大壩裂縫修補用低黏度化學材料適應性研究

黃金星

(福建路港(集團)有限公司,福建 泉州 362000)

1 概 述

在環境溫度和濕度的影響下,大壩混凝土面板經常出現寬度小于1mm的微裂縫,降低了大壩的建筑質量和服役耐久性。選擇適當的修補材料能有效延緩混凝土微裂縫的持續發展,提高大壩混凝土結構的耐久性,這就要求修補材料具有較低的黏度、優良的力學性能和耐久性能[1]。現有裂縫維修化學材料黏度大,力學及使用性能難以滿足維修要求。因此,對化學修補材料進行改性和降低黏度具有重要意義。

針對降低化學修補材料的黏度,研究人員進行了相關研究。馬偉麗等[2]使用二酸二丁酯作為非活性稀釋劑來降低E-51化學修補材料的黏度,通過剪切法、動態熱分析和三點彎曲試驗發現,稀釋劑可以延長化學修補材料的固化反應時間,改善化學修補材料的彎曲性能,降低了化學修補材料的高溫力學性能。陳小攀等[3]使用活性稀釋劑丁二醇甘油醚(BDDGE)降低化學修補材料的黏度,隨著稀釋劑含量的增加,固化的化學修補材料逐漸從脆性斷裂變為韌性斷裂;采用聚乙二醇和甲苯分別作為活性稀釋劑和非活性稀釋劑降低化學修補材料的黏度發現,化學修補材料的熱穩定性隨著稀釋劑質量分數的增加而降低。馬國金等[4-6]使用丁香酚單官能團甘油醚為活性稀釋劑,制備二酚基正戊酯縮水甘油醚,測試了化學修補材料在交變溫度下的性能,稀釋劑顯著降低了化學修補材料的黏度,損害了化學修補材料的熱穩定性。

目前,纖維素增韌化學修補材料和稀釋劑降黏在現澆混凝土細裂縫修補中的應用還鮮有報道。鑒于此,本文選擇纖維素作為改性劑,PR-Ⅰ、PR-Ⅱ和PR-Ⅲ作為稀釋劑,優化纖維素改性化學修補材料的制備工藝,制備用纖維素改性的低黏度化學修補材料,揭示不同環境條件下材料耐久性能演變規律,為纖維素改性低黏化學修補材料修復水工大壩混凝土面板細裂縫奠定基礎。

2 材料與方法

2.1 原材料

化學修補材料為雙酚(E-54)水泥混合料,纖維素為增韌劑,低分子量聚酰胺D230為固化劑,3種稀釋劑分別為聚醚類-Ⅰ(PR-Ⅰ)、聚醚類-Ⅱ(PR-Ⅱ)和聚醚類-Ⅲ(PR-Ⅲ),酸二丁基錫(DBTDL)用作化學修補材料的催化劑。

2.2 纖維素改性低黏度化學修補材料的制備流程

為了保證化學修補材料良好的流動性,采用活性稀釋劑,降低纖維素改性化學修補材料的黏度,以聚醚胺D230為固化劑,制備纖維素改性低黏度化學修補材料。制備過程如下:

1)將化學修補材料改性纖維素、固化劑和活性稀釋劑預熱至25℃。

2)將一定比例的纖維素改性化學修補材料和稀釋劑放入500ml燒杯中,300r/min攪拌2min。

3)纖維素改性低黏度化學修補材料采用35%D230(纖維素改性化學修補材料質量比),300r/min攪拌3min制備。

2.3 測試方法

2.3.1 高溫沖擊試驗

大壩混凝土內部溫度由里及表從85℃降至15℃,持續約1.5h,具有先快后慢的特征,大壩混凝土底部溫度的變化具有一定的隨機性。考慮到大體積混凝土內部水化熱對化學修補材料性能的影響,將固化的拉伸試樣和8字形試樣分別放置在100℃的高低溫交替試驗箱中,采用梯度冷卻法,溫度在2.5℃/min下冷卻30min,然后1℃/min冷卻60min,1.5h后取出樣品,測試材料的拉伸和黏接性能。

2.3.2 溫度變化試驗

由于夏季混凝土表層白天溫度達到65℃以上,下部浸水層溫度接近60℃,夜間降至15℃左右,混凝土細裂縫修補材料也將長期處于溫度變化的環境中,因此設計化學修補材料的溫度變化試驗。8字形試件和啞鈴形試件分成3組,保持在60℃、25℃和12℃,每24h為一個周期,分別在在7、15和30天后測試拉伸和黏結性能。

2.3.3 凍融試驗

考慮到我國北方明顯的季節性變化,化學修補材料在使用過程中必然受到凍融破壞的影響,參照《建筑涂料涂層耐溫變性試驗方法》(JG/T 25-2017),將固化良好的8字形試樣和啞鈴形試樣分為3組。先在23℃±2℃水中浸泡18h,然后在-20℃±2℃水中冷凍3h,再在25℃±2℃恒溫養護箱中融化3h作為一個循環,在10、20和30個凍融循環后測試拉伸和黏結性能。

3 結果與討論

為了進一步闡明不同環境影響下纖維素改性低黏度化學修補材料的耐久性能,本文通過高溫沖擊試驗、溫度變化試驗和凍融循環試驗,研究化學修補材料(C)、化學修補材料-I(C-I)、化學修補材料(C-II)和化學修補材料(C-III)的拉伸強度及黏結強度。

3.1 高溫沖擊性能

考慮大壩面層混凝土在夏季高溫條件下,高溫沖擊對化學修補材料力學性能的影響,通過模擬面層混凝土的溫度變化,測試化學修補材料在高溫沖擊下的拉伸性能和黏結強度,測定不同化學修補材料的耐高溫沖擊性能,結果見圖1。

圖1 化學修補材料在高溫沖擊下的拉伸性能

由圖1可以看出,高溫沖擊后,化學修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率均有不同程度的下降。化學修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率在10℃分別為8.21%和4.92%,纖維素改性低黏度化學修補材料低溫拉伸強度和斷裂伸長率的衰減率分別為10.30%～11.72%和5.13%～6.97%。抗拉強度化學修補材料在25℃下的斷裂伸長率和斷裂伸長率分別降低7.81%和6.38%。室溫下,纖維素改性低黏度化學修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率分別降低9.10%～11.15%和6.18%～6.38%。

可以看出,活性稀釋劑降低了化學修補材料的內部交聯密度,降低了材料的熱穩定性。但纖維素并不能完全緩解稀釋劑的不利影響,導致纖維素改性低黏度化學修補材料的耐高溫性能略低于化學修補材料。但經過高溫沖擊后,低黏度纖維素改性化學修補材料的抗拉強度和斷裂伸長率在10℃時仍高于55MPa和6.0%,在25℃時抗拉強度和斷裂伸長率分別大于40MPa和6.0%。

3.2 耐溫變性

為了確定不同化學修補材料的耐溫性能,模擬大溫差地區夏季晝夜交替溫度變化情況,測試化學修補材料在25℃～60℃溫度變化條件下,0、7、15和30天時的拉伸性能和黏結強度。不同化學修補材料在變溫條件下黏結強度結果見圖2。

圖2 化學修補材料在溫度變化下的黏結強度

由圖2可以看出,4種化學修補材料在25℃和60℃下的黏結強度隨著溫度變化循環時間的延長先升高后降低,經15天熱循環處理后,黏結強度開始下降,經過30天的熱循環處理后,4種化學修補材料的黏結強度衰減率約為1.5%。黏結強度在25℃時依次為C-Ⅱ>C-Ⅲ>C-Ⅰ>C,纖維素改性修補材料在25℃時的黏結強度分別比化學修補材料高0.63、0.52和0.33MPa。4種化學修補材料在60℃時的黏結強度分別為3.16、3.48、4.15和3.85MPa,可以看出,經過30天的溫度循環處理后,纖維素改性的低黏度化學修補材料仍然具有良好的黏接性能。

3.3 抗凍融性能

通過凍融循環試驗,探討不同化學修補材料在凍融循環條件下性能變化規律,測試在0、10、20和30次凍融循環后化學修補材料的拉伸性能和黏結強度,結果見圖3和圖4。

圖3 化學修補材料在凍融循環下的拉伸性能

圖4 化學修補材料在凍融循環下的黏結強度

由圖3可以看出,隨著凍融次數的增加,化學修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率逐漸降低,經過30次凍融循環后,纖維素改性低黏度化學修補材料的低溫抗拉強度衰減率為7.8%～9.6%,化學修補材料的低溫抗拉強度衰減率為6.8%。但C-Ⅰ、C-Ⅱ和C-Ⅲ修補材料的低溫抗拉強度仍高于60MPa,相當于沒有凍融循環的化學修補材料的低溫抗拉強度。與化學修補材料相比,纖維素改性化學修補材料的10℃伸長率分別提高22.0%、9.5%和6.3%。同樣,與化學修補材料相比,硅改性低黏度化學修補材料在25℃下的抗拉強度衰減率為8.6～10.9%,略高于化學修補材料,化學修補材料在25℃下的伸長率下降7.4%～11.5%,斷裂伸長率下降12.3%,表明加入活性稀釋劑和纖維素后,化學修補材料能夠保持良好的抗凍性。

由圖4可知,不同化學修補材料在室溫和高溫下的黏結強度隨著凍融循環次數的增加而降低。經過30個凍融循環后,化學修補材料的黏結強度依次為C-II>C-III>C-I>C。與化學修補材料相比,C-I、C-II和C修補材料的黏結強度30次凍融循環后增加11.1%～13.3%、19.3%～34.8%、15.3%～24.6%。經過30次凍融循環后,化學修補材料在25℃和60℃的黏結強度衰減率分別為7.12%和7.28%,C-I、C-II和C-III修補材料在25℃和60℃的黏結強度衰減率分別為6.2%、6.9%和5.0%～5.8%。其原因是硅錐的存在增加了材料的交聯密度,減輕了稀釋劑的負面影響。結果表明,纖維素能顯著提高化學修補材料的抗凍融性能,顯著減輕活性稀釋劑對化學修補材料黏結強度的不利影響。

4 結 論

本文選擇纖維素作為改性劑,聚醚類為稀釋劑,揭示了不同環境條件下材料耐久性能演變規律,結論如下:

1)纖維素改性低黏度化學修補材料經高溫沖擊后,抗拉強度和斷裂伸長率分別下降9%～15%和5%～12%,但其拉伸強度和斷裂伸長率仍分別高于40MPa和5%。

2)纖維素改性修補材料在25℃時的黏結強度分別比化學修補材料高0.63、0.52和0.33MPa,經過30天的溫度循環處理后,纖維素改性的低黏度化學修補材料仍具有良好的黏接性能。

3)纖維素改性低黏度化學修補材料具有低黏度、良好的工作性、力學性能和環境適應性,可作為處理大壩混凝土微裂縫的首選加固材料。