崔德浩,唐建輝,張 偉,田嘉麟,白 銀

(1.深圳市東江水源工程管理處,廣東 深圳 518036;2.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所, 江蘇 南京 210029)

長(zhǎng)距離輸水工程對(duì)于緩解城市用水壓力起到了十分重要的作用,如南水北調(diào)工程、東江水源工程等[1-2]。這類輸水工程通常包含渠道、管道、隧洞等多種混凝土建筑物。但在長(zhǎng)期高速水流沖刷下,這些混凝土建筑物表面出現(xiàn)了不同程度的剝落、磨損等病害問題[3-4]。如不進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ),會(huì)進(jìn)一步加劇混凝土結(jié)構(gòu)破壞,影響建筑物的正常運(yùn)行,降低服役時(shí)間。

表面修復(fù)材料是一種快速提高既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的有效措施,從化學(xué)成分上看修復(fù)材料可分為無機(jī)修復(fù)材料(地聚合物、水泥基滲透結(jié)晶等)、有機(jī)修復(fù)材料(環(huán)氧樹脂、聚脲、丙烯酸樹脂等)和有機(jī)-無機(jī)類修復(fù)材料(環(huán)氧膠泥、聚合物改性水泥等)[5-6]。無機(jī)修復(fù)材料具有黏結(jié)強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、環(huán)保、施工方便且成本低的優(yōu)勢(shì);有機(jī)修復(fù)材料通過自身成膜的性質(zhì)在混凝土表面形成致密的防護(hù)層,但成本較高且存在長(zhǎng)期老化問題;有機(jī)-無機(jī)修復(fù)材料可結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì),滿足不同的工程防護(hù)需求,其中聚合物水泥類材料以其優(yōu)異的黏結(jié)性能、良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域[7-8]。聚合物水泥修復(fù)材料是指通過摻入一定比例的聚合物對(duì)無機(jī)材料進(jìn)行改性,常見的聚合物乳液包括環(huán)氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸系乳液和聚醋酸乙烯酯共聚物乳液等[9],可根據(jù)需求進(jìn)行性能設(shè)計(jì)與應(yīng)用。如李成[10]將丙乳砂漿應(yīng)用在水利工程混凝土修補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)中;邢小光等[11]發(fā)現(xiàn)苯丙乳液的摻入能夠顯著提高改性砂漿的抗折強(qiáng)度;朱建輝等[12]以聚合物改性超細(xì)水泥灌漿材料,制得了具有良好可灌性的修補(bǔ)材料。在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)建筑物表面混凝土缺陷的深度不同、使用的環(huán)境不同、所應(yīng)具備的功能結(jié)構(gòu)不同等應(yīng)匹配其各自相適應(yīng)的修補(bǔ)方法,如刮涂、噴涂、輥涂等[13-15]。就長(zhǎng)距離輸水隧洞而言,一方面隧洞襯砌混凝土因水流沖刷而呈現(xiàn)大面積的表面剝蝕,另一方面因停水檢修期短而需要采用具有快速施工特性的修復(fù)材料。綜合來看,易采取噴涂聚合物水泥凈漿的方式進(jìn)行修復(fù)。然而,現(xiàn)有的研究集中在聚合物改性水泥后的強(qiáng)度、抗?jié)B性及耐久性方面[6,16],缺乏對(duì)噴涂聚合物水泥凈漿的性能研究。事實(shí)上,若要采用噴涂方式施工,首先要保證材料具有良好的流動(dòng)性,其次是合理的噴涂時(shí)間間隔(可操作時(shí)間)。因?yàn)榫酆衔锏某赡ぬ匦?噴涂時(shí)間間隔太久會(huì)影響后續(xù)噴涂材料的黏附效果。

基于此,本文以丙烯酸酯共聚乳液改性水泥(丙乳凈漿)為研究對(duì)象,通過對(duì)其工作(流動(dòng)度和可操作時(shí)間)和力學(xué)性能(抗拉、抗壓和抗折強(qiáng)度)的研究,提出用于輸水隧洞混凝土表面防護(hù)噴涂施工的性能要求,并在東江水源工程中進(jìn)行應(yīng)用,研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

丙乳凈漿由聚合物-丙烯酸酯共聚乳液(丙乳)和P·O 42.5海螺水泥組成,其中采用的丙乳型號(hào)為NYS丙烯酸酯共聚乳液,外觀呈現(xiàn)乳白微藍(lán)乳液狀,固含量為(40±1)%,pH為2.0～4.0。

影響丙乳凈漿性能的主要因素為聚灰比P/C(丙乳與水泥的質(zhì)量比)和乳液濃度W(丙乳占丙乳和水的質(zhì)量比),因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2組試驗(yàn),一組固定乳液濃度為100%,聚灰比分別為1.0∶1.5、1∶2、1.0∶2.5和1∶3;另一組固定聚灰比1.0∶2.5,乳液濃度分別為100%、90%、70%、50%、30%、10%、0%。

1.2 試驗(yàn)方法

丙乳凈漿的力學(xué)性能包括抗壓、抗折和抗拉強(qiáng)度,依據(jù)DL/T 5126—2021《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)要求,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體模具,制作用于抗折和抗壓強(qiáng)度測(cè)試的試件,采用“8”字型砂漿試模測(cè)試抗拉強(qiáng)度。丙乳凈漿的工作性能包括流動(dòng)度和可操作時(shí)間,流動(dòng)度依據(jù)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》截錐圓模法進(jìn)行。可操作時(shí)間是在丙乳凈漿配置后至規(guī)定條件下能維持施工性能的時(shí)間,這里采用膠結(jié)強(qiáng)度法進(jìn)行測(cè)試,該試驗(yàn)先在“8”字型試模中澆筑一半丙乳凈漿,然后分別在0.5、1、2、4、8、24、48 h之后澆筑另一半丙乳凈漿。試驗(yàn)測(cè)試見圖1,力學(xué)性能和可操作時(shí)間的測(cè)試均在試樣養(yǎng)護(hù)3、7、14、28 d之后進(jìn)行。

a)抗折

抗拉

流動(dòng)度

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 流動(dòng)度

圖2為不同聚灰比和乳液濃度對(duì)丙乳凈漿流動(dòng)度的影響,圖2a中可以看到丙乳凈漿流動(dòng)度隨著聚灰比的減小而減小。這是因?yàn)殡S著水泥摻量的增加,丙乳凈漿變得越來越濃稠,黏度逐漸變大,流動(dòng)性因此減小。圖2b可以看出,隨著乳液濃度的增加,丙乳凈漿的流動(dòng)度呈現(xiàn)先增大后減小的特征,其中在乳液濃度達(dá)到70%時(shí)丙乳凈漿的流動(dòng)度達(dá)到最高,為23.45 cm。而當(dāng)乳液濃度為0%,也即是無丙乳的水泥凈漿,流動(dòng)度為最低,僅有10.7 cm。這表明丙乳的加入可以改善水泥凈漿的流動(dòng)性,并且乳液濃度在50%～70%改善效果較佳,這是因?yàn)楸槭切×降膯误w共聚乳液,它的加入起到了一定的潤(rùn)滑作用。

a)聚灰比

2.2 力學(xué)性能

2.2.1抗拉強(qiáng)度

圖3為不同聚灰比和乳液濃度對(duì)丙乳凈漿抗拉強(qiáng)度的影響,圖3a中可以看到隨著聚灰比的減小,相同齡期下的丙乳凈漿抗拉強(qiáng)度逐漸增大,這主要是因?yàn)楸閮魸{強(qiáng)度主要取決于水泥強(qiáng)度發(fā)展,水泥相對(duì)含量越多,水化產(chǎn)物越多,抗拉強(qiáng)度也就越大。在圖3b中,總體上隨著乳液濃度的增加,各齡期的抗拉強(qiáng)度也隨之升高,表明丙乳的加入提高了水泥凈漿的抗拉性能。

a)聚灰比

a)聚灰比

a)聚灰比

2.2.2抗壓和抗折強(qiáng)度

圖4a為不同聚灰比的丙乳凈漿抗壓強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度隨著聚灰比的減小而增大,規(guī)律和抗拉強(qiáng)度一致。在圖4b的不同乳液濃度下,總體上抗壓強(qiáng)度隨乳液濃度的降低而增大,這在后期(14 d以后)特征更加明顯。此外,還觀察到在乳液濃度高于50%時(shí),抗壓強(qiáng)度變化較為平緩,也就是說在該乳液濃度范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生大的影響。對(duì)于圖5的抗折強(qiáng)度而言,聚灰比對(duì)抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致,而乳液濃度與抗折強(qiáng)度的關(guān)系卻與抗壓強(qiáng)度相反。隨著乳液濃度的增加,丙乳凈漿的抗折強(qiáng)度升高,并且這種特征在后期更加明顯。

2.2.3壓拉強(qiáng)度比

衡量材料脆性的另一個(gè)重要方面是抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值,比值更小則脆性更低。為此,繪制了丙乳凈漿在不同齡期的壓拉強(qiáng)度比(圖6)。在圖6a中不同聚灰比下,壓拉強(qiáng)度比隨著聚灰比的減小而增大,這表明水泥摻量的增多使得丙乳凈漿的脆性增加,降低了韌性。對(duì)于不同的乳液濃度(圖6b),隨著乳液濃度的降低,丙乳凈漿的壓拉強(qiáng)度比表現(xiàn)出先平穩(wěn)(濃度從50%～100%)后快速上升(0%～50%)的特征。以28 d的曲線為例,乳液濃度在0%、50%和100%時(shí)的壓拉強(qiáng)度比分別為15.98、5.48和5.07。濃度從100%下降到50%時(shí),壓拉強(qiáng)度比增幅明顯很小,而從50%下降到0%時(shí),壓拉強(qiáng)度比增加了2.92倍。這個(gè)特征說明丙乳的添加有效增強(qiáng)了水泥漿體的韌性,但過高的乳液濃度對(duì)韌性的提升效果降低。

a)聚灰比

2.3 可操作時(shí)間

為獲得丙乳凈漿合適的施工操作時(shí)間,在不同時(shí)間間隔下丙乳凈漿層間黏結(jié)強(qiáng)度隨齡期的變化見圖7,總體上可以看出層間黏結(jié)強(qiáng)度隨著澆筑時(shí)間間隔的延長(zhǎng)而降低。在0.5～1.0 h內(nèi),黏結(jié)強(qiáng)度有顯著的下降;在1～4 h內(nèi),黏結(jié)強(qiáng)度曲線較為平穩(wěn);從4～48 h內(nèi),黏結(jié)強(qiáng)度不斷降低。這表明施工時(shí)間間隔對(duì)丙乳凈漿的層間黏結(jié)強(qiáng)度具有顯著的影響,這與丙乳乳液失水形成的膜結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。在早期乳膠粒子逐漸聚合形成貫穿水泥漿體間的薄膜,后澆筑的丙乳凈漿因?yàn)楸∧さ拇嬖诙趯娱g形成微缺陷。澆筑間隔時(shí)間越長(zhǎng),聚合物薄膜形成越充分,層間的微缺陷越多,導(dǎo)致宏觀黏結(jié)強(qiáng)度的下降。因此,考慮最終的修復(fù)質(zhì)量,建議丙乳凈漿的層間施工間隔應(yīng)小于1 h。

圖7 丙乳凈漿層間黏結(jié)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

3 工程應(yīng)用

通過上述研究,聚灰比、乳液濃度和施工時(shí)間對(duì)丙乳凈漿的工作和力學(xué)性能影響顯著。若采用噴涂的施工工藝,丙乳凈漿的流動(dòng)度不低于20 cm,因此選擇聚灰比為1.0∶2.5的配比。乳液濃度低于50%時(shí)丙乳凈漿的力學(xué)性能有明顯的降低,考慮到經(jīng)濟(jì)性,以50%的乳液濃度作為優(yōu)選濃度。因此,優(yōu)選后的丙乳凈漿防護(hù)材料的配比為丙乳∶水∶水泥=0.5∶0.5∶2.5,可操作時(shí)間為1 h。

依托于深圳市東江水源工程,對(duì)丙乳凈漿防護(hù)材料進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,施工過程見圖8。圖8a為原始基層,覆蓋了一層泥漿,需進(jìn)行清理;圖8b采用高壓水槍清洗輸水隧洞混凝土基面,使得表面無淤泥附著、無松散骨料,露出堅(jiān)硬牢固的新基面;圖8c制備丙乳凈漿,根據(jù)優(yōu)選的丙乳凈漿配比,采用手持式雙葉輪攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,攪拌時(shí)間約3 min,確保水泥顆粒均勻分散在丙乳中,漿液中無團(tuán)狀水泥塊;圖8d為噴涂丙乳凈漿底層。采用噴涂機(jī)進(jìn)行施工,共噴涂3層,總厚度約1 mm。第一遍從左至右均勻噴涂,噴涂寬幅約2.5～3.0 m,待第一遍噴涂完畢約20 min由上至下噴涂第二遍,第一遍與第二遍噴涂方向呈“十”字型交叉施工,施工間隔不超過1 h;圖8f丙乳凈漿噴涂完成后,自然養(yǎng)護(hù)即可。在養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)在表面進(jìn)行鉆孔,黏貼拉拔頭,進(jìn)行直接拉拔試驗(yàn),測(cè)試?yán)螐?qiáng)度,評(píng)估黏附效果。

a)原始基礎(chǔ)

表1給出了輸水隧洞混凝土基體、經(jīng)丙乳凈漿修復(fù)后7 d和通水運(yùn)行1 a后的拉拔強(qiáng)度,可見原始基體在長(zhǎng)期通水后表面平均拉拔強(qiáng)度僅為0.34 MPa,表現(xiàn)出表面砂漿的破壞。噴涂丙乳凈漿7、1 d后與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度分別為0.81、3.20 MPa,并且均表現(xiàn)為基體的破壞,表明采用丙乳凈漿進(jìn)行隧洞表面防護(hù)可以增強(qiáng)混凝土基體,并且形成很高的黏結(jié)強(qiáng)度。

表1 拉拔強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

a)丙乳凈漿流動(dòng)度隨著聚灰比的減小而減小,隨著乳液濃度的降低呈現(xiàn)先增大后減小的特征,其中在乳液濃度達(dá)到70%時(shí)丙乳凈漿的流動(dòng)度達(dá)到最高。

b)隨著聚灰比的減小,丙乳凈漿的力學(xué)性能均增大;但隨著乳液濃度的降低,丙乳凈漿抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度升高,抗拉和抗折強(qiáng)度降低。通過壓拉強(qiáng)度比發(fā)現(xiàn),乳液濃度的提高可增加丙乳凈漿的韌性。

c)丙乳凈漿層間黏結(jié)強(qiáng)度隨著澆筑時(shí)間間隔的延長(zhǎng)而降低,建議施工間隔不超過1 h。綜合考慮下,最佳的丙乳凈漿防護(hù)材料的配比為丙乳∶水∶水泥=0.5∶0.5∶2.5。

d)實(shí)際工程應(yīng)用表明,采用丙乳凈漿進(jìn)行隧洞表面防護(hù)可以增強(qiáng)混凝土基體,并且形成很高的黏結(jié)強(qiáng)度,可為類似混凝土表面防護(hù)提供參考。