引水隧洞混凝土裂縫修補后抗侵蝕性分析

夏侯唐鵬，張金海，魏東風

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000)

1 概 述

目前，水工隧洞建設主要采用盾構法施工、混凝土管片拼接的方式進行。但混凝土管片在生產、運輸、使用過程中會產生裂縫，因而對裂縫的修復需要進一步的研究，以探究修復后的材料性能。

修復材料分為有機材料和無機材料兩種[1]，其中有機材料主要采用環氧樹脂，可以有效提高修復性能[2]。許多學者對修復材料進行了研究。如王建輝等[3]使用聚氨酯修補混凝土，對比了修復體與原混凝土材料的抗壓、抗拉性能，研究結果表明聚氨酯具有較好的修復效果。葉嬌鳳[4]使用新的材料配比得到一種力學性能、化學性能均較好的有機混凝土修復材料，并將該材料運用于實際工程中進行驗證，結果表明該材料力學性能較好。馮英杰、張澤洲[5]以混凝土黏結理論為基礎，分析了壓力注漿在混凝土修復之后，對混凝土力學性能影響。李軍等[6]分析了水下混凝土裂縫的修復，闡述了表面修復性能、裂縫內部修復的兩種修復效果，并進一步提出水下仿生自愈合混凝土修復的修復效果。曹征良等[7]闡述了混凝土材料受硫酸鹽侵蝕過程與破壞機理，通過試驗，研究了浸泡、干濕交替、溶液pH值、質量分數和溫度對侵蝕過程的影響，進一步提出了混凝土材料的修復。唐春平[8]結合試驗，研究了混凝土表面不同濕態、養護條件、基材種類、界面處理4種環境因素對磷酸鹽修補材料黏結強度的影響。

基于已有的研究成果，本文采用室內試驗的方法，探究不同修復材料、不同混凝土結構組合體系在不同侵蝕環境下的抗劣化性能。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

本試驗中使用的材料主要包括：普通硅酸鹽水泥、粗骨料(粒徑范圍為5.0～20.0 mm的碎石)、細骨料(細度模數為2.30的河沙)、Ⅰ級抗裂纖維、聚羧酸高效減水劑、Ⅰ級粉煤灰、自來水。

本研究中使用的修補材料主要為自制研發的R型修補材料，其力學性能見表1。并對比修復材料采用E-51環氧樹脂(簡稱E型材料)。

表1 R型修補材料的力學性能

2.2 試驗配比

本研究中，混凝土管片共有3種類型，分別為C50混凝土管片(混凝土材料為C50等級)、PFC50混凝土管片(混凝土材料為C50等級并摻加聚丙烯纖維)、C60混凝土管片(混凝土材料為C60等級)，不同類型混凝土管片材料配比見表2，不同類型混凝土管片力學性能見表3。修補材料中，添加固化劑、稀釋劑、流化劑，混合材料中4種材料配比為1∶0.13∶0.1∶0.05，修補材料及混凝土原材料示意圖見圖1。圖1中，混凝土材料為Φ100 mm×50 mm。試驗分為兩組，一組采用5%的Na2SO4浸泡，另一組采用未浸泡的試件。

表2 不同類型混凝土管片材料配比 /kg·m-3

表3 不同類型混凝土管片力學性能

圖1 修復材料示意圖(單位：mm)

3 結果與分析

3.1 抗氯侵蝕

混凝土抗氯侵蝕主要是通過NEL型氯離子測試系統，測量用電通量、擴散系數兩項指標，進而確定混凝土的抗氯鹽侵蝕的性能。通過測試，得到不同修復材料(R型修補材料、E型材料)、不同混凝土(C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片)組合下的用電通量、擴散系數。圖2為用電通量的變化圖，圖3為擴散系數的變化圖。

圖2 用電通量變化圖

圖3 擴散系數變化圖

分析圖2、圖3中的數據可以發現，不同修復材料、不同混凝土組合下的體系用電通量、擴散系數有所不同。

對于使用R型修補材料修補的混凝土，C50混凝土管片的擴散系數相較于原混凝土管片降低7.64%，PFC 50混凝土管片的擴散系數相較于原混凝土管片降低9.35%，C60混凝土管片的擴散系數相較于原混凝土管片降低10.10%。對于使用E型修補材料修補的混凝土，C50混凝土管片的擴散系數相較于原混凝土管片降低15.62%，PFC 50混凝土管片的擴散系數相較于原混凝土管片降低2.77%，C60混凝土管片的擴散系數相較于原混凝土管片降低8.67%。

對于使用新型R型材料的修復混凝土管片，混凝土強度等級越高，修復后的混凝土抗氯離子滲透性能越好；混凝土強度等級相同時，添加聚丙烯纖維可以有效提高抗氯離子滲透性能。而對于使用E型材料的修復混凝土管片，混凝土強度等級越高，修復后的混凝土抗氯離子滲透性能反而越差；混凝土強度等級相同時，不添加聚丙烯纖維的修復材料抗氯離子滲透性能較好。

綜合分析，C50混凝土管片使用E型材料修復后抗氯離子滲透性能較好，PFC50混凝土管片及C60混凝土管片使用R型材料修復后抗氯離子滲透性能較好。對于修復材料對混凝土管片修復的微觀機理，GAO等[9]進行了研究，當修復材料與原材料的黏合性能、毛細孔的封堵作用越好時，抗氯離子滲透性能越好。本研究中使用的R型修復材料與原混凝土有較好的黏結性能，當修復材料貼補于混凝土表面時，可以形成較為致密的封閉層，進而阻止氯離子的通過。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕

將不同修復材料、不同混凝土組合體系浸泡在硫酸鹽溶液中，測量其抗壓強度、抗折強度值，然后進行統計，統計結果見圖4、圖5。

圖4 硫酸鹽侵蝕后的混凝土管片抗壓強度

圖5 硫酸鹽侵蝕后的混凝土管片抗折強度

分析圖4中的數據可以發現，對于使用R型修復材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的80.2%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的93.2%，浸泡后的C60混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的88.2%。

對于使用E型修復材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的70.2%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的84.4%，浸泡后的C60混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的95.6%。

綜合分析試驗結果，當使用R型修復材料修復時，混凝土強度等級越高，抗壓強度降低幅度越小，混凝土中摻加聚丙烯纖維可以有效降低混凝土抗壓強度的損失。當使用E型修復材料修復時，其變化規律與使用R型修復材料類似。綜合對比可以發現，對于試件的抗壓強度，C60混凝土管片使用E型材料修復后抗硫酸鹽侵蝕性能較好，PFC50混凝土管片及C50混凝土管片使用R型材料修復后抗硫酸鹽侵蝕性能較好。

分析圖5中的數據可以發現，對于使用R型修復材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗折強度為試驗對照組混凝土管片的68.6%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗折強度為試驗對照組混凝土管片的80.8%，浸泡后的C60混凝土管片的抗折強度為試驗對照組混凝土管片的83.5%。

對于使用E型修復材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗折強度為試驗對照組混凝土管片的59.0%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的77.2%，浸泡后的C60混凝土管片的抗壓強度為試驗對照組混凝土管片的59.3%。

綜合分析試驗結果，對于浸泡在硫酸鹽侵蝕環境下的混凝土管片，當使用R型修復材料修復時，混凝土強度等級越高，抗折強度降低幅度越小，混凝土中摻加聚丙烯纖維可以有效降低混凝土抗折強度的損失。當使用E型修復材料修復時，不同強度等級混凝土抗折強度降低幅度均較大。因而，對于試件的抗折強度的損失，R型材料修復后的C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片抗硫酸鹽侵蝕性能均優于E型材料。

對于修補材料，其自身抗氯離子、硫酸鹽性能侵蝕性能越好，與混凝土管片原機體黏結性能越好，黏結后表面越致密光滑，則抵抗氯離子、硫酸鹽侵入混凝土管片內部的性能越好。

4 結 論

本文采用試驗研究的方法，探究了不同修復材料、不同混凝土組合體系的抗氯離子、硫酸鹽性能侵蝕的性能。通過測量用電通量、擴散系數，表征組合體系的抗氯離子滲透性能；通過測量對比試驗試件的抗壓強度、抗折強度值，表征組合體系的抗硫酸鹽滲透性能。結論如下：

1) C50混凝土管片使用E型材料修復后，抗氯離子滲透性能較好；PFC50混凝土管片及C60混凝土管片使用R型材料修復后，抗氯離子滲透性能較好。

2) 對于試件的抗壓強度，C60混凝土管片使用E型材料修復后，抗硫酸鹽侵蝕性能較好；PFC50混凝土管片及C50混凝土管片使用R型材料修復后，抗硫酸鹽侵蝕性能較好。

3) 對于試件的抗折強度的損失，R型材料修復后的C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片抗硫酸鹽侵蝕性能均優于E型材料。

4) R型修復材料總體修復性能較好，加入聚丙烯纖維可以有效提高混凝土管片的抗氯離子、硫酸鹽性能。