基于水泥丙烯酸涂層的混凝土大壩修復面水下耐磨性研究

李 非

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

大壩和靜水池混凝土表面受損的主要原因是水體顆粒引起的水下磨損、凍融和風化等[1- 2]。所有損壞的混凝土都會被移除并噴涂新的聚合物水泥砂漿層。此外，還會使用水泥丙烯酸涂層來降低修復后的混凝土表面的劣化率并覆蓋修復的補丁，從而統一表面的外觀[3- 4]。丙烯酸膠乳旨在改善水泥混合物的特定性能，例如附著力、耐磨性、沖擊強度、彎曲強度和抗滲透性[5- 6]。丙烯酸乳膠-改性水硬-水泥砂漿是主要用于混凝土修復的薄涂層[7- 8]。因此，對水泥丙烯酸涂層的耐久性進行評估是十分重要的。

水下耐磨性在水泥丙烯酸涂層耐久性評估中極其重要。水下耐磨性是混凝土承受由含有固體水載顆粒的水流引起的磨損載荷的能力。水泥丙烯酸涂層是由2種成分組成的柔性水泥基礦物防水漿料，本文將其手動涂抹在先前清潔潮濕的混凝土大壩和凈水池的表面上。在修復表面的不同位置測量水泥丙烯酸涂層的厚度。修復工作完成后，對水泥丙烯酸涂層的耐久性進行評估，特別是對其抗水下磨損性的評估。評估基于調查結果，主要包含現場調查和試驗研究。

1 材料與方法

1.1 測試樣品的制備

在直徑為29.5cm、厚度為10cm的圓柱體上測試水下耐磨性。試驗測試試件制作所需混凝土與現場調查的大壩和靜水池所用的混凝土具有相似特性。以與現場相似的方式分2層將水泥丙烯酸涂層施加到樣品的上表面。水泥丙烯酸涂層厚度平均為1.2mm，與應用于現場修復表面的水泥丙烯酸涂層類似。

1.2 試驗方法

將現場調查與試驗研究相結合，旨在復制靜水池中水性顆粒的研磨作用。循環水使鋼磨球在混凝土樣品表面上移動，產生所需的磨損效果。水速和攪拌效應不足以將鋼球從混凝土樣品的表面提起，從而不會對表面產生任何重大的沖擊作用。該測試方法只能用于確定材料對水性顆粒磨損作用的相對抵抗力。

調查的標準程序規定每隔12h測量一次試樣表面的磨損，總調查時間為72h。測試結果是平均磨損深度，由測試期間試樣表面的平均磨損量表示：

ADAt=VLt/Aspec

(1)

式中，ADAt—在指定的測試時間t之后的平均磨損深度；VLt—在指定的測試時間t之后由于磨損而損失的材料體積；Aspec—暴露于水下磨損的試樣表面積。

VLt是試驗前試樣體積與規定試驗持續時間t后的試樣體積之差。體積是根據樣品在空氣中和水下的稱重來確定的。然而，由于水泥丙烯酸涂層的損失遠低于混凝土試件的損失，因此無法根據計算的試樣表面的平均磨損量確定水泥丙烯酸涂層的水下耐磨性，而是由水泥丙烯酸涂層表面的測量部分相對于暴露在水下磨損樣品的總表面積確定的。

2 結果與分析

2.1 水泥丙烯酸涂層年齡對水下耐磨性的影響及與延展性的相關性

在混凝土試件的初步處理表面上應用水泥丙烯酸涂層后33和102d進行了測試。以12h為間隔測量的去除水泥丙烯酸涂層的表面部分，如圖1所示。

圖1 水泥丙烯酸涂層年齡對水下耐磨性的影響曲線

由圖1可知，隨著水泥丙烯酸涂層的使用年限增加，水下耐磨性降低。經過60h的磨損負荷后，33d前的水泥丙烯酸涂層開始從試樣邊緣去除，如圖2所示。

而102d前的水泥丙烯酸涂層在測試12h后已經開始去除，然后一直持續到測試結束長達72h，此時去除的水泥丙烯酸涂層的表面部分為5.4%，如圖3所示。

圖3 試驗結束時102d的水泥丙烯酸涂層

結果表明，水泥丙烯酸涂層的水下耐磨性與延展性之間存在相關性。水泥丙烯酸涂層的延展性和水下耐磨性隨著年齡的增長而降低，如圖4所示。

圖4 水泥丙烯酸涂層年齡對水下耐磨性和延展性的影響

2.2 已經損壞的水泥丙烯酸涂層的水下耐磨性

未損壞的水泥丙烯酸涂層在水下耐磨性提高后，已經損壞的水泥丙烯酸涂層的耐磨性仍然存在問題，這在實踐中是可以預料的。因此，38d的水泥丙烯酸涂層寬10mm的缺口(如圖5所示)和105d的水泥丙烯酸涂層寬1mm的缺口(如圖6所示)，通過涂層的所有厚度，已形成橫跨試件表面的直徑。

圖5 試驗前后38d水泥丙烯酸涂層寬10mm缺口的變化

圖6 試驗前后102d水泥丙烯酸涂層寬1mm缺口的變化

除了水泥丙烯酸涂層，混凝土在缺口附近被水性鋼球磨損。在測試結束時(72h后)，去除的水泥丙烯酸涂層的表面部分為10.8%，大約是沒有缺口表面(3.2%)的3倍。

通過沒有缺口的102d的水泥丙烯酸涂層的表面和帶有寬1mm缺口的105d的水泥丙烯酸涂層表面的視覺比較發現，很窄的缺口對水泥丙烯酸涂層的水下耐磨性沒有影響。與沒有缺口的去除水泥丙烯酸涂層的表面部分(5.37%)相比，去除的帶有缺口的水泥丙烯酸涂層的表面部分(3.09%)甚至更小。

2.3 水下磨蝕載荷對水泥丙烯酸涂層與混凝土表面結合力的影響

為進一步研究水泥丙烯酸涂層的黏合強度，在實驗室中對用于水下磨損試驗的圓柱體試樣進行了試驗。對水下磨損試驗前30、38和102d的水泥丙烯酸涂層進行了拉斷試驗，結果見表1。

表1 水泥丙烯酸涂層拉斷試驗結果

拉斷試驗結果表明，隨著水泥丙烯酸涂層使用年限的增加，水泥丙烯酸涂層與混凝土表面的黏合強度增加，而含水鋼球的磨損荷載并沒有降低水泥丙烯酸涂層的黏合強度。水泥丙烯酸涂層的黏合強度隨使用時間的增長而增強，如圖7所示。

圖7 水泥丙烯酸涂層黏結強度與使用時間的函數

很明顯，水泥丙烯酸涂層中的缺口不會影響黏合強度。失效模式在表1中給出的所有情況下都是相同的。

最大的部分屬于內聚失效，如圖8所示。

圖8 水下磨損試驗前30d的水泥丙烯酸涂層主要內聚破壞模式

它與現場7d前的水泥丙烯酸涂層測試中發現的故障模式相似。

2.4 毛細管水壓對水泥丙烯酸涂層黏附強度和水下耐磨性的影響

水泥丙烯酸涂層與第一個試件混凝土表面的黏結強度在水泥丙烯酸涂層抗毛細水壓力試驗結束后采用拉斷試驗法測量。對經毛細水耐壓試驗后58d的水泥丙烯酸涂層(58A-RPCWT)和經毛管水耐壓試驗和水下磨損試驗后58d的水泥丙烯酸涂層(58A-RPCWT-UWAT)進行拉斷試驗，結果見表2。

表2 毛細管水壓測試后的水泥丙烯酸涂層拉斷試驗結果

如果將表2給出的黏合強度結果與之前未試驗過的30d水泥丙烯酸涂層的黏合強度結果(見表1)進行比較，黏合強度會適度下降。然而，在評估以上結果時，應考慮拉斷試驗結束時的各種失效模式。

在30d水泥丙烯酸涂層的拉斷試驗結束時，獲得了主要的內聚破壞模式。內聚破壞模式的平均比例達到92.5%，而黏結破壞模式的平均比例僅為7.5%。58d水泥丙烯酸涂層的拉斷試驗結束時，在毛細水耐壓試驗和水下磨損試驗后再次獲得了主要的內聚破壞模式。內聚破壞平均比例達到76.0%，黏結破壞平均比例達到24%。水下磨損試驗期間，在水泥丙烯酸涂層表面上沒有觀察到損壞。試驗結束時，去除的水泥丙烯酸涂層的表面部分為0%，如圖9所示。

圖9 水下磨損試驗結束時58d的水泥丙烯酸涂層的未損壞表面

結果表明，水性鋼球僅降低了2層水泥丙烯酸涂層之間的黏合力，使得黏合強度降低，并且在拉斷試驗結束時發生內聚破壞模式。

測量了111d的水泥丙烯酸涂層表面的抗凍融能力，如圖10所示。

圖10 111d的水泥丙烯酸涂層表面的抗凍融能力

其中繪制了一個周期的單個階段所需的邊界，以及由溫度傳感器測量和記錄的表面溫度。

盡管水泥丙烯酸涂層具有出色的抵抗力，但它與第三個試樣角落的混凝土表面分離。由于這個角落有一個小的損壞的水泥丙烯酸涂層。氯化鈉溶液在水泥丙烯酸涂層下方，在試驗過程中會凍結，并將水泥丙烯酸涂層從混凝土表面分離。這種現象在16個循環后首次出現，在接下來的循環中，最多20個循環，水泥丙烯酸涂層的無界區域增加了25%，大約直到試驗結束增加多達30個循環，如圖11所示。

圖11 水泥丙烯酸涂層的無界區域增加多達30個循環

3 結論

(1)使用的水泥丙烯酸涂層獲得了較好的水下耐磨性。然而，隨著水泥丙烯酸涂層使用時間的增加，水下耐磨性下降。水泥丙烯酸涂層的這種行為受到延展性的影響。

(2)水泥丙烯酸涂層的其他性能，如抗壓強度和水泥丙烯酸涂層與混凝土表面之間的黏合強度隨著水泥丙烯酸涂層的老化而增加，同時極限抗彎強度保持不變。

(3)毛細水的壓力會降低水泥丙烯酸涂層和混凝土表面之間的黏合強度。隨著水性磨損顆粒的額外負載，黏合強度繼續降低。

(4)在大壩和靜水池上使用水泥丙烯酸涂層時，由于毛細壓力或水泥丙烯酸涂層因水下磨損而部分去除，可能導致水存在于水泥丙烯酸涂層下方。水在冬季開始凍融循環，從而導致額外的水泥丙烯酸涂層去除。