黃河涵閘加固中丙乳砂漿抗裂性能研究及應用

段淑倩，曹 備，史立明，張 甲，李 儒

（1.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001；2.河南省城鄉規劃設計研究總院有限公司，河南 鄭州 450044；3.陜西省公共資源交易中心，陜西 西安 710000；4.聊城黃河河務局 莘縣黃河河務局，山東 莘縣 252400；5.聊城市安泰黃河水利工程維修養護有限公司，山東 聊城 252000）

1 引 言

黃河涵閘工程在水資源優化配置與防洪減災中有著舉足輕重的地位和作用，然而大部分涵閘建成年代相對較早，且鑒于歷史原因，某些涵閘存在老化失修嚴重和工程管理落后等問題，使其出現混凝土表面劣化開裂、結構整體變位等安全隱患，嚴重威脅黃河防洪安全，這使得涵閘除險加固的重要性日益凸顯，并成為減輕涵閘病害、恢復其功能的重要手段［1］。目前涵閘除險加固重點之一是涵閘護面老化混凝土開裂修復，雖已有成效，但仍存在工法欠缺、技術不全面、參考數據較少的問題［1-2］，尤其是在黃河流域水沙環境及華東地區不確定氣候因素的雙重影響下，需進一步探究。

近年來，丙乳砂漿作為新型水泥砂漿的一種，無毒、無害、無污染，以其優良的抗滲性、黏結能力和抗拉性能，被廣泛應用于老化混凝土工程修補和水工建筑物滲漏防治中。然而，在施工中發現，丙乳砂漿作為剛性防水層，在丙乳成膜固化和水泥水化硬化過程中會產生較大收縮變形，使得收縮拉應力超過其抗拉強度，加之養護條件控制的缺失及標準施工工法的缺乏，護面加固后仍會出現龜裂現象。如何提高丙乳砂漿的抗裂性能，并進一步規范其施工工法標準，最大限度地減少涵閘除險加固中丙乳砂漿護面的干縮龜裂，成為亟待解決的關鍵問題。

目前，關于丙乳砂漿抗裂性能和護面龜裂主要原因的研究已取得一定進展，認為丙乳砂漿龜裂主要是凝結收縮應力超過其抗拉強度所致，研究主要集中于水灰比、聚灰比、細集料種類等變化對丙乳砂漿力學性能（如自由收縮變形、抗壓強度、抗折強度等）的影響［3-13］，或僅涉及水泥品種、纖維摻量、相對濕度、養護齡期和溫度的某一種對砂漿干縮性能的影響［9，14-18］。然而，工程實際中，丙乳砂漿所處環境不盡相同，存在其特殊性，而不同研究中各因素對其抗裂性能的影響并不統一，且未針對特定工程給出特定影響關系，比如丙乳砂漿施工（養護）的溫度、濕度、時間周期的控制范圍等。在丙乳砂漿應用于水工混凝土建筑物護面的除險加固和開裂控制措施研究方面，雖然學者們已給出水庫、大壩、涵閘等水工混凝土建筑物老化加固處理的相關工程實例［19-33］，但研究內容多涉及丙乳砂漿加固的具體施工，介紹相對簡單，且未結合室內和現場試驗結果給出更加定量化的丙乳砂漿防龜裂建議方法和施工工藝基準。

雖然前人研究成果可為黃河涵閘加固中丙乳砂漿抗裂性能研究及應用提供借鑒，但鑒于黃河涵閘加固工程水沙環境和氣候條件的特殊性，丙乳砂漿護面施工工藝并無大量相對成熟經驗可循，丙乳砂漿抗裂性能尚不清晰，從而限制了黃河涵閘丙乳砂漿護面加固措施的研究與推廣。筆者以上述問題為切入點，以金堤河干流治理工程（山東段）東池閘除險加固工程為依托，通過試驗，揭示配合比和施工養護條件（養護溫度、濕度和時間）對丙乳砂漿抗裂性能的影響規律，并結合現場施工探究合理的抗裂措施，對丙乳砂漿護面防龜裂施工工藝及抗裂參數進行規律性總結和分析，為今后涵閘丙乳砂漿護面施工提供參考數據和依據。

2 東池閘概況及其工程病害

山東省聊城市莘縣河務局所轄的東池閘始建于1979年3月，為單孔混凝土涵洞式涵閘，運行至今已近40 a，在空氣、負荷、凍融、風、雨和雪的長期作用下，已呈現出各種老化病害，嚴重影響其安全性、適用性和耐久性。特別地，鑒于水流沖擊力強、水流含沙量大、風浪、冰凌撞擊及水中有機物侵蝕等，閘墩墩頭及洞身表面出現了混凝土碳化和鋼筋銹蝕、混凝土表面剝蝕破壞、開裂和泥沙淤積等問題。此涵閘被評定為三類閘，須立即采取除險加固措施對涵閘護面修復加固。值得注意的是，該加固工程涉及的泄洪洞泄流量較大，最大流速達到25 m／s，水流沖擊力強，對混凝土磨蝕嚴重，這對修復材料的黏結、抗裂、耐磨、耐老化和環保等性能有更高要求。因此，在采用丙乳砂漿進行涵閘病害部位修復處理時，應避免出現局部開裂和龜裂現象，而這應建立于對丙乳砂漿抗裂性能及修復控制的深刻理解之上。

3 室內試驗原料和方法

3.1 試驗原料和配合比

原材料包括莘縣山水水泥有限公司生產的P.O42.5水泥、東平湖的偏細砂、上?？颇虏牧峡萍加邢薰旧a的聚丙烯酸酯乳液和地下水?；诜浪こ坛Ｓ门浜媳龋⒔Y合現場施工條件進行試配，初步選定滿足要求的3種配合比用于力學性能的對比分析，流動度的測定基于《水泥膠砂流動度測定方法》（GB／T 2419—2005）進行。配合比見表1。

3.2 試驗方法

將制備并標準養護后的不同配合比丙乳砂漿試件進行力學強度測定，其中抗折、抗壓強度按《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB／T 17671—1999）測定，黏結強度依據《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》（DL／T 5126—2001）測定，對比分析后，確定適用于東池閘護面修復的具有良好工作性能的配合比。

將選定配合比的丙乳砂漿制模成型，置于標準養護箱（溫度控制在20℃±3℃，相對濕度為95%以上）養護，48 h后脫模。研究不同養護溫度、時間和濕度對丙乳砂漿抗裂性能的影響，每個影響因素制備3個試件。養護試驗后參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ／T 70—2009）確定平均干縮率，具體如下。

（1）不同養護溫度。對脫模后的試件測定初始長度后，分別置于10、20、40℃溫度下進行養護，分別測定齡期7、14、21、28、35 d試件的長度，并計算干縮率。

（2）不同養護齡期。對脫模后的試件置于水中分別養護1、2、4 d后取出，將試件表面擦拭干凈并測量初始長度，然后放入溫度為20℃、相對濕度為（60±5）%的恒溫養護箱中養護35 d，計算干縮率。

（3）不同養護濕度。測定脫模后試件的初始長度后，將試件置于溫度為20℃，相對濕度分別為40%、75%、90%的恒溫恒濕控制箱中養護35 d，計算干縮率。

4 室內試驗結果

4.1 力學參數

表2給出了不同配合比丙乳砂漿的抗壓強度、抗折強度、壓折比和黏結強度。抗壓強度可反映砂漿承載能力；抗折強度可反映砂漿單位面積承受彎矩的極限折斷應力，其測試比抗拉強度的便捷，可間接反映砂漿的抗拉強度；壓折比可反映丙乳砂漿的韌性，壓折比越小，表明韌性越好、抗裂性能愈佳。丙乳砂漿黏結界面兩側不協調的收縮變形和水膜層的存在，往往導致界面結構疏松并產生內應力，因而修補材料與原護面的黏結強度也是涵閘修復加固的關鍵。從表2可知：

表2 不同配合比丙乳砂漿力學強度

（1）砂漿的抗壓強度隨著丙乳摻量的增大而降低，聚灰比為14%和19%的砂漿抗壓強度分別比聚灰比為10%的砂漿抗壓強度降低了7%和18%。而此時隨著聚灰比的增大，水灰比逐漸減小，可見二者變化對抗壓強度的影響是相反的。由于丙乳本身韌性較好，且具有引氣效應和成膜效應，丙乳摻量的增大在一定程度上造成砂漿密實性、原有離子鍵力和剛性減小，因此對抗壓強度沒有改善［6］。

（2）砂漿的抗折強度均隨丙乳摻量的增加而提高，而壓折比逐步降低，聚灰比為14%和19%的砂漿抗折強度分別比聚灰比為10%的砂漿抗折強度提高了9%和13%，壓折比則分別降低了約14%和28%。這說明丙乳摻量的增大能有效改善砂漿的抗折強度，原因主要是摻入丙乳具有顯著的減水效果，而形成的連續丙乳膜與水泥水化物交織形成“微纖維”［10］，有利于砂漿抗裂性能的提高。

（3）在丙乳摻量10%～20%范圍內，隨著聚灰比增大，砂漿黏結強度提高。原因是丙乳本身有黏性，且分子擴散能力強，可有效滲入原混凝土護面孔隙中，在修補界面處形成較好的連接柔性層［8］，從而增強了黏結性能。

因此，丙乳摻量的增大和水灰比的減小可顯著改善丙乳砂漿的抗裂性能。綜合考慮丙乳砂漿的和易性、韌性、黏結強度、抗壓強度及現場施工條件，選定2號配合比（聚灰比14%、水灰比31%）作為現場試驗和后續養護試驗的配合比。

4.2 養護條件對丙乳砂漿干縮率的影響

（1）養護溫度T對干縮率的影響。圖1為不同養護溫度下丙乳砂漿干縮率隨齡期的變化曲線。不同養護溫度下砂漿干縮率皆在0～14 d齡期內增長迅速，在28 d時基本達到穩定，呈二項式增長趨勢。養護溫度對丙乳砂漿干縮性能影響較大，40℃養護溫度下，干縮率明顯降低，在28 d和35 d齡期時，其干縮率比10℃養護干縮率降低近17%。原因是較高溫養護條件下，丙乳砂漿中丙乳和硅酸鹽聚合度提高，使得砂漿中氫鍵以自由水形式釋放，凝膠泥石抵抗變形能力增強，相應干縮率降低［34-35］。

圖1 不同養護溫度T下丙乳砂漿干縮率隨齡期的變化曲線

（2）初始養護時間t對干縮率的影響。圖2為不同初始養護時間下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線?？芍?，初始養護時間的延長會導致丙乳砂漿收縮率小幅增大，但增幅不明顯，1、2、4 d初始養護時間下砂漿干縮率隨齡期的增長趨勢基本一致。雖然初始養護時間對干縮率影響不顯著，但初始養護時間過度延長，會促使水泥水化程度提高和水化產物增多，從而導致干縮率增大，因此丙乳砂漿的初期養護時間仍需控制。

圖2 不同初始養護時間t下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線

（3）養護濕度ρ對干縮率的影響。圖3為不同養護濕度下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線?？芍?，不同養護濕度下砂漿干縮率隨齡期的增加趨勢與養護溫度基本一致（二項式增長），且丙乳砂漿的干縮率在各齡期隨濕度升高均明顯減小，濕度對前期干縮率影響程度更大。相對于養護濕度為40%時的干縮率，養護濕度為90%時干縮率降幅較大，齡期7、14、21、28、35 d時砂漿干縮率分別降低約60%、47%、43%、41%、38%。

圖3 不同養護濕度ρ下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線

5 現場試驗及應用

5.1 抗裂性能試驗對涵閘護面修復的指導意義

由上文可知，配合比和養護條件對丙乳砂漿干縮開裂影響顯著，影響程度依次為養護濕度、養護溫度和初始養護時間。進行涵閘護面修復時，丙乳砂漿配合比可參照試驗所得最佳配合比，施工養護可按如下措施控制：①濕度控制。養護濕度增大造成干縮率減小，建議施工中養護濕度盡量控制在80%以上，尤其是前期應考慮采用多種保濕措施。②溫度控制。丙乳砂漿養護溫度＞20℃后，收縮率隨養護溫度上升逐漸減小，建議結合施工許可程度，將施工及養護溫度控制在30℃±5℃。③時間控制。干燥前養護時間增加造成的干縮影響不太明顯，建議施工過程中，初始養護時間維持在1～3 d。

各養護條件下養護前期對丙乳砂漿的干縮影響程度皆大于后期的，因此對丙乳砂漿的早期養護極為重要，可有效控制其早期收縮裂縫。

5.2 東池閘護面加固施工工藝改良

結合試驗結果和現場施工遇到的問題，在對東池閘現場護面加固過程中，對丙乳砂漿施工工藝進行動態調控與改良，主要措施如下。

（1）原材料改良。結合防水工程要求和試驗結果對丙乳砂漿配合比進一步優化（聚灰比14%，水灰比31%），控制砂漿攪拌時間（5～8 min）和使用時間（1～2 h），使砂漿具有良好的和易性及強度，以最大程度降低原材料自身對砂漿抗裂性能的影響。

（2）刷漿方式改良。病害混凝土基面原凈漿涂抹打底改為甩漿法，且掛漿由一次性施工改為分兩層（整平層和加強罩面層）施工，以增強丙乳砂漿與結合面的附著力和黏結力。

（3）施工工序改良。由大面積施工改為對每節閘洞進行施工單元塊劃分，以免因施工凝結時間的不一致而造成收縮裂縫。

（4）養護改良。采用5.1節建議的施工養護措施，對于溫度控制，加強養護周期內氣溫的監控，抹面后及時覆膜，閘洞口懸掛棉簾并利用電暖扇進行增溫；對于濕度控制，采用噴霧覆膜手段保濕3 d，同時閘洞口掛簾保濕，3 d后灑水保濕，7 d后定時灑水自然干燥，避免忽干忽濕和強風過洞。

（5）加強動態觀測。對施工期、標準養護期和干燥養護期的溫度、濕度和丙乳砂漿護面潮濕情況進行動態監測，以實現施工工藝的適時調整。

改良后的丙乳砂漿護面關鍵施工工藝和參數可控度高，操作性強，在東池閘除險加固工程中應用效果顯著，自2016年年底至今（含冬季）觀測護面無明顯龜裂現象。2017年改良后的丙乳砂漿護面施工工藝再次成功應用于山東東平湖林辛分洪閘除險加固工程，應用面積9 700 m2，取得了顯著的社會經濟效益。

6 結 論

（1）丙乳摻量的增大和水灰比的減小可顯著改善丙乳砂漿的抗裂性能，表現為丙乳砂漿抗折強度增大、壓折比減小、韌性和黏結強度增大，但抗壓強度沒有明顯提高。基于此并結合防水工程要求，實現了對丙乳砂漿配合比的進一步優化（聚灰比14%，水灰比31%）。

（2）養護濕度和養護溫度的提高對丙乳砂漿抗干裂性能影響顯著，而初始養護時間對其影響不明顯。不同養護條件下丙乳砂漿干縮率皆在0～14 d齡期內迅速增大，在28 d齡期時基本達到穩定，因此對丙乳砂漿的早期養護極為重要。

（3）基于室內抗裂性能試驗，給出黃河水沙條件下涵閘護面加固過程中溫度、濕度和齡期施工參數的控制范圍和限值。

（4）實現了適用于黃河涵閘護面丙乳砂漿施工工藝的動態改良與實時調控，規范了丙乳砂漿的施工順序、工藝和參數選取，使丙乳砂漿護面龜裂問題得到了有效解決，延長了涵閘使用壽命。