水下混凝土裂縫修補材料試驗研究

張雪娟

（遼陽市金洋建設工程項目管理有限公司，遼寧 遼陽 111000）

由于收縮變形、內外溫差和受各種應力作用等原因，水工混凝土表層或內部很容易產生一定的開裂，不僅對工程結構外觀造成不利影響，還會危害其耐久性甚至直接威脅整個結構的安全運行[1-5]。然而，對處于水下環境的部分橋墩、大壩等建筑物的裂縫處理，在修補時很難與水完全隔離，施工作業大多是在有水條件下實施，修補難度相對更大[6]。

目前，已有許多較成熟的材料用于修補水下混凝土裂縫，如彈塑性密封材料、快速堵漏材料、聚氨酯與環氧灌漿材料等，但大多數只能用于潮濕或干燥環境，對必須在水介質條件下施工甚至需要帶水或深水作業的裂縫修補適用性較差。由于具有耐久性好、經濟環保、密度大等特優點，水下不分散混凝土被廣泛用于水下施工。針對水下混凝土蜂窩、裂縫等缺陷部位，采用水下不分散劑配制砂漿和凈漿進行灌漿作業越來越引起研究學者的關注[7]。例如，陳國新等對比研究了不同減水劑對混凝土用水量、流動度及其保持能力、抗壓強度的影響，結果表明摻聚羧酸減水劑組的綜合性能較優；MUNOZ等研究表明摻入一定硅粉等摻合料可以增強水下混凝土強度和抗分散性；馮士明等研究發現丙烯和纖維素系列等抗分散劑，可以明顯改善混凝土的施工性能[8-10]。

以增黏性礦物細粉和高強度無機礦物細分料為基料復配促進劑、增強劑、流化劑、有機表面活性劑及高分子有機抗水聚合物等材料制成的快硬型水下不分散劑，可以進一步配制出無毒、施工方法簡單、體積穩定性好、超大流動度、黏結力大、水下抗分散性高、快硬高強的水泥基修補材料。因此，文章利用室內模擬試驗探討了灌漿料水下/水上性能受水膠比和水下不分散劑摻量的影響，并結合試驗數據提出最優配合比，以期為高質量快速修補水下混凝土裂縫提供技術支持

1 試驗方法

1.1 原材料

試驗選用大連小野田快硬快凝硫鋁酸鹽水泥，其化學成分如下：CaO 41.5%、Fe2O321.5%、Al2O310.0%、SO317.2%、MgO 1.8%、K2O 0.9%、Na2O 0.2%，Loss2.7%，其物理性能指標如表1 所示。骨料選用大連莊沙砂石場生產的花崗巖碎石和河砂，碎石粒徑5～20mm，飽和面干密度2 640kg/m3，含泥量0.12%，河砂細度模數2.6，砂石技術指標均符合試驗規范有關要求。經市場調研，選用HLC-RAW 快硬型水下不分散劑，固含量45%，拌和水用當地自來水。

表1 水泥的物理性能指標

1.2 試驗方法

1）流動度測試。將一定量的水和水泥加入水泥凈漿預先濕潤過的攪拌鍋內，然后將凈漿注入截錐圓模并立即提起使內部漿體自由流動，停止流動后沿兩個相互垂直方向用卡尺測量流淌部分的最大直徑，流動度初始值就是兩者的平均值[11]。

2）凝結時間測試。采用配制的修補材料替代凝結時間測試標準中的水泥，試件成型后移入20℃水中養護，按照規范中的流程測定水下凝結時間。

3）抗壓強度測試。將拌和均勻的修補材料制成40mm×40mm×160mm 的標準試件，24h 脫模后采用20℃水養和標養兩種養護方式，依據《水下不分散混凝土試驗規程》測定3d、7d、28d 齡期各組試件的抗壓強度。

4）黏結強度測試。試驗采用“8 字模”測定黏結抗拉強度，具體流程：首先，將拌和均勻的修補材料制成“8”字模基準試件，24h 后拆模放入水樣養護7d，達到齡期后移入抗拉強度夾具內加載至斷裂，從而制成“0”字形試件；然后用水濕潤“0”字形試件的斷裂處，并放入“8”字模一半，在另一半“8”字模中即未放基準試件處澆筑水下修補材料，經壓實、振動和抹平處理后制成黏結后的試件；最后，將黏結“8”字形試件帶模放入水中養護6h 拆模，通過拉伸試驗測定28d 齡期黏結抗拉強度[12]。

2 結果與分析

2.1 水下修補灌漿材料性能

為了探究水膠比和HLC-RAW 摻量對修補材料性能的影響，試驗設計水膠比為0.35、0.40、0.45，采用內摻HLC-RAW 快硬型水下不分散劑的方式等量替代水泥，設計摻量10%、15%和20%，在(20±2)℃條件下測定水下/水上抗拉強度、漿體凝結時間、流動度及損失，測試數據如表2 所示。

表2 裂縫修補材料性能

由表2 可知：在0.35、0.40 和0.45 不同水膠比下，HLC-RAW 摻量從10%提升至20%，水泥凈漿30min 流動度損失逐漸增加，初始流動度和漿體凝結時間逐漸減小；在不改變HLC-RAW 摻量的條件下，漿體凝結時間和初始流動度均隨著水膠比的增加而增大；固定水膠比0.40 和HLCRAW 摻量15%情況下，水泥凈漿初始及30min 流動度為250mm、200mm，初、終凝時間為60min 和87min。因此，水膠比≥0.35 且HLC-RAW 摻量不低于15%條件下，水泥凈漿的終凝時間為1～2h，漿體的可灌性較好。

水膠比為0.35 情況下，HLC-RAW 摻量從10%提升到20%，水上和水下養護的試件抗壓強度均表現出下降趨勢，28d 水陸強度比逐漸提高；水膠比為0.40 和0.45 情況下，HLC-RAW 摻量從10%提升至20%，水上和水下養護的試件3d、7d齡期抗壓強度均表現出下降趨勢，28d 強度表現出先下降后上升的變化趨勢，28d 水陸強度比則呈現出先上升后下降的變化趨勢；試件抗壓強度隨水膠比的增加逐漸減小，HLC-RAW 摻量從10%提升至20%，除水膠比0.45 外其它水膠比組的7d 水陸強度比均達到不低于80%的要求，28d 齡期均達到不低于90%的要求，7d、28d 水下強度整體符合設計要求。

漿體水下黏結性能受HLC-RAW 摻量和水膠比的影響線束，HLC-RAW 摻量≤15%且水膠比不超過0.40 條件下配制的漿體黏結性能良好。因此，根據修補材料抗分散性、可灌注性、黏結強度和水下抗壓強度試驗數據，確定A1 和B2 組配合比配制的裂縫修補灌漿材料綜合性能最優[13]。

2.2 使用性能

面對復雜多變的水下作業環境、水壓、水溫、水流等環境條件的改變均會在一定程度上影響到修補材料的性能。一般通過專業設備、施工工藝或水文氣象數據控制水流和水壓變化，但施工過程中的環境溫度很難控制，雖然水文相較于陸地的波動范圍較小，但水下作業和材料性能易受低溫環境變化的干擾。本試驗通過采取低溫養護和水下成型兩種方式，測試了0～5℃低溫和(20±2)℃環境下水下修補灌漿材料的黏結強度、抗分散性、抗壓強度及水下凝結時間，如表3 所示。

表3 不同環境溫度下的修補材料性能

由表3 可知：0～5℃低溫條件下，水下修補灌漿材料的凝結時間相較于(20±2)℃環境有所延長，在0～5℃低溫環境下兩組灌漿材料均可以在1～3h內終凝；0～5℃低溫環境會在一定程度上減緩強度發展速率，尤其是早期強度發展較慢，低溫條件下水膠比大且HLC-RAW 摻量較高的B2 組強度發展更慢，但在0～5℃低溫環境下A1、B2 組灌漿材料的28d 強度達到58.5MPa 和42.6MPa。

0～5℃低溫條件下，水下修補灌漿材料的水陸強度比相較于(20±2)℃環境并未下降，說明水下修補灌漿材料的抗分散性不受溫度變化影響；雖然0～5℃低溫環境在一定程度上降低了黏結強度，這主要與低溫減緩了水化速率等因素有關，在低溫條件下A1、B2 組灌漿材料的黏結性能良好，尤其是水膠比低且HLC-RAW 摻量也低的A1 組具有更好的黏結性。總體而言，低溫環境下修補材料仍具有良好的黏結性能和較高的強度，可以達到較好的快速凝結修補效果。

3 結 論

1）采用0.35～0.40 水膠比和10%～15%HLCRAW 摻量配制的灌漿材料終凝時間為1～3h，這種水下修補材料具有施工操作簡單、周期短等優點。試驗配制的A1、B2 組灌漿材料具有較好的水下抗分散性，其7d、28d 水陸強度比均達到不低于80%和90%的設計要求，28d 強度達到58.5MPa 和42.6MPa，28d 黏結強度為3.3MPa 和2.0MPa。

2）0～5℃低溫環境會在一定程度上降低早期強度發展速度，但A1、B2 組灌漿材料均可以在1～3h內終凝；低溫對灌漿材料后期強度發展影響較低，可結合具體環境溫度適當調整HLC-RAW 摻量，對于水下混凝土裂縫修補該灌漿材料表現出較好的適用性與可行性。