水工建筑滲漏封堵材料強度試驗研究

摘要：為了開發適用于水工建筑在滲漏情況下的可靠封堵材料，基于試驗的方式探究3種混凝土注漿材料對水工建筑滲漏封堵效果，并基于材料可注性、固結性和混凝土的凝結時間評價3種材料的封堵性能，由此確定了一種堵水效果佳、耐久性能強的新型封堵材料。研究結果表明：試驗配得的雙液漿材料B擁有極佳的封堵性能，其極佳的可注性降低了注漿堵管風險且滿足壁后飽滿填充性，在滿足結石強度和安全穩定性前提下保證了經濟性。材料的終凝時間隨水灰比的升高而延長，當水灰比為0.6且材料A和材料B的用量最少時，初凝和終凝時間均最短，而其他對初凝和終凝時間的影響因素基本可忽略。受到材料種類、含水量以及環境等因素的影響，3種材料的初凝時間差別較大，且缺乏規律性。該研究可為水工建筑滲漏封堵材料的研制、性能測試以及封堵效果評估等提供支持。

關鍵詞：注漿材料；試驗分析；混凝土凝結時間；可注性；固結性

基金號，湖南省交通科項目201917

0" "引言

發電廠房是航電樞紐工程的重要水工建筑。經現場檢查，各級航電樞紐工程投入運營后，已投入運營的航電樞紐廠房都存在不同程度的滲漏問題，對廠房的耐久性、安全性和航電樞紐的經濟效益均產生一定的影響[1]。

滲漏封堵材料的強度直接決定了其抗滲漏能力。水工建筑物通常處于水壓力的作用下，如果使用強度較低的封堵材料，可能無法承受水壓力的沖擊，導致封堵層產生破裂或漏水現象[2]。因此，選用具備足夠強度的封堵材料是保證封堵效果的關鍵。只有通過嚴格的強度試驗，確保封堵材料具備足夠的強度和穩定性，才能有效防止滲漏問題的發生[3]。

水工建筑物常常長期處于水環境中，面臨著水壓力和水質的不斷作用[4]。如果封堵材料的強度不夠，受到長期水流侵蝕和環境變化的影響，可能會導致封堵層的疲勞破壞、變形或脫落，使滲漏問題再次出現[5]。而強度優越的封堵材料能夠更好地抵御外界環境的侵蝕和變化，保持長期的封堵效果，有效延長水工建筑物的使用壽命。水工建筑物的滲漏封堵材料常常需要具備較長的使用壽命，能夠承受長期的運行和維護[6]。

綜上所述，水工建筑滲漏封堵材料的強度對滲漏封堵效果具有重要性。強度優越的封堵材料能夠提供更好的抗滲漏能力、持久性和耐久性，同時也能提高施工工藝的可操作性和質量。本文以土谷塘航電樞紐工程為研究對象，研究一種新型封堵材料，提高材料堵水效果，提高其耐久性，分析提出最佳的材料組分配比。

1" "工程概況

本文依托工程為土谷塘航電樞紐工程。土谷塘航電樞紐是湘江干流航道八個梯級樞紐之一、湘江千噸級航道向上延伸的控制性工程、交通運輸部和湖南省“十二五”利用亞行貸款的重點內河建設項目，是一個以航運為主、航電結合，并兼有交通、灌溉、供水與養殖等綜合利用效益的工程。

湘江土谷塘航電樞紐工程在建設期，就十分重視航電樞紐后期的滲漏水的預防工作，在混凝土工程質量管理上采取了很多措施，但是土谷塘航電樞紐工程滲漏水問題仍然在一定程度上存在。

2" "試驗材料

本項目中擬測試以42.5水泥、材料A、材料B、石英砂等組成的3種混凝土注漿材料。根據注漿目的不同，分為同步注漿材料、搶險注漿材料和高強加固注漿材料。試驗中，材料A為一種密度低于水泥的混凝土注漿添加劑，有多種種類，以適應不同的注漿混凝土的性能需求。材料B為一種配合材料A使用的粘稠液體，具有加速混凝土凝結的作用。材料A和材料B需要按照一定配比與水泥混合。

為了選出性能最佳的混凝土注漿材料，需對相應的混凝土材料在不同水灰比和材料配比下的性能進行測試，研究分析不同材料配比對注漿材料性能的影響，最后確定目標性能最佳的材料。3種試驗材料的原始配比如表1至表3所示。

最初給定的材料配比數值僅為初始設定配比，在生產應用中，僅憑一組配比數據無法得出最佳的混凝土性能，需要事先設計10組以上的配比，再逐一試驗相關性能，選出最接近目標性能的實驗組再進行下一步試驗。

3" "試驗方案及結果

3.1" "可注性和固結性試驗

3.1.1" "試驗設備和方案

試驗儀器為注漿泵（手動壓力泵），注漿管路采用高壓軟管連接。試驗過程中，首先將漿液與外加劑雙組分分別壓入注漿管路中（充滿首節注漿管即可），然后在注漿管路中停留至初凝時間，然后進行泵送。

3.1.2" "試驗結果分析

考慮對注漿材料的和易性和速凝性需求，選取水灰比1：1，漿液與外加劑體積比為2：1、3：1、5：1進行可泵性試驗。本試驗設泵送壓力不高于2MPa的持續時間為可注漿操作的時間，泵送壓力隨時間變化曲線如圖1所示。

雙液漿與水玻璃雙液漿結石體1～28d強度對比如圖2所示。其中流量比為2：1，無水環境材料B與水玻璃均為10kg。試驗雙液漿與水玻璃雙液漿配比、性能對照表見表4，水玻璃雙液漿配比、性能對照表見表5。

通過上述無水環境的可注性和固結性試驗，可以得到結論：

試驗雙液漿材料B用量小，稀釋比例高，注漿流量可在2：1～1：1之間任意調節，雙液可注性極佳，既無注漿堵管風險，也滿足壁后飽滿填充性。

10kg材料B用12倍以上的水稀釋，結石率確達100%，強度是水玻璃7倍以上。超高結石率所體現的出方量是水泥漿液的2倍，同樣的空間體積可節省1/2的水泥材料成。超高的結石強度和密度均勻的結石體所體現的安全穩定性，更是水玻璃雙液漿無法比擬的。粉煤灰水泥漿1m3結石體較水泥漿可節約100元的材料成本，綜合計算一環可節省2000多元。

水玻璃無論用量多少，雙液都會出現要么凝膠太慢，要么急凝而快速失流的兩種局限性，雙液凝膠太慢抑制管片位移的作用就差，急凝就潛在堵管風險。而試驗雙液漿既能迅速凝膠，又具有緩慢失流性，完全具備不堵管和飽滿填充的良好性能。

3.2" "初、終凝時間試驗

3.2.1" "試驗方法

初凝時間測定具體方法如下：將初凝試針固定在維卡儀上，將正方形玻璃板放置在維卡儀下端平臺上，讓試針尖端接觸玻璃板并將指針調整至0點。從所有原料都被加入燒杯中開始計時，將試件養護30min后進行首次測試。測試時，將模具小截面朝上水平放置在初凝試針下，保證初凝試針的針頭和試塊表面剛好接觸。然后讓試針在重力作用下落入試塊中并在30s后讀取刻度數。當初凝試針下落到距底板4mm且不再發生變化時，此時試塊的狀態稱為初凝狀態，這段時間即為初凝時間。

終凝時間測定具體方法如下：為更加準確測定終凝針沉入混凝土試塊的情況，終凝針在尖端安裝了一個環形附件。在完成初凝時間的測定后，取下初凝試針并換上終凝試針固定在維卡儀上。將圓模上下顛倒，翻轉180°，使大底面向上，小底面繼續緊貼玻璃正方形玻璃片并繼續養護。觀察試塊變化，在臨近終凝時每15min進行一次測試。當終凝針沉入試件表面0.5mm時，此時試塊的狀態即為終凝狀態，從所有原材料加入到終凝狀態的這段時間即為終凝時間。

3.2.2" "試驗方案

分別開展同步注漿膠混凝土性能測試、搶險注漿膠材料性能測試和高強加固注漿膠混凝土性能測試。試驗正交表如表6所示。

3.2.3" "試驗結果分析

表7給出了3種測試混凝土凝結時間結果。比較3項試驗每個試驗編號的凝結時間可知：同步注漿材料凝結試驗表明，當水灰比為0.6時，初凝時間和終凝時間均明顯短于其他水灰比的初凝和終凝時間，且互相之間差別不大。搶險注漿材料凝結試驗表明，搶險注漿材料需要較快的凝結時間，所以初凝時間是最重要的指標。從試驗結果中可以得出，當水灰比為0.6且材料A和材料B最少時，搶險注漿材料擁有最快的凝結時間。高強加固注漿材料凝結試驗表明，當水灰比為0.6且材料A和材料B的用量最少時，初凝和終凝時間均最短。

由上述結論確定下一步性能試驗選取的材料如下：同步注漿材料凝結試驗中水灰比0.6：1，材料A18g、材料B30g的試驗組。搶險注漿材料凝結試驗中水灰比0.6：1，材料A12g、材料B20g的試驗組。高強加固注漿材料凝結試驗中水灰比0.6：1，材料A12g、材料B20g的試驗組。

圖3至圖8展示了水灰比和材料A含量分別固定時另一項因素對凝結時間的影響。在凝結時間測試的試驗中，3種材料的終凝時間差別較小，且基本與水灰比程線性正相關，所以可得出結論：3種材料的終凝時間主要受水灰比影響，水灰比越高，終凝時間越長，其他因素的影響較小，所以可基本忽略。

與此同時，3種材料的初凝時間差別較大，且缺乏規律性，原因有以下幾點：首先是材料A種類不同。不同種類的材料A有不同的用途，搶險注漿類材料A在特定水灰比下可以顯著縮短材料的初凝時間。而其他材料A雖然也可以縮短初凝時間，但效果不是很明顯。其次是材料B中的水也是一個重要的影響因素。在水灰比較小的試驗組中，材料B較多的試驗組可以大幅增加總體水量，使得水灰比偏高，影響材料的初凝時間。最后是試驗誤差原因，在添加材料的過程中材料用量，環境的溫度和濕度、材料攪拌的充分程度，都可以影響到試驗結果，需要在具體使用過程中具體分析，控制誤差，以提高結果準確性。

4" "結束語

本文采用試驗的方式針對3種混凝土注漿材料對水工建筑滲漏封堵效果進行了研究，并結合注漿材料的可注性、固結性以及混凝土的凝結時間對封堵性能進行了評價，主要結論如下：

材料B擁有極佳的雙液可注性，其在降低注漿堵管風險的同時又能滿足壁后飽滿填充性。此外，10kg材料B用12倍以上的水稀釋時的結石率可達100%，且其結石強度及安全穩定性遠高于水玻璃。

與材料B的結石體相比，水玻璃采用的雙液凝膠慢，且易出現急凝而快速失流的現象，從而導致抑制管片位移的作用變差，且急凝潛在堵管風險。相比之下。試驗雙液漿既能迅速凝膠，又具有緩慢失流性，完全具備不堵管和飽滿填充的良好性能。

在對3種混凝土注漿材料的凝結時間研究時發現，3種材料的終凝時間主要受水灰比影響，終凝時間隨水灰比的升高而延長，其他因素的影響較小，基本可忽略。然而受到材料種類、含水量以及環境等因素的干擾，導致本研究中3種材料的初凝時間差別較大，且缺乏規律性。

參考文獻

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