影響水下混凝土抗壓和粘結劈裂抗拉強度的原因探析

覃林濤，肖發新

(湖北省長陽土家族自治縣水利水電局，湖北 宜昌443500)

干地施工環境較好，施工質量容易保證，但在水工建筑物已投入使用的情況下，許多部位的修補難以實現干地施工。水下施工方式可減少修補施工對水工建筑物正常使用的影響，修補工作由潛水員在水下完成，盡管水下施工難度大，但只要修補方案科學、施工工藝合理、施工材料可靠、施工操作得當，水下修補也能夠保證質量。特別是水下修補新材料的出現，配合新技術、新工藝、新設備，幫助我們解決了很多過去想辦而辦不了的事情，尤其是在暫時不具備干地施工條件的水庫大壩。我們在國內外大量的水下施工項目中積累了豐富的實踐經驗，但同時也遇到了一些新問題。為了解決在水庫大壩水下工程施工過程中出現的水下澆筑混凝土28d抗壓強度達不到設計值、新老混凝土粘結劈裂抗拉強度數據不穩定、波動較大等實際問題，找出癥結，進一步準確掌握常用的3種材料在現行條件下能達到的抗壓強度、粘結劈裂抗拉強度指標，我們在試驗室展開了新一輪針對性、系統性的試驗。本次試驗首先是調整了混凝土的配合比，然后改變了老混凝土塊的鑿毛方法，并增加了試驗數量。在施工現場試驗的基礎上，針對試驗過程、結果中存在的主要問題進行改進。

1三種常用材料簡介

常用于水下修補的聚合物混凝土有環氧樹脂混凝土/砂漿和PBM-3混凝土/砂漿，其中，環氧樹脂混凝土/砂漿以環氧樹脂作為膠結料，而PBM-3混凝土/砂漿是以不飽和聚酯等高分子材料作為膠結料而形成的具有互穿網絡結構的材料。兩者均以樹脂為粘結劑，將其與骨料(石子、砂、水泥)固結而形成，具有高分子和無機材料的綜合性能。由于環氧樹脂和PBM-3樹脂均不溶于水，可賦予所包裹的材料以很高的粘性，因此拌合料在水中不分散，施工時不需要導管，可直接倒入水中，也不需振搗就可形成自流平、自密實的水下混凝土，強度高，抗沖耐磨性能好，能夠很好的與基層面相結合；在水中抗分散性能強，但造價高，不經濟，適于水下小范圍補強加固，可在水下進行以厘米計的薄層修補，并可進行垂直面的立模澆筑。

UWB-Ⅱ水下不分散混凝土是在普通混凝土拌合物中加入水下不分散劑(高分子絮凝劑)，從而在水泥顆粒之間形成架橋結構，增大了吸附力，提高了粘性，抑制了混凝土拌合料的稀釋，增加了拌合物的觸變性和保水性，減少了骨料的沉降和離析，從而使混凝土在水下硬化前具有一定程度的抗分散性。在合理的澆筑工藝指導下，能自流平、自密實。強度可調整，能夠不低于原有混凝土強度，但在抗沖耐磨性能、與基層面的結合等方面比不上聚合物混凝土。造價低，較為經濟，適于水下大體積混凝土澆筑和修補處理。

2試驗內容

按照試驗計劃，本次試驗項目見表1。

表1混凝土試驗項目表

3試驗步驟

3.1試驗依據

本次試驗主要依據以下技術標準[1-8]。

1)SL130-2017，混凝土試模檢驗方法。

2)SL677-2014，水工混凝土施工規范。

3)GB 50367-2013，混凝土結構加固設計規范。

4)SL138-2011，水工混凝土標準養護室檢驗方法。

5)SL 352-2006，水工混凝土試驗規程。

6)DL/T 5193-2004，環氧樹脂砂漿技術規程。

7)Q/CNPC 92-2003，水下不分散混凝土施工技術規范。

8)DL/T 5117-2000，水下不分散混凝土試驗規程。

3.2原料選擇

砂：中粗河砂，細度模數2.5～3.3。

石子：粒徑在5～40 mm之間連續級配的碎石。

水泥：強度等級為P.O 42.5R的普通硅酸鹽水泥。

3.3配合比設計

老混凝土塊配比見表2，設計強度等級C40。

表2老混凝土塊配合比

HSL-101環氧樹脂混凝土(砂漿)、PBM-3樹脂混凝土(砂漿)以滿足施工流動性為前提，盡可能提高各性能指標[9]。UWB-Ⅱ水下不分散混凝土，擴展度擬控制在400～450 mm之間，設計強度等級為C30和C40兩個具有代表性的配合比，并通過摻加硅粉和減水劑作為對比試驗，硅粉摻加量為水泥的10%。配合比略。

3.4老塊處理

在老塊混凝土拆模后馬上對其進行鑿毛處理，這樣處理表面粗糙度比較均勻，利于提高粘結強度。

3.5澆筑過程

混凝土/砂漿拌合物的制備：按照設計配比計算的量進行拌合。環氧樹脂混凝土/砂漿、PBM-3混凝土/砂漿使用人工在鋼板上進行攪拌，UWB-Ⅱ水下不分散混凝土使用混凝土攪拌機攪拌。UWB-Ⅱ水下不分散混凝土拌合后需測試其坍落度、坍擴度[10-12]。

試模處理：澆筑前，在試模內表面涂刷脫模劑，脫模劑可用石蠟或專用脫模劑，不得用機油、礦物油，以免沾污粘結面；將老混凝土塊用水清洗干凈，放置于試模一側，不被粘結的混凝土面緊貼試模內壁。將試模輕放入水箱，并將水位加至該試模頂面以上150 mm。

試件成型：用手鏟將拌合物從水面向水下澆筑，使其落進試模中，然后取出試件靜置5～10 min，用木錘輕敲試模兩側以促進排水，然后將試件表面抹平放入水中，水要沒過試模表面，2 d后拆模[13]，將試件分類標記后放入水中標準養護箱按照試驗規程要求進行養護。

3.6試件檢測

到達齡期后，將試件從水中取出，將表面擦拭干凈，在試驗室分別檢測其抗壓強度和粘結劈裂抗拉強度。檢測試件粘結劈裂抗拉強度前，在試件頂面和底面的新老混凝土粘結處劃出相互平行的直線，準確定位劈裂位置。

4結果分析

4.1HSL-101環氧樹脂混凝土/砂漿

4.1.1試驗數據

前期施工現場做的環氧混凝土/砂漿抗壓強度比較穩定，能夠達到工程要求強度，但新老混凝土粘結劈裂抗拉強度數據不穩定，數值高值達到2.43 MPa，低值只有0.51 MPa，并且同組內三個數值相差較大，很多單個試件測值超過了平均值的15%。分析認為：前期在環氧混凝土/砂漿試驗時，老塊混凝土或采用手工振搗成型，或使用振動臺振動成型，待其完全固化后再處理表面，這樣使得處理過的表面光滑、粗糙度不均勻，造成粘結強度偏小。因此本次試驗時，老混凝土塊的處理方式改為拆模后，馬上用鋼絲刷刷出粗糙面，這樣表面粗糙度比較均勻；同時為了有利于數據分析，增加了試驗數量，每個齡期由1組增加至3組。

4.1.2數據分析

1)抗壓強度。3 d抗壓強度較低；混凝土/砂漿的28 d抗壓強度均達到了50 MPa，滿足一般施工設計要求；同組內數據很穩定，都在均值的5%內浮動。

表4兩階段環氧樹脂混凝土/砂漿抗壓強度對比MPa

2)粘結劈裂抗拉強度。混凝土：28 d粘結強度最高為2.32 MPa，最低為1.47 MPa， 9個測值中2.0 MPa 以上的數據有3個，1.5 MPa以下的數據有2個，超過均值15%的數據有2個，均值為1.88 MPa。離一般施工設計要求的強度2.0 MPa還有差距，但數據的浮動性比施工現場試驗要好。需進一步從材料本身、澆筑條件等方面查找原因。

砂漿：28 d粘結強度最高為2.39 MPa，最低為1.61 MPa，9個測值中2.0 MPa以上的數據有4個，全部超過1.5 MPa，超過均值15%的數據有2個，均值為2.02 MPa，滿足一般施工設計要求。

從均值和代表值數據看，兩者差距很小，說明一組數據內，離散性小，數據比較可靠[14]。

表5兩階段環氧樹脂混凝土/砂漿粘結強度對比MPa

4.2PBM-3樹脂混凝土/砂漿

4.2.1試驗數據

施工現場沒有進行PBM-3樹脂混凝土/砂漿試驗，本次增加了此項試驗。

4.2.2結果分析

1)抗壓強度。3 d抗壓強度較高；混凝土28 d抗壓強度均達到了50 MPa，砂漿28 d抗壓強度均值達到了40 MPa，滿足一般施工設計要求。

表6PBM-3樹脂混凝土/砂漿試驗數據MPa

2)粘結劈裂抗拉強度。混凝土：28 d粘結強度最高為2.23 MPa，最低為1.95 MPa, 9個測值中 2.0 MPa 以上的數據有8個，沒有超過均值15%的數據。本組數據浮動較小，所以數據均有效。代表值為2.11 MPa，能夠達到工程所要求的強度2.0 MPa。

砂漿：28d粘結強度最高為2.75 MPa，最低為1.47 MPa, 9個測值中2.0 MPa以上的數據有4個， 1.5 MPa以下的數據有1個，超過均值15%的數據有4個。本組數據上下浮動較大，均值為1.97 MPa，離一般施工設計要求的強度2.0 MPa還有差距。

4.3UWB-Ⅱ不分散混凝土

4.3.1試驗數據

施工現場對UWB-Ⅱ水下不分散混凝土/砂漿做了大量試驗，新老混凝土28 d粘結強度能夠達到1.5 MPa。試驗過程中存在的主要問題是：部分試件28 d抗壓強度未達到設計強度，粘結強度的組內數據上下浮動較大。為了解決上述問題，本次采取了以下措施：

表7UWB-Ⅱ水下不分散混凝土新拌性能匯總表

表8UWB-Ⅱ水下不分散混凝土試驗結果匯總表MPa

重新調整試驗配合比，將砂率由0.40改為0.42，同時減小水灰比。

老混凝土粘結面的處理方式由以前完全硬化后處理改為拆模后立即進行鑿毛處理。

4.3.2結果分析

在調整配比后，新拌混凝土流動性良好, 水下澆筑能夠達到自流平、自密實。

1)抗壓強度。無論C30還是C40，28d抗壓強度都遠遠超出設計強度。

表9兩階段UWB-Ⅱ水下不分散混凝土抗壓強度對比MPa

本次試驗通過增大砂率、添加減水劑、減小水灰比后拌合物的流動性能夠滿足施工要求。水灰比減小，同齡期抗壓強度均有所提升，可以看出砂率、水灰比是影響水下混凝土抗壓強度的重要因素。

2)粘結劈裂抗拉強度。在調整配合比并改變老塊粘結面處理方式后，本次檢測的UWB-Ⅱ水下不分散混凝土粘結劈裂抗拉強度都超過了1.5 MPa，大部分數據達到了2.0 MPa以上。且組內數據相對穩定，上下浮動小，超出均值15%的數據不多，結果較理想。

表10兩階段UWB-Ⅱ水下不分散混凝土粘結劈裂抗拉強度對比MPa

本次試驗通過增大砂率，減小水灰比、加減水劑、硅粉，改變老混凝土塊粘結面鑿毛方式等措施，其抗壓強度和粘結強度都有了不同程度的提高。綜上，配合比(砂率、水灰比)和老混凝土粘結面的粗糙度是影響新老混凝土粘結強度的重要因素[15-19]。

5試驗總結

5.1抗壓強度

各類混凝土及砂漿28 d齡期抗壓強度均能滿足一般施工設計要求。

表11抗壓強度設計、實測值對比表MPa

5.2粘結劈裂抗拉強度

表12粘結劈裂抗拉強度設計、實測值對比表MPa

UWB-Ⅱ水下不分散混凝土粘結劈裂抗拉強度能夠滿足一般施工設計要求；環氧樹脂混凝土、PBM-3樹脂砂漿的粘結強度已經接近2.0 MPa，下一步將重點從原材料本身分析原因并做出改進：該批次樹脂材料雖仍在有效使用期內，但由于其出廠時間已較長且未采取恒溫貯存放置，試驗時間在8月份，天氣炎熱，

樹脂性能或受上述兩方面原因而有所改變或降低，造成性能的不穩定現象，故考慮在補充試驗中使用新產樹脂。

5.3補充試驗

為了驗證對不合格項原因分析的正確性，試驗結束后補做6組混凝土試件：

環氧樹脂混凝土粘結試件3組(使用新產樹脂材料，靜水中標準養護)，PBM-3樹脂砂漿粘結試件3組(使用新產樹脂材料，靜水中標準養護)。

6組補充試驗結果均合格，滿足一般施工設計要求[20]。

6結語

本次試驗結果使我們對水下混凝土材料的強度指標有了進一步認識，大部分試驗結果滿足一般工程的強度要求。本次試驗與前期施工現場試驗、補充試驗結合起來，形成了一個完整試驗過程。影響水下混凝土強度的因素眾多，在今后的工程實踐中，要以每次具體工程為基礎，通過在不同環境中的混凝土試驗、澆筑去更加充分認識、挖掘材料的特性，不斷積累經驗，真正做到能在各類工程中靈活掌握、合理運用材料的不同性能，指導我們去更好解決實際問題。