高寒區(qū)渠道襯砌混凝土裂縫快速修復(fù)技術(shù)研究

張 健

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局, 新疆 烏魯木齊 830000)

襯砌混凝土裂縫是高寒區(qū)供水渠道局部損毀的主要形式，表現(xiàn)為裂縫多、滲漏嚴(yán)重、止水材料老化失效、凍脹與凍融剝蝕破壞、環(huán)境侵蝕和混凝土抗?jié)B效果差等[1]，這一現(xiàn)象貫穿渠道混凝土整個(gè)施工和運(yùn)行管理過(guò)程。為達(dá)到快速降低襯砌混凝土裂縫造成的渠道供水滲漏損失，工程實(shí)踐中常用丙烯酸脂共聚乳液、環(huán)氧樹脂和氯丁膠乳砂漿等聚合物水泥砂漿對(duì)渠道襯砌進(jìn)行修復(fù)。此類材料由分散于水中或溶于水中的聚合物摻入普通水泥砂漿中配制而成，具有高黏結(jié)、高抗?jié)B、高抗凍、高抗氯離子滲透性等特點(diǎn)，同時(shí)還廣泛應(yīng)用于建筑物的防腐加固工程[2]，其中丙烯酸脂乳液或改性丙烯酸脂乳液是近20多年來(lái)應(yīng)用最廣泛的樹脂乳液。然而，該材料在高寒區(qū)渠道襯砌修復(fù)應(yīng)用時(shí)還存在一定不足，如與舊混凝土的熱膨脹系數(shù)不同，界面結(jié)合力低時(shí)容易脫落、開裂和空鼓[3-5]。為此，有必要開展聚合物水泥砂漿改性工作，研制一種具有適度彈性的樹脂乳液配制的砂漿，以解決熱脹系數(shù)不一致的缺點(diǎn)，提高抗壓強(qiáng)度和黏接強(qiáng)度等物理力學(xué)性能。

1 改性樹脂乳液砂漿性能測(cè)試

1.1 乳液穩(wěn)定性能測(cè)試

乳液穩(wěn)定性主要包括機(jī)械穩(wěn)定性、稀釋穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等四方面測(cè)試。

機(jī)械穩(wěn)定性是指乳液在經(jīng)受機(jī)械操作時(shí)的穩(wěn)定性。在乳液制備過(guò)程中，要經(jīng)泵送、攪拌及涂裝時(shí)的噴涂等操作，因此乳液要經(jīng)受得住機(jī)械操作。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，不同攪拌速度下，乳液均穩(wěn)定。這說(shuō)明乳液的機(jī)械穩(wěn)定性好。

稀釋穩(wěn)定性是檢驗(yàn)不同濃度下乳液的乳化劑是否仍然具有較好的乳化效果。按照稀釋穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，乳液稀釋后24 h和48 h后觀察，乳液無(wú)分層、分水和沉淀發(fā)生，未出現(xiàn)破乳現(xiàn)象，說(shuō)明乳液具備稀釋穩(wěn)定性。

凍融穩(wěn)定性即是指乳液經(jīng)受凍結(jié)和融化交替變化時(shí)的穩(wěn)定性。由于乳液體系主要由單體、水、乳化劑及溶于水的引發(fā)劑等基本組分組成，其中有一半組成是水，乳液及由其配制的涂料在很多情況下要被暴露于凍結(jié)的條件下，當(dāng)聚合物乳液遇到低溫條件時(shí)會(huì)發(fā)生凍結(jié)。凍結(jié)和融化會(huì)影響乳液的穩(wěn)定性，輕則造成乳液表觀黏度上升，重則造成乳液的凝聚。經(jīng)過(guò)恒溫-5 ℃±2 ℃的低溫冰箱中連續(xù)冷凍18 h取出，再在23 ℃±2 ℃常溫解凍條件下放置6 h，如此反復(fù)循環(huán)3次后，乳液已經(jīng)破乳絮凝，說(shuō)明乳液在低溫下不具備儲(chǔ)存穩(wěn)定性，需要在0 ℃以上的溫度下儲(chǔ)存。

化學(xué)穩(wěn)定性是指乳液對(duì)添加的化學(xué)藥品的穩(wěn)定性。對(duì)分散液具有很大破壞力的化學(xué)藥品大都是水溶性的，可分為電解質(zhì)和非電解質(zhì)兩類，前者一般是無(wú)機(jī)鹽類，后者一般是極性有機(jī)化合物。在實(shí)用上多數(shù)是指添加電解質(zhì)的穩(wěn)定性問(wèn)題，因此從狹義上來(lái)說(shuō)化學(xué)穩(wěn)定性是指電解質(zhì)穩(wěn)定性。

1.2 不同配方時(shí)樹脂乳液砂漿性能分析

砂漿成型按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行，聚灰比為1∶10，灰砂比為1.2，根據(jù)乳液的減水率調(diào)整水灰比，根據(jù)砂漿物理性能情況，再進(jìn)行單體和乳化劑等材料的配方調(diào)整。

1.2.1 減水率

表1為幾種不同配方的砂漿性能，并與市售的乳液(乳液編號(hào)NG)對(duì)比。表明R055在0.48高水灰比下，砂漿都不能很好的拌合，無(wú)法成型，比沒加乳液的空白水灰比都大，說(shuō)明乳液加入不但沒有起到減水作用，相反還吸水。R056水灰比0.40時(shí)，砂漿物理性能比水灰比為0.45的空白砂漿性能差。這說(shuō)明在低水灰比高流動(dòng)度的情況，減水率高[6]，同時(shí)其物理性能也不同程度提高。

1.2.2 砂漿強(qiáng)度

以水灰比0.30配制的砂漿成型后的配方調(diào)整對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。分析表明28 d抗壓強(qiáng)度從20.8 MPa到65.0 MPa，28d抗折強(qiáng)度從6.8 MPa到14.7 MPa，28 d抗拉強(qiáng)度從2.82 MPa到7.55 MPa。28 d壓折比為2.79～4.51，綜合性能較好的壓折比為3.5～4.5。

1.2.3 黏結(jié)強(qiáng)度

經(jīng)過(guò)配方的調(diào)整，測(cè)定黏結(jié)強(qiáng)度的結(jié)果如表3。表明配方調(diào)整后28d黏結(jié)強(qiáng)度由2.43 MPa可提高至4.61 MPa。這說(shuō)明調(diào)整有效，滿足相關(guān)要求。

1.2.4 吸水率

配方調(diào)整后的砂漿吸水率試驗(yàn)結(jié)果見表4。表中3 h的吸水率除了R081外基本都小于1%，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，吸水率增大。不同配方吸水率有較大差異。且空白砂漿試塊初始吸水率就很高，48 h后趨向飽和，R081吸水率較高，R078吸水率最低。

2 改性樹脂乳液砂漿性能分析

2.1 抗氯離子滲透性能

按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]中的有關(guān)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇了2種較優(yōu)配方摻入砂漿中，試驗(yàn)結(jié)果見表5，結(jié)果表明，改性樹脂乳液砂漿抗氯離子滲透性能優(yōu)良。

表1 配方調(diào)整對(duì)樹脂乳液砂漿減水率影響

表2 配方調(diào)整對(duì)樹脂乳液砂漿強(qiáng)度的影響

表3 配方調(diào)整對(duì)樹脂乳液砂槳黏結(jié)強(qiáng)度影響

表4 改性樹脂乳液砂槳吸水率

表5 氯離子滲透深度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

從上述選取幾個(gè)較好的配方，進(jìn)行改性樹脂砂漿的抗硫酸鹽性能的試驗(yàn)，試驗(yàn)按《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》GB/T 749—2008[9]推薦的試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見表6。結(jié)果表明改性樹脂乳液砂漿的抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)均大于空白普通砂漿，說(shuō)明其具備抗硫酸鹽侵蝕的性能。

測(cè)試了改性樹脂乳液砂漿在5 %硫酸鈉溶液干濕交替作用下的砂漿抗壓強(qiáng)度耐蝕性能，試驗(yàn)按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082—2009[10]中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見表7。可知，普通砂漿經(jīng)150個(gè)干濕交替循環(huán)后，耐蝕系數(shù)Kf下降到85%，即砂漿抗壓強(qiáng)度下降了15%，此時(shí)砂漿表面開始出現(xiàn)細(xì)裂縫。樹脂乳液砂漿經(jīng)150個(gè)干濕交替循環(huán)后，耐蝕系數(shù)Kf為139%，砂漿表面完好，樹脂乳液砂漿抗硫酸鹽腐蝕性能良好。

2.3 收縮率

選擇2種乳液進(jìn)行乳液水泥砂漿收縮率試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 5126—2001[11]中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，結(jié)果見表8。表中顯示空白砂漿收縮最大，改性乳液砂漿明顯減小了收縮，XB-83試驗(yàn)結(jié)果有微小膨脹，57 d才開始收縮，說(shuō)明改性樹脂乳液砂漿明顯降低了砂漿收縮率。

表6 抗硫酸鹽侵蝕性能

表7 50%Na2SO4活液干濕交替作用下的耐蝕系數(shù)

表8 改性樹脂乳液水泥砂漿的收縮率試驗(yàn)

2.4 耐久性

2.4.1 抗?jié)B和抗碳化性能

碳化試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5126—2001[7]進(jìn)行，結(jié)果見表9。試驗(yàn)結(jié)果表明改性樹脂乳液砂漿抗?jié)B性能和抗碳化性能明顯提高。

2.4.2 抗凍融循環(huán)性能

凍融試驗(yàn)是檢驗(yàn)改性樹脂乳液砂漿耐高低溫循環(huán)性能。表10是改性樹脂乳液砂漿凍融性能的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)表明普通砂漿凍融循環(huán)至100次，重量損失高達(dá)18%，抗凍等級(jí)為F50，樹脂乳液砂漿經(jīng)300次凍融循環(huán)后，重量幾乎不損失，抗凍等級(jí)大于F300。

2.5 聚合物樹脂乳液材料性能

按照試驗(yàn)優(yōu)選配方，經(jīng)過(guò)工藝試驗(yàn)，調(diào)整反應(yīng)溫度、滴加速度和反應(yīng)時(shí)間，最終試驗(yàn)得到合格產(chǎn)品。改性樹脂乳液產(chǎn)品的性能見表11。改性樹脂乳液砂漿的性能檢測(cè)結(jié)果見表12。

表9 改性樹脂乳液砂漿抗?jié)B及抗碳化性能

表10 改性樹脂乳液砂漿的抗凍融試驗(yàn)結(jié)果

綜上，研制的新型聚合物改性樹脂乳液砂漿不但顯示其優(yōu)越的綜合性能，而且因其成本低、施工方便、環(huán)保無(wú)毒性而在許多工程中成功地作為一種新型修補(bǔ)、防滲、防腐、防凍材料加以應(yīng)用。

3 配制及施工要點(diǎn)

根據(jù)乳液特性和使用情況，研究制訂了改性樹脂乳液砂漿配制及施工技術(shù)要求如下：

表12 改性樹脂乳液砂漿性能指標(biāo)

(1)使用42.5以上級(jí)硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥符合國(guó)標(biāo)要求，新鮮無(wú)結(jié)塊。拌制乳液砂漿所用砂需過(guò)2.5 mm篩，砂子含水率應(yīng)小于4%，品質(zhì)滿足相關(guān)規(guī)程要求。

(2)乳液需貯存在0 ℃以上的環(huán)境中，不宜暴曬，保存期為2 a。施工時(shí)一般要求氣溫高于5 ℃，當(dāng)氣溫低于5 ℃或預(yù)計(jì)有雨或雪時(shí)，不宜施工。

(3)修補(bǔ)施工前須清除基底表面污物，塵土和松軟、脆弱部分，有條件鑿毛更好，然后用清水沖洗干凈，施工前應(yīng)使待施工面處于潮濕飽水且無(wú)積水狀態(tài)，在薄層(2 cm以下)修補(bǔ)區(qū)的邊緣，宜鑿一道3～5 cm深的齒槽，以增加修補(bǔ)面與老混凝土的黏結(jié)。

(4)施工前準(zhǔn)備好各種容器、拌合及養(yǎng)護(hù)等用具，如噴霧器。

(5)施工前要通過(guò)試拌確定配合比，計(jì)算修補(bǔ)所需材料用量，草包等。確定每次拌合物數(shù)量時(shí)，要求所拌砂漿能在30～45 min內(nèi)使用完，不可一次拌和過(guò)多數(shù)量。

(6)拌合時(shí)，先將水泥、砂干拌均勻，然后加乳液充分拌合均勻。乳液砂漿應(yīng)采用人工攪拌，不宜機(jī)械攪拌。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配比準(zhǔn)確稱量，水泥稱量允許偏差小于1%，砂子允許偏差小于2%，乳液、水允許偏差小于0.5%，嚴(yán)格控制加水量，并將流動(dòng)度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，便于施工即可。乳液砂漿參考配比為水泥∶砂∶乳液∶水=1∶(1.5～2.5)∶( 0.25～0.3)∶適量。

(7)涂抹砂漿時(shí)，在修補(bǔ)面上需先涂刷一層乳液凈漿，并在凈漿未硬化前即鋪筑乳液砂漿。凈漿配比為1 kg乳液加2 kg水泥，攪拌成漿，拌勻無(wú)水泥團(tuán)。界面處理也可采用混凝土專用界面劑。

(8)砂漿鋪筑到位后，用力壓實(shí)，然后抹面，抹面時(shí)應(yīng)向一個(gè)方向抹，一次抹平，不要來(lái)回多次地抹，不要二次收光。仰面和立面施工，涂層厚度超過(guò)7 mm時(shí)，需分二次抹壓，以免重垂脫空。修補(bǔ)面積較大時(shí)，可隔塊跳開分段施工。

(9)乳液砂漿表面抹平略干后，宜用噴霧保濕養(yǎng)護(hù)或用薄膜覆蓋，終凝后灑水養(yǎng)護(hù)，潮濕養(yǎng)護(hù)7 d后，即可自然干燥養(yǎng)護(hù)。施工要求避風(fēng)、避陽(yáng)，采用噴霧保濕，夜間施工等措施。

(10)施工機(jī)具應(yīng)在施工前后清洗干凈。

4 結(jié) 論

(1)凍結(jié)和融化會(huì)影響乳液的穩(wěn)定性，輕則造成乳液表觀黏度上升，重則造成乳液的凝聚。低水灰比高流動(dòng)度的情況，樹脂乳液砂漿減水率高；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，樹脂乳液砂漿吸水率增大，28 d壓折比介于2.79～4.51 MPa，具備抗氯離子和抗硫酸鹽侵蝕的滲透性能。改性乳液砂漿收縮率明顯減小，抗?jié)B性能和抗碳化性能明顯提高。

(2)通過(guò)研制高寒區(qū)渠道快速修復(fù)混凝土聚合物乳液，根據(jù)乳液特性和使用情況，研究制訂了改性樹脂乳液砂漿配制及施工技術(shù)要求，為寒區(qū)渠道搶險(xiǎn)與修復(fù)工作提供了前沿技術(shù)支撐。