混凝土水下裂縫快速修補環保材料試驗研究

彭子凌 李響 陳霞 李楊 周顯

摘要： 水下混凝土裂縫長期處于飽水環境中，導致對其修補存在著諸多難題，因此研發一種適用于水下施工的修補材料具有重要意義。為此，采用快凝快硬硫鋁酸鹽水泥作為主要膠凝材料，以PAM為絮凝組分，研制了一種新型環保的水泥基水下快速修補凈漿材料。以水下抗分散性和流動性為首要設計指標，初步確定了修補材料的核心組分及配比，并研究了其凝結時間、力學性能與粘結性能;采用試驗室鋼板插拔法來模擬混凝土裂縫，研究了修補后混凝土的力學性能;同時，借助X 射線衍射（XRD）進行了微觀快凝早強機理分析。結果表明：新型環保修補材料流動性較好、水下抗分散性優異、凝結時間可調、強度適中、黏結性能良好，有望用于混凝土水下裂縫的快速修補。

關 鍵 詞： 水下修補材料; 混凝土裂縫; 快凝快硬硫鋁酸鹽水泥; 水下抗分散性

中圖法分類號： ?TV431

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.032

0 引 言

混凝土材料因受各種應力作用[1-2]、溫差[3]、收縮[4-5]等原因，導致其內部或表層極易出現不同程度的開裂。這不僅影響建筑物的外觀，還會對其耐久性造成危害，甚至會對整個結構的安全性構成直接威脅[6-9]。而水下混凝土裂縫的處理難度相對更大，部分大壩、橋墩等水工建筑物的裂縫處于水下環境，無法完全與水隔離進行修補，需要在有水條件下進行施工作業[10-14]。目前，針對不同類型的混凝土水下裂縫，已有較為成熟的修補材料，但以有機高分子材料為主，長期與水接觸可能會對水體產生一定的污染。相較而言，無機材料的安全環保性更為突出，因此亟需研制一種適用于水下施工的以無機材料為主體的新型環保修補材料[15-18]。

對于混凝土水下裂縫修補材料，水下抗分散性是最基本的要求[19]。普通的水泥基修補材料屬于親水性材料，在水下極易分散，無法用于水下混凝土裂縫的修補。為此，需添加絮凝組分以增強水泥基材料組分之間的黏度，使得修補材料能在水下保持良好的抗離析性。同時，水下修補材料還需要具有良好的流動性，以確保修補材料能夠流動并均勻密實地填充裂縫[20]。此外，水下修補材料的凝結時間不宜過短或過長：一方面考慮預留出水上拌和的時間以及操作人員完成修補工作的時間;另一方面也需要滿足快速堵漏的要求。

本文基于無機材料體系，設計了一種新型環保的水下快速修補材料，在確保其具有良好的水下抗分散性以及流動性的前提下，對不同配比的修補材料的凝結時間、力學性能與粘結性能進行研究;同時，進行混凝土裂縫水下修補室內模擬試驗，并對修補后的力學性能進行了分析;最后，借助X射線衍射（XRD），從微觀角度闡述了其快凝早強機理。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

試驗采用快凝快硬硫鋁酸鹽水泥，其物理性能和化學成分檢測結果見表1～2，絮凝劑采用800萬分子量的聚丙烯酰胺（PAM），減水劑采用江蘇蘇博特公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為27.6%。本次試驗采用2種速凝劑，分別為東營市宏福建筑外加劑廠生產的混凝土粉狀速凝劑和江蘇博特生產的SBT -N（I）液體速凝劑。

1.2 試驗方法

1.2.1 流動性

在預先潤濕的水泥凈漿攪拌鍋內，加入一定量的水泥、外加劑和水進行攪拌，隨后將攪拌好的凈漿迅速注入放在玻璃板上的截錐圓模內，提起截錐圓模，使修補材料自由流動至停止。用卡尺測量流淌部分互相垂直兩個方向的最大直徑，以兩者的平均值作為流動度初始值。

1.2.2 水下抗分散性

參照 DL/T 5117-2000《水下不分散混凝土試驗規程》中新拌混凝土抗分散性試驗的方法并加以修改，以在水中自由落下后的水泥流失量和水的pH值來評定修補材料的水下抗分散性，具體操作如下。

（1） 稱重法測水泥流失量。在高400 mm的塑料桶底部放置一廣口容器，桶內裝水至高度350 mm，將拌好的修補材料從水面自由落體倒入水中的廣口容器內，使其裝滿廣口容器，不得撒漏，靜置5 min后將廣口容器從水中提起，排掉修補漿體上表面殘留的水，根據前后重量差來計算水泥流失量，見式（1）。

水泥流失量= a-b a-c ×100% （1）

式中：a為浸水前修補材料和容器的總重;

b為浸水后修補材料和容器的重量;

c為容器的重量。

（2） ?pH值測定。修補材料在水中自由落下后通過測定水的pH值來評價其抗分散性，pH值的測定按照GB/T 6920-1986《水質pH值的測定》的規定執行。

1.2.3 凝結時間

對于修補材料水上凝結時間的測定，采用標準 GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》，用配制的修補材料代替規范中的水泥，同步成型試件后放入20 ℃的水中進行養護，以測定修補材料的水下凝結時間。

1.2.4 抗壓強度

將各組分材料拌和均勻后，將修補材料漿體制成40 mm×40 mm×40 mm的凈漿強度試件，6 h后脫模，養護方式分別采取標準養護方式和20 ℃水養，養護至1，3，28 d后，測試其抗壓強度。

1.2.5 黏結強度

使用“8字模”進行水下修補材料的黏結抗拉強度試驗。首先成型“8”字模基準試件（配比為水泥 ∶水=1 ∶0.45），1 d后拆模，隨后放入水中養護，7 d后取出，放入抗拉強度夾具內，加荷至斷裂，形成近似“0”字形試件。將已拉斷的“0”字形基準試件的斷裂處用水濕潤，放回“8”字模的一半內，然后將預試驗用的水下修補材料澆筑到未放基準試件的另一半“8”字模中，經振動、壓實、抹平，成型出黏結后的“8”字形試件。黏結“8”字形試件，帶模在水中養護6 h后脫模，至齡期1，3 d后進行拉伸試驗，測定黏結抗拉強度。

1.2.6 混凝土水下裂縫修補室內試驗

成型混凝土立方體試件（150 mm×150 mm×150 mm），采用鋼板插拔法來模擬混凝土裂縫，即準備不同厚度（2，10 mm）的鋼板，在澆筑混凝土時將鋼板插入，并在混凝土初凝之后終凝之前將鋼板拔出，從而模擬不同寬度、不同尺寸的混凝土裂縫（見圖1）。

將帶縫的混凝土立方體試件在溫度為20 ℃±2 ℃、濕度為95%的條件下養護28 d后，采用注入式工藝，用修補材料對混凝土裂縫在水下進行修補。其中，按比例將各組分材料攪拌均勻后，立即將水下修補材料灌入注射器內，進行水下裂縫修補操作。修補后將混凝土置于20 ℃的水中養護。

在水上同步進行以上操作，并將試件置于標準養護室養護;所有修補后的試件繼續養護到相應齡期（7，28 d）后，測試試件的強度。同時，同步成型水下養護的完整混凝土陪伴試件，以作對比。

2 試驗結果與分析

2.1 流動性及抗分散性

試驗采用水膠比為0.45的水泥凈漿，與聚丙烯酰胺（PAM）混合配制漿液，測定凈漿的初始流動度，同時觀察凈漿倒入水中的渾濁情況，測定水泥流失量和pH值，以評價水泥漿液的水下抗分散性，結果見表3。從表3中可以看出，在不添加減水劑的條件下，水灰比為0.45的水泥凈漿初始流動度為175 mm（樣品A1）。在此基礎上加入0.5%的PAM后，初始流動度即變為100 mm，凈漿幾乎不流動（樣品A2）。PAM的絮凝作用較強，摻量僅為0.5%時，漿液便具有較好的水下抗分散性，但水下修補材料需要同時具有良好的流動性，因此需與聚羧酸高效減水劑配合使用，以改善凈漿的流動度。

減水劑摻量設定為0.7%，配制漿液并測試其流動度和水下抗分散性，結果如表3及圖2～3所示。試驗結果證明：聚羧酸高效減水劑可明顯增加凈漿的初始流動度，在不摻PAM的情況下，摻入減水劑后初始流動度大大增加，超出了測試初始流動度所用的玻璃板（500 mm×500 mm）（樣品B1）。PAM摻量為0.1%時，摻入聚羧酸高效減水劑后，初始流動度為201 mm，其流動性較好，但黏稠性較差，導致其水下抗分散性較差，漿液在下落過程中出現明顯渾濁，水泥流失量也不能滿足DL/T 5117-2000的技術要求（樣品B2）。 PAM摻量增加到0.2%時，初始流動度為192 mm，此時水下抗分散性略有提高，漿液在下落過程中出現輕微渾濁（樣品B2）。繼續增加PAM的摻量至0.3%時，初始流動度為175 mm，水下抗分散性也較好，水泥流失量和pH值均能滿足DL/T 5117-2000的技術要求（樣品B3）。而當PAM的摻量增加至1.0%時，其增稠作用已十分明顯，以至于凈漿失去了流動能力（樣品B6）。

本次試驗致力于得到流動性和水下抗分散性均較好的水下修補材料，因此，取B4組凈漿配合比為下一步試驗的初始凈漿配合比，其水泥流失量為1.0%，在水中自由落下后pH值為7.5，水下抗分散性滿足DL/T 5117-2000的相關技術要求，其流動度為175 mm，具有較好的流動性以充分填充裂縫空隙。

2.2 凝結性能

為滿足不同工程的施工要求，需制備出凝結時間可調的水下裂縫修補材料。因此，在修補材料體系中加入速凝劑，以縮短水泥的凝結時間，加速水泥的凝結硬化過程。本次試驗共使用了2種速凝劑分別為東營市宏福建筑外加劑廠生產的混凝土粉狀速凝劑和江蘇博特生產的SBT -N（I）液體速凝劑。

表4及圖4～5為不同摻量粉狀速凝劑、SBT -N（I）液體速凝劑對不同水下修補材料體系凝結時間的影響。由試驗結果可知：兩種速凝劑都能明顯縮短凈漿體系的凝結時間，并且摻量越大效果越明顯。通過調整粉狀速凝劑的摻量，使其摻量在0～8%的范圍內變動時，修補材料的水上初凝時間可控制在18～48 min范圍內，水上終凝時間可控制在34～86 min范圍內;通過調整SBT -N（I）液體速凝劑的摻量，使其摻量在0～8%的范圍內變動時，修補材料的水上初凝時間可控制在20～48 min范圍內，水上終凝時間可控制在33～86 min范圍內，水上與水下的凝結時間差異均較小。通過觀察，摻速凝劑后修補材料的水下抗分散性均較好，流動度均有所下降，且隨著速凝劑摻量的增加而逐漸減小，摻SBT -N（I）液體速凝劑的修補材料的流動性優于摻粉狀速凝劑。

2.3 力學性能

2.3.1 抗壓強度

不同粉狀速凝劑、SBT -N（I）液體速凝劑摻量下修補材料的抗壓強度見圖6～7。由試驗結果可知：修補材料具有早強的特性，20 ℃水養條件下，1 d抗壓強度可達11.0～18.7 MPa。隨著粉狀速凝劑摻量增加，水下修補材料的抗壓強度整體呈現逐漸

增大的趨勢，20 ℃水養條件下，摻8%粉狀速凝劑的修補材料的28 d抗壓強度相對于未摻速凝劑的修補材料來說，從22.4 MPa增加到25.8 MPa。隨著SBT -N（I）液體速凝劑摻量增加，水下修補材料的抗壓強度逐漸減小，20 ℃水養條件下，摻8%液體速凝劑的修補材料的28 d抗壓強度相對于未摻速凝劑的修補材料來說，從22.4 MPa減小到16.9 MPa。標準養護與20 ℃水養的抗壓強度差異均較小。

2.3.2 黏結強度

由表5中的試驗結果可見，不同配比的水下修補材料均具有一定的黏結抗拉強度。摻入粉狀速凝劑可提高修補材料的黏結抗拉強度，摻入8%的粉狀速凝劑后，其3 d黏結抗拉強度從0.86 MPa升高至1.01 MPa;摻入SBT -N（I）液體速凝劑可降低修補材料的黏結抗拉強度，摻入8%的SBT -N（I）液體速凝劑使其3 d黏結抗拉強度從0.86 MPa降低至0.47 MPa。

2.4 混凝土水下裂縫修補室內試驗

采用鋼板插拔法模擬不同寬度（2，10 mm）的裂縫，縫深均為10 mm，選用B4組配比的修補材料進行混凝土水下裂縫修補試驗。由試驗結果可知：沒有使用水下修補材料的空白試件，其7 d和28 d的抗壓強度均相對較低，其中2 mm裂縫和10 mm裂縫的空白混凝土試件其28 d水下抗壓強度分別為28.1 MPa 和27.5 MPa，低于完整混凝土試件（32.0 MPa）。而采用B4配比的修補材料進行水下修補后，其28 d水下抗壓強度分別為31.5 MPa 和31.2 MPa，均只略低于完整混凝土試件（32.0 MPa），說明所配制的修補材料對兩種寬度的裂縫均具有良好的裂縫修補能力，且水上和水下的抗壓強度差距較小。此外，在混凝土水下修補試驗中發現，修補材料的注入效果較好，在水下不易分散，同時也證明了修補材料具有較好的水下抗分散性。

2.5 快凝早強機理分析

采用X射線衍射技術（XRD）分析B4、C3組配比水泥漿體在不同水化齡期（1，3 d和28 d）的水化產物，XRD圖譜見圖8。從圖中可以看出：主要水化產物為鈣釩石（AFt），此外，能檢測到的物質還包括硫鋁酸鈣和C2S，XRD圖譜底部的彌散峰表明水化產物中C-S-H凝膠、鋁膠等存在的可能性[21]。水泥樣品中沒有發現Ca（OH）2的衍射峰，有可能是水化過程中生成的氫氧化鈣相參與水化反應又被消耗掉。水泥凈漿的水化較快，在初期即水化生成較多鈣礬石，這是水下修補材料具有快凝早強性能的主要原因。此外，隨著齡期的增長，形成的鈣礬石的衍射峰依次增強，生成的鈣礬石逐漸增多，其水化進程大體如下式所示：

C4A3S +2CS H2+34H→C3A·3CS ·H32+2AH3（gel）? （2）

C3A·3CS ·H32→C3A·CS ·H12+2CS H2+16H （3）

C2S+2H→C-S-H（gel）+CH （4）

XRD圖譜中，摻粉狀速凝劑的PAM水泥凈漿（C3）相比較未摻粉狀速凝劑的PAM水泥凈漿（B4）來說，衍射峰的強度明顯增強，這是因為粉狀速凝劑的加入使水泥的水化速度加快，從而提高了鈣礬石的生成速度。

3 結 論

（1） 以流動度和水下抗分散性為首要設計指標，確定水下修補材料的初始凈漿配合比（B4組）如下：水灰比0.45，減水劑摻量0.7%，PAM摻量0.3%。此時修補材料具有良好的水下抗分散性，且流動性較好。

（2） 在B4組配比的基礎上摻入粉狀速凝劑或SBT -N（I）液體速凝劑，均能明顯縮短凈漿體系的凝結時間;摻入粉狀速凝劑可提高水下修補材料的抗壓強度，而SBT -N（I）液體速凝劑則使水下修補材料的抗壓強度有所降低。

（3） 混凝土水下裂縫修補室內試驗證明，所配制的水下修補材料對2，10 mm寬的混凝土裂縫均具有良好的裂縫修補能力，修補后的混凝土抗壓強度均只略低于完整混凝土試件。

（4） 研制的新型環保修補材料流動性較好、水下抗分散性優異、凝結時間可調、強度適中、黏結性能良好，有望用于混凝土水下裂縫的快速修補。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

彭子凌，李響，陳霞，等.混凝土水下裂縫快速修補環保材料試驗研究

[J].人民長江，2021，52（8）：208-213.

Experimental study on environment-friendly rapid repair materials

for underwater concrete cracks

PENG Ziling，LI Xiang，CHEN Xia，LI Yang，ZHOU Xian

（ Research Center of Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Underwater concrete cracks are difficult to repair as they are in a saturated environment constantly.Therefore，it is of great significance to develop a repair material suitable for underwater construction.To this end，a new type of environment-friendly cement-based underwater rapid repair material was developed by using rapidly solidification sulphoaluminate cement as the main cementing material and PAM as the flocculating agent.The core components and proportion of the repair material were initially determined taking underwater anti-dispersibility and fluidity as the primary design indicators，and the setting time，mechanical properties and bonding properties of the repair material were studied.In addition，the steel plate insertion method was used to imitate the concrete cracks，and the mechanical properties of the repaired concrete were studied.Meanwhile，the fast setting mechanism was analyzed by means of X-ray diffraction （XRD）.The results show that the new type of environment-friendly repair materials has good fluidity，excellent underwater anti-dispersibility，adjustable setting time，moderate strength and good bonding behavior，which is expected to applied in the rapid repairing for underwater concrete cracks.

Key words：

underwater repair material;concrete crack;rapidly solidification sulphoaluminate cement;underwater anti-dispersibility