)強(qiáng)度Fig. 3 1 d bonding strength of 8034H VAE modified R·SAC

圖 4 R·SAC試樣SEM照片F(xiàn)ig. 4 SEM photograph of R·SAC samples hydrated

圖 5 改性R·SAC試樣SEM照片F(xiàn)ig. 5 SEM photograph of modified R·SAC samples hydrated

3 結(jié) 語

本文按封堵材料的流體-流固體-固體發(fā)展順序開展試驗，比較不同摻量的8034H型VAE對R·SAC早期性能的影響。試驗表明：在混凝土滲漏的修補(bǔ)工程中，8034H型VAE可有效提高R·SAC的早期性能，且4%為最優(yōu)摻量。主要結(jié)論如下：

（1）R·SAC初始黏度維持時間約為40 min，隨后黏度呈指數(shù)型增長，因此此類封堵材料泵送至灌漿位置時間不宜超過40 min。

（2）摻入VAE后R·SAC的初始黏度略有增加，突變點提前，突變點后黏度增長速率顯著加快，提高了封堵材料抵抗?jié)B漏水壓的能力，摻量在4%時最佳。

（3）摻量為3%～4%時可提高R·SAC的早期抗折強(qiáng)度15%～21%，抗壓強(qiáng)度則隨摻量提高而降低，折壓比上升表明改性R·SAC柔韌性提高，可有效降低外壓作用下發(fā)生開裂的可能。

（4）改性R·SAC的1 d粘結(jié)強(qiáng)度在VAE摻量為4%時最大，較對照組提高121%，顯著提高了新老混凝土界面的粘結(jié)程度。

（5）摻入VAE后，R·SAC內(nèi)部顆粒之間形成了致密的搭接結(jié)構(gòu)，封堵滲漏缺陷能力得到明顯改善。