水利工程中聚合物混凝土力學性能試驗與實踐分析

王文峰

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510000）

在普通混凝土中添加聚合物，能夠得到聚合物混凝土。相較于普通混凝土，聚合物混凝土擁有更高的膠結性能，能夠通過摻加不同聚合物改善混凝土力學性能。因此，在水利工程建設中，應合理運用混凝土材料，確保結構質量得到有效控制。應用聚合物混凝土進行工程施工，通過開展力學性能試驗確認材料性能是否滿足施工要求，能夠加強工程施工質量控制。

1 工程概況

某水庫大壩位于U形河谷，為混凝土重力壩，頂部長320m、寬7m，底部寬27m，壩高32m，建基面高18m。大壩上游建設1m厚混凝土防滲面板，下游中間建設混凝土壩體，28m以上為1m厚混凝土面板。壩體采用分層澆筑方式，分層高約2m。完工約半年，壩體上下游壩面出現裂縫，上游15條，下游7條，從倉面延伸向下，集中在壩塊中間。結合壩面裂縫分布情況和檢查結果，計劃采用聚合物混凝土修復結構裂縫。為保證修復效果，提前開展材料力學性能試驗，保證材料實踐應用效果，繼而使結構缺陷得到徹底消除。

2 聚合物混凝土力學性能試驗

2.1 試驗材料

試驗選用P.O32.5R普通硅酸鹽水泥，要求28d抗壓強度達到37MPa以上，抗折強度至少達到8.4MPa。采用的粗骨料粒徑在5～40mm，通過堆積密集確定級配關系。細骨料采用本地河沙，細度模數小于等于2.9，屬于Ⅱ級。試驗采用Ⅱ級粉煤灰，用于填充混凝土孔隙，以此提高混凝土密實度。粉煤灰燒失量為5.5%，氧化鈣量為4.3%，需水量為98%，玻璃珠含量為35%，比表面積4200cm2/g。選用聚羥酸高效減水劑作為聚合物外加劑，用于提高混凝土保坍性，抑制水化作用，預防結構裂縫發生。

2.2 試驗方案

在力學性能試驗中，在保持相同水膠比和坍落度的條件下，確認混合料力學性能變化情況。試驗共劃分為8組，前5組編號為A、B、C、D、E，分別為普通混凝土、聚羥酸混凝土、WSP混凝土、瀝青混凝土、聚丙烯混凝土，分析類型聚合物混凝土力學性能。后3組編號分別為F1、F2、F3，分別摻加1%、2%和3%的瀝青，均為聚丙烯混凝土，分析瀝青摻加量對材料性能的影響。在開展力學性能試驗時，按照規范進行混合料拌制，制作長150mm的立方體標準試件，并按照標準養護。在達到試驗齡期后，分別開展抗壓強度、抗拉強度等力學性能試驗。每組試件為3個，取得試驗結果后取平均值。

2.3 試驗結果

（1）抗壓強度分析。在強度均為C30的條件下，各組試件的抗壓強度試驗結果存在一定差異。伴隨著齡期的延長，差異日漸顯著，如表1所示。由表1能夠發現，摻加不同聚合物將對混凝土力學性能產生較大影響。比較各種材料28d抗壓強度可以發現，聚羥基混凝土抗壓強度較普通混凝土提升幅度較小，而WSP混凝土抗壓強度提高幅度較大，能夠達到17%左右。出現這一情況的原因主要是纖維在混凝土內部發揮了填充孔隙的作用，使結構密實性得到了增強。而采用聚丙烯混凝土，在瀝青摻加量增加的情況下，整體強度有所降低，故還應對瀝青添加量進行嚴格控制。從試件結構破壞情況來看，超出強度極限后普通混凝土結構破碎，擁有較大脆性，而WSP混凝土表現出了較好的柔性，破碎程度較輕。

表1 抗壓結果試驗結果 單位：MPa

（2）軸心強度分析。從軸心強度變化情況來看，對各組進行比較可以發現，28d后聚丙烯混凝土強度最高，可以達到36.5MPa，而普通混凝土強度約33.5MPa。利用掃描電鏡觀察可以發現，添加聚合物后粉煤灰的接觸面得到了改善，但摻加瀝青將導致結構強度大幅度下降，測試結果小于29MPa。除聚丙烯混凝土外，軸心抗壓強度最高的為聚羥酸混凝土，能夠達到36.1MPa，WSP混凝土強度能達到30.1MPa，比普通混凝土強度低10%左右。

（3）抗拉強度分析。從抗拉強度試驗結果來看，在28d時，相較于普通混凝土，聚丙烯混凝土強度有所提高，能夠達到2.87MPa。但從總體上來看，各組混凝土的強度均不高，普通混凝土強度約2.32MPa，聚羥酸混凝土強度降低至2.1MPa。分析原因可以發現，在材料水化過程中有較多絮狀物產生，容易造成結構連接強度變弱。摻加聚丙烯，能夠使大量條形物聚集成網，發揮減水作用，使結構抗拉強度和韌性得到增強，但由于添加瀝青將造成結構強度下降，因此瀝青用量不應超過1%[1]。

3 聚合物混凝土實踐應用

3.1 施工方案

在水利工程施工期間，需要利用聚合物混凝土進行結構壩體結構裂縫修復，對材料抗壓強度提出了較高的要求。綜合比較可以發現，雖然WSP混凝土的抗拉性能無顯著變化，但能使結構抗壓強度大幅度提高，同時使結構脆性降低，因此可以滿足工程應用需求。確認施工采用的聚合物混凝材料后，在結構裂縫修復中要以防止銹蝕、滲漏和恢復構件整體性為目標，以延緩結構老化[2]。針對縫寬不大于0.2mm、長不大于0.5mm的裂縫，可以直接涂刷濃縮劑對表層進行修復。超出規定范圍的裂縫需鑿除表面析出物，然后利用聚合物混凝土進行修復處理。

3.2 材料控制

為保證修復效果，還需做好技術準備，對施工設備、設施進行檢查，保證能夠正常運行。針對施工材料，需要提前做好檢查，保證集料清潔干燥，并對聚合物黏合劑的儲存狀況進行確認，避免材料發生變質。為保證修復效果，需要提前開展試驗，完成混凝土配比合理設計，保證力學性能達到設計要求。聚合物混凝土結構精細，施工速度相對較慢，需要利用立式研磨機進行攪拌，將骨料導入攪拌器攪拌，之后添加聚合物進行均勻攪拌。攪拌時間約3min，應確認聚合物均勻包裹在骨料中，黏合劑含量控制在6%～8%[3]。完成混凝土攪拌后，在運輸期間還應避免因外力作用而出現過度沉淀的問題。

3.3 實踐操作

在實踐應用過程中，針對縫寬達到0.2mm或長度達到0.5m的裂縫，需要對滲漏情況進行詳細檢查后，確定灌注位置和間距。結合施工范圍，需要將區域清理干凈，對表面析出物進行鑿除，然后利用磨光機打磨兩側對縫，確保基面干凈。完成基面清理后，以斜孔形式鉆孔，使孔沿著裂縫兩邊交錯排列，孔的距離根據縫寬確定。通常情況下，縫寬在0.2～0.3mm，孔徑為14mm時，可以將孔口與裂縫距離設置為10cm，鉆孔角達到60°以上。在保證鉆孔穿過裂縫的同時，應使孔深與面板表面保持20cm距離。針對立面豎向裂縫或斜縫，需要按照由下自上的順序進行灌漿操作；針對近似水平的裂縫，可以從一端向另一端灌入。采用高壓灌漿工藝，在確認出漿濃度與進漿濃度接近的情況下結束灌漿。在漿液固化后，利用環氧膠泥對孔口進行修補，并完成封口處理。利用防水涂料，可以對裂縫表面進行涂刷，在涂層已經固化，不會因灑水而流淌的情況下，可以利用霧狀凈水進行噴灑，養護時間為3～7d[4]。

3.4 應用效果

從工程施工效果來看，結構裂縫修復效果良好，后期并未出現結構滲漏、裂縫等缺陷。由此可見，采用聚合物混凝土進行施工，能夠使結構獲得較強抗壓能力，減少損壞事故的發生，有效減少大壩維修次數，繼而使水利工程使用壽命得到延長。在實踐應用中，考慮到聚合物混凝土材料價格較高，可以將聚合物混凝土與其他材料混合使用，達到減少施工成本的目的，確保施工需求得到滿足[5]。就目前來看，聚合物混凝土在水利工程修復施工中得到了廣泛應用，適用于水下、水上等不同環境，有效增強工程穩定性。

4 結論

綜上所述，在水利工程中應用聚合物混凝土應加強對材料力學性能的把握，通過合理選擇材料保證工程施工效果。在實踐應用過程中，還要開展混凝土力學性能試驗，根據試驗結果和工程施工要求做好材料選擇，并通過加強材料控制和施工管理來保證工程施工質量，繼而使工程能夠長久穩定運行。