含水率對水工混凝土修補材料工程性能影響研究

魏俊鵬，廖興惠

(江西贛禹工程建設有限公司，江西 南昌 330200)

在河流水的持續沖刷以及其他環境因素的影響下，我國水利工程尤其是早期修建的小型水利工程出現了較多的混凝土結構開裂問題，嚴重影響了水利工程的長期安全性[1-3]。因此，開展如何解決水利工程混凝土結構開裂問題的研究非常重要。

水利工程抗沖磨修補材料是解決水利工程混凝土結構開裂問題的重要手段，而抗沖磨修補材料的黏結性能是影響其修補效果的重要因素[4-5]。一般而言，影響修補材料黏結性能的因素較多，如修補材料的配比、混凝土的強度等級、修補材料的養護試件、修補材料的養護溫度以及混凝土裂縫的參數等，因此在制備和應用修補材料的過程中，需要綜合考慮修補材料的力學特性、流動性以及凝結時間等因素[6-8]。胡超等[9]基于室內試驗研究，初步確定可應用于高流速條件下引水隧洞混凝土修補的抗沖刷型材料及其之內的方法；進一步將該材料應用到四川省某水電站泄洪洞流道混凝土修補工作中，取得了良好的修補效果。此外，洪振國等[10]制備了一種新型(NE-Ⅱ型)環氧砂漿修補材料，并基于室內試驗，驗證了該材料具備抗沖磨性能強、強度高、抗碳化性能及耐久性能好等特殊優勢，適合在我國高速水流沖刷、泥沙磨損嚴重等情況存在的地區進行水利工程推廣應用。

綜上所述，現有研究很少考慮到基礎混凝土的含水率對修補材料力學性能的影響，然而，基礎混凝土含水率對修補材料的黏結性能有著很明顯的影響。因此，文章基于室內實驗，深入研究了含水率對修補材料黏結性能的影響；進一步基于微觀試驗，深入探討了含水率影響修補材料黏結性能的內在機理。

1 試驗設計

1.1 試樣制備

為研究含水率對環氧砂漿修補材料在水利工程混凝土結構修復效能的影響，本次試驗首先取多組水利工程基礎混凝土并將其放在水中浸泡不同的時間，最后得到四組不同含水率的混凝土試樣，且控制其含水率分別為0%、1%、2%、3%以及4%。之后，再利用產自四川省攀枝花市某化工產品有限公司的抗沖磨環氧樹脂修補材料對混凝土進行黏結。先將兩塊基礎混凝土膠結界面涂抹一定厚度的修補材料后迅速將其接攏，然后在室溫條件下養護28d。

1.2 試驗設計

為研究不同含水率條件下環氧砂漿修復材料對混凝土試件的黏結性能，室內利用YAW-2000型萬能試驗機對不同含水率條件下的組合試件展開劈拉強度試驗和抗剪強度試驗。在試驗過程中，首先以1kN的力對混凝土進行預壓至試樣穩定后，以0.1mm/min的加載速率進行加載，直至試樣破壞。此外，為研究環氧砂漿修補材料修復混凝土結構的微觀機理并深入探討含水量的影響，對不同含水率下的組合試件展開了微觀電鏡掃描試驗。

2 試驗結果分析

2.1 抗剪強度

圖1為不同含水率條件下組合試件抗剪強度變化曲線，由圖可知，組合試件的抗剪強度隨含水率增大而逐漸減小，這與組合試件劈拉強度隨含水率增長的變化規律基本一致。當含水率為0%時，組合試件的抗剪強度為9.12MPa；此后，隨著含水率的逐漸增大，組合試件的抗剪強度分別為8.72、8.25、7.91以及7.53MPa，水對組合試件的抗剪強度有著明顯的劣化效應。基于現有研究以及本試驗觀察結果，認為主要原因有如下2點：①含水率過高會在膠結界面形成水分子膜，破壞了環氧樹脂的結構；②含水率過高會導致混凝土表面裂縫和微小凹槽被水分填充，修補材料不能有效滲入混凝土界面內部進行有效膠結。進一步對二者之間的關系進行擬合，發現組合試件的抗剪強度與含水率成負線性函數關系；線性相關系數R2=0.9966，擬合效果良好。

圖1 不同含水率下組合試件抗剪強度

2.2 劈拉強度

基于室內劈拉試驗，得到不同含水率條件下混凝土-修補材料-混凝土組合試件的界面劈拉強度見表1。由此可知，組合試件的劈拉強度隨材料含水率的增大逐漸降低，其黏結強度逐漸減弱。當含水率為0%時，組合試件的劈拉強度最大，此時其強度為3.29MPa；當含水率為4%時，組合試件的劈拉強度僅達到2.58MPa，相較于0%含水率組試樣其強度降低21.58%，組合試件的力學性質明顯劣化。分析認為，隨著組合試件中含水率的不斷增大，在混凝土-修補材料膠結界面處黏附了大量的細小水分子。細小水分子在混凝土表面形成了一層水膜，而環氧砂漿修復材料與水分膜不能互溶，因此減弱了環氧砂漿對混凝土黏結性，組合試件的劈拉強度降低；此外，長時間影響下，大量水分子會滲入修補材料進而破壞環氧樹脂中的氫鍵，導致修補材料的黏結性能降低，因此組合試件的劈拉強度進一步降低。

表1 不同含水率條件下組合試件劈拉強度

2.3 SEM電鏡掃描結果

不同含水率下組合試件膠結界面的微觀電鏡掃描結果如圖2所示，受限于文章篇幅，文章選取了含水率為0%、2%和4%條件下的界面微觀電鏡掃描試驗結果。對比圖2中三種不同含水率條件下的界面微觀情況可知，當組合試件中含水率為0%時，黏結效果最佳，黏合效果最好；隨著組合試件中含水率的增加，混凝土-修補材料膠結界面的孔隙、裂縫增加，且界面處環氧樹脂結構強度變弱，黏結效果逐漸變差。此外，當含水率較大、膠結界面孔隙變多時，水分子會填充膠結界面上的孔隙，阻礙了修補材料和混凝土的結合。綜上所述，基于微觀電鏡掃描試驗得到的微觀形貌圖，有力地解釋了組合試件劈拉強度和抗剪強度隨含水率增大而逐漸減小的微觀機理。

圖2 不同組合試件微觀結構掃描圖

3 結論

(1)組合試件的劈拉強度隨含水率的增大逐漸降低。當含水率為0%時，組合試件的劈拉強度最大，為3.29MPa；當含水率為4%時，組合試件的劈拉強度僅達到2.58MPa，相較于0%含水率組試樣強度降低21.58%。

(2)組合試件的抗剪強度與含水率成負線性函數關系，當含水率為0%時，組合試件的抗剪強度為9.12MPa；此后，隨著含水率的逐漸增大，組合試件的抗剪強度分別為8.72、8.25、7.91以及7.53MPa。

(3)文章僅研究了含水率對組合試件黏結性能的影響，而未能考慮界面粗糙度、固結溫度等重要因素，因此，下一步應當展開更加全面的試驗研究。