廢棄聚合物在大壩混凝土修復中的應用研究

肖 亮

（江西省吉安市新干縣水庫建設養護中心，江西 吉安 331306）

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 水泥此研究采用符合《通用硅酸鹽水泥》的P.042.5普通硅酸鹽水泥。水泥的物理特性和化學成分表（略）。

1.1.2 骨料

用破碎玄武巖作為制備混凝土粗骨料，其物理特性表（略）。用水洗砂作為制備混凝土細骨料，其物理特性表（略）。

1.1.3 廢棄聚合物

所用的三種廢棄聚合物，分別是粉碎并粘合垃圾袋和塑料袋獲得的低密度聚乙烯（LDPE），粉碎液體除臭劑燒瓶獲得的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），從無用輪胎面回收的天然橡膠纖維（NRF）。三種廢棄聚合物和砂的篩分結果圖（略）。

1.2 混凝土配合比

為了滿足混凝土的良好工作性，對混凝土混合料的配比進行了優化。水膠比設置為0.45，通過調節聚羧酸醚（PCE）高效減水劑的添加量將坍落度控制在（30±10）mm，在混合料中分別添加質量百分比為2.50%、5.00%和7.50%的LDPE、PET 和NRF部分替代細骨料（0%替代率為對照組，編號為S0）。混凝土的配合比詳細信息表（略）。

1.3 抗壓強度和抗拉強度測試

據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，每個編號均制備三個尺寸150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，標準養護條件下于7 d、14 d 和28 d 齡期抗壓強度測試。每個編號均制備三個尺寸為直徑150 mm×高300 mm 的圓柱體試件，28 d 齡期抗拉強度測試。

1.4 抗沖磨性能測試

據《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》，水下法抗沖磨性能分析。澆筑尺寸為直徑300 mm×高100 mm的圓柱體試樣。在相對濕度≥95%和溫度（23±2）℃的養護室中養護28 d后，以0%、2.50%和5.00%（重量百分比）的摻量對三種聚合物的水下侵蝕磨損性能測試。

1.5 現場應用

現場應用中，分別以廢棄聚合物（LDPE、PET 和NRF）2.50%和5.00%的替代率制備混凝土，用于大壩溢洪道表面。

在充分觀察溢洪道的混凝土表層缺陷后，選擇相應的修復點。識別混凝土表面缺陷，并劃定其區域。以尺寸為750 mm×750 mm的范圍作為修復的標準面積。超過750 mm的點，進行矩形修復，保持修復區域不變。這樣，每一種類型的材料的性能都有一個共同的標準。

在修復的區域內使用含有特殊金剛石圓盤的鋸子濕式切割。切割加工后，用機電錘刻蝕加工。利用設備進行初始工作和去除降解材料，直到在混凝土中找到沒有缺陷或空隙的表面。現場混凝土制備使用和試驗過程中相同的程序。利用水的噴射對修復點清洗，清除所有灰塵和被清除材料碎片。

對修復材料和大壩上樣品的抗粘連性的初步研究表明，有必要在干燥的底層表面施加粘性橋。因此使用高粘度的環氧樹脂作為基礎結構的粘合劑。用抹刀把修復混凝土放在基板上，用塔架壓實，以改善接觸，消除密閉氣泡。最后利用金屬板進行的表面處理，保證修復表面光滑。

共在七個不同的點上應用了廢棄聚合物混凝土，根據實驗室研究的混合物，分析了不同廢棄聚合物的特征。這些修復區域的材料性能在整個過程中都得到了分析，包括修復材料與基質的相容性以及邊緣效應和其他缺陷的存在。

2 結果和討論

2.1 抗壓強度

不同聚合物不同摻量的混凝土抗壓強度隨齡期的變化表明，混凝土的抗壓強度測試結果均與廢棄聚合物的添加量成反比。添加三種不同聚合物的混凝土相比，摻入PET的混凝土抗壓強度最大，摻入NRF的混凝土抗壓強度最小。測試表明，廢棄聚合物摻量為2.50%時，混凝土在7、14和28 d齡期的抗壓強度均大于對照組的抗壓強度，說明2.50%的摻量可以優化混凝土抵抗壓縮的能力。當廢棄聚合物摻量為7.50%時，混凝土在7、14 和28 d 齡期的抗壓強度均小于對照組的抗壓強度，在28 d 齡期時，與對照組相比，摻入聚合物的混凝土抗壓強度降低的最為明顯。與S0 相比，LDPE7.5、PET7.5 和NRF7.5 分別降低了26.20%、14.50%和38.80%。

對于這三種聚合物，在混凝土中最合理的摻量為2.50%，其中PET2.5的抗壓性能最好，其次為LDPE2.5和NRF2.5。

2.2 劈裂抗拉強度

不同聚合物不同摻量的混凝土在28 d齡期的劈裂抗拉強度見圖1。從圖中可以看出，混凝土的劈裂抗拉強度和廢棄聚合物的含量以及類型之間沒有任何直接關系。總體而言，對照組混凝土的劈裂抗拉強度為3.38 MPa，廢棄聚合物摻量為2.50%，三種混凝土的劈裂抗拉強度均超過了對照組，以LDPE2.5 最為突出，其28 d 齡期的劈裂抗拉強度達到了3.96 MPa。廢棄聚合物摻量為5%和7.5%時，除了PET，另外兩類混凝土的劈裂抗拉強度均低于對照組，NRF7.5 達到最小值，其28 d齡期的劈裂抗拉強度為2.62 MPa。

圖1 不同聚合物摻量的混凝土28 d齡期抗拉強度圖

纖維增強混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度之間的關系是分析纖維增強混凝土的一個重要因素。對于普通混凝土，劈裂抗拉強度約為抗壓強度的10%。LDPE、PET 和NRF 三種材料的劈裂抗拉強度與抗壓強度的比值均超過了10%。在這種情況下，添加的廢棄聚合物在混凝土中起到了增強作用，阻止了混凝土中裂縫的擴展。

2.3 抗沖磨性能

文章測試了對照組以及廢棄聚合物摻量為2.50%和5%的混凝土利用水下法沖刷72 h的磨損情況。不同聚合物不同摻量的混凝土的質量損失見圖2。可以看出，摻入2.50%廢棄聚合物的混凝土質量損失均大于對照組，而在廢棄聚合物摻量為5%時，摻入PET 和LDPE 的混凝土質量損失較小，表現出良好的抗沖磨性能。

圖2 不同聚合物不同摻量的混凝土的質量損失圖

對于三種不同的聚合物，其抗沖磨性能依次為LDPE、PET、NRF。這一結果可歸因于聚合物的形狀、質地和彈性模量。平均粒徑小于0.40 mm 的LDPE 抗沖磨性能最佳，LDPE5的質量損失僅為3.92%。NRF的抗沖磨性能最差，NRF2.5的質量損失達到了8.46%。這可能是由于NRF的開口孔隙較多，導致其吸水率較高，平均抗壓強度較小，破裂過程大多發生在“水泥漿-纖維”界面。

2.4 現場應用結果

摻入廢棄聚合物的混凝土在作為修復材料應用于大壩溢洪道表面時沒有出現任何技術問題。廢棄聚合物的摻入降低了混凝土的和易性，這種減少已經通過高效減水劑得以糾正，在現場使用的所有混凝土，坍落度均控制在（30±10）mm。

粘性橋使用了基于高粘度環氧樹脂的結構粘合劑，最初的幾個小時內，粘性橋是增加舊混凝土（底層）和新混凝土（修復材料）之間粘性的關鍵因素。

在大壩溢洪道表層使用了六種混凝土（LDPE2.5、LDPE5、PET2.5、PET5、NRF2.5、NRF5），到目前為止（齡期270 d），未發生由于應用、環境、水庫流動期水流造成的有害作用（侵蝕磨損）而產生的缺陷。

3 結語

①混凝土抗壓強度測試結果均與聚合物添加量成反比，PET2.5的抗壓性能最好。②混凝土劈裂抗拉強度和廢棄聚合物含量及類型無直接關系，添加廢棄聚合物在混凝土中起到了增強作用。③摻量5%時，摻入PET 和LDPE 的混凝土質量損失較小，表現出良好的抗沖磨性能。④廢棄聚合物制備混凝土在大壩混凝土面層中的修復效果較好。