高寒區渠道襯砌混凝土裂縫快速修復技術研究

張 健

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局, 新疆 烏魯木齊 830000)

襯砌混凝土裂縫是高寒區供水渠道局部損毀的主要形式，表現為裂縫多、滲漏嚴重、止水材料老化失效、凍脹與凍融剝蝕破壞、環境侵蝕和混凝土抗滲效果差等[1]，這一現象貫穿渠道混凝土整個施工和運行管理過程。為達到快速降低襯砌混凝土裂縫造成的渠道供水滲漏損失，工程實踐中常用丙烯酸脂共聚乳液、環氧樹脂和氯丁膠乳砂漿等聚合物水泥砂漿對渠道襯砌進行修復。此類材料由分散于水中或溶于水中的聚合物摻入普通水泥砂漿中配制而成，具有高黏結、高抗滲、高抗凍、高抗氯離子滲透性等特點，同時還廣泛應用于建筑物的防腐加固工程[2]，其中丙烯酸脂乳液或改性丙烯酸脂乳液是近20多年來應用最廣泛的樹脂乳液。然而，該材料在高寒區渠道襯砌修復應用時還存在一定不足，如與舊混凝土的熱膨脹系數不同，界面結合力低時容易脫落、開裂和空鼓[3-5]。為此，有必要開展聚合物水泥砂漿改性工作，研制一種具有適度彈性的樹脂乳液配制的砂漿，以解決熱脹系數不一致的缺點，提高抗壓強度和黏接強度等物理力學性能。

1 改性樹脂乳液砂漿性能測試

1.1 乳液穩定性能測試

乳液穩定性主要包括機械穩定性、稀釋穩定性、凍融穩定性、化學穩定性等四方面測試。

機械穩定性是指乳液在經受機械操作時的穩定性。在乳液制備過程中，要經泵送、攪拌及涂裝時的噴涂等操作，因此乳液要經受得住機械操作。經過試驗，不同攪拌速度下，乳液均穩定。這說明乳液的機械穩定性好。

稀釋穩定性是檢驗不同濃度下乳液的乳化劑是否仍然具有較好的乳化效果。按照稀釋穩定性試驗方法，乳液稀釋后24 h和48 h后觀察，乳液無分層、分水和沉淀發生，未出現破乳現象，說明乳液具備稀釋穩定性。

凍融穩定性即是指乳液經受凍結和融化交替變化時的穩定性。由于乳液體系主要由單體、水、乳化劑及溶于水的引發劑等基本組分組成，其中有一半組成是水，乳液及由其配制的涂料在很多情況下要被暴露于凍結的條件下，當聚合物乳液遇到低溫條件時會發生凍結。凍結和融化會影響乳液的穩定性，輕則造成乳液表觀黏度上升，重則造成乳液的凝聚。經過恒溫-5 ℃±2 ℃的低溫冰箱中連續冷凍18 h取出，再在23 ℃±2 ℃常溫解凍條件下放置6 h，如此反復循環3次后，乳液已經破乳絮凝，說明乳液在低溫下不具備儲存穩定性，需要在0 ℃以上的溫度下儲存。

化學穩定性是指乳液對添加的化學藥品的穩定性。對分散液具有很大破壞力的化學藥品大都是水溶性的，可分為電解質和非電解質兩類，前者一般是無機鹽類，后者一般是極性有機化合物。在實用上多數是指添加電解質的穩定性問題，因此從狹義上來說化學穩定性是指電解質穩定性。

1.2 不同配方時樹脂乳液砂漿性能分析

砂漿成型按照前述試驗方法進行，聚灰比為1∶10，灰砂比為1.2，根據乳液的減水率調整水灰比，根據砂漿物理性能情況，再進行單體和乳化劑等材料的配方調整。

1.2.1 減水率

表1為幾種不同配方的砂漿性能，并與市售的乳液(乳液編號NG)對比。表明R055在0.48高水灰比下，砂漿都不能很好的拌合，無法成型，比沒加乳液的空白水灰比都大，說明乳液加入不但沒有起到減水作用，相反還吸水。R056水灰比0.40時，砂漿物理性能比水灰比為0.45的空白砂漿性能差。這說明在低水灰比高流動度的情況，減水率高[6]，同時其物理性能也不同程度提高。

1.2.2 砂漿強度

以水灰比0.30配制的砂漿成型后的配方調整對砂漿強度的影響試驗結果，如表2所示。分析表明28 d抗壓強度從20.8 MPa到65.0 MPa，28d抗折強度從6.8 MPa到14.7 MPa，28 d抗拉強度從2.82 MPa到7.55 MPa。28 d壓折比為2.79～4.51，綜合性能較好的壓折比為3.5～4.5。

1.2.3 黏結強度

經過配方的調整，測定黏結強度的結果如表3。表明配方調整后28d黏結強度由2.43 MPa可提高至4.61 MPa。這說明調整有效，滿足相關要求。

1.2.4 吸水率

配方調整后的砂漿吸水率試驗結果見表4。表中3 h的吸水率除了R081外基本都小于1%，但隨著時間的延長，吸水率增大。不同配方吸水率有較大差異。且空白砂漿試塊初始吸水率就很高，48 h后趨向飽和，R081吸水率較高，R078吸水率最低。

2 改性樹脂乳液砂漿性能分析

2.1 抗氯離子滲透性能

按照現行行業標準[7-8]中的有關試驗方法進行試驗，試驗選擇了2種較優配方摻入砂漿中，試驗結果見表5，結果表明，改性樹脂乳液砂漿抗氯離子滲透性能優良。

表1 配方調整對樹脂乳液砂漿減水率影響

表2 配方調整對樹脂乳液砂漿強度的影響

表3 配方調整對樹脂乳液砂槳黏結強度影響

表4 改性樹脂乳液砂槳吸水率

表5 氯離子滲透深度和氯離子擴散系數試驗

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

從上述選取幾個較好的配方，進行改性樹脂砂漿的抗硫酸鹽性能的試驗，試驗按《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》GB/T 749—2008[9]推薦的試驗方法進行。試驗結果見表6。結果表明改性樹脂乳液砂漿的抗硫酸鹽侵蝕系數均大于空白普通砂漿，說明其具備抗硫酸鹽侵蝕的性能。

測試了改性樹脂乳液砂漿在5 %硫酸鈉溶液干濕交替作用下的砂漿抗壓強度耐蝕性能，試驗按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082—2009[10]中的有關規定執行，試驗結果見表7。可知，普通砂漿經150個干濕交替循環后，耐蝕系數Kf下降到85%，即砂漿抗壓強度下降了15%，此時砂漿表面開始出現細裂縫。樹脂乳液砂漿經150個干濕交替循環后，耐蝕系數Kf為139%，砂漿表面完好，樹脂乳液砂漿抗硫酸鹽腐蝕性能良好。

2.3 收縮率

選擇2種乳液進行乳液水泥砂漿收縮率試驗，試驗方法按《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》DL/T 5126—2001[11]中的有關規定執行，結果見表8。表中顯示空白砂漿收縮最大，改性乳液砂漿明顯減小了收縮，XB-83試驗結果有微小膨脹，57 d才開始收縮，說明改性樹脂乳液砂漿明顯降低了砂漿收縮率。

表6 抗硫酸鹽侵蝕性能

表7 50%Na2SO4活液干濕交替作用下的耐蝕系數

表8 改性樹脂乳液水泥砂漿的收縮率試驗

2.4 耐久性

2.4.1 抗滲和抗碳化性能

碳化試驗按標準DL/T 5126—2001[7]進行，結果見表9。試驗結果表明改性樹脂乳液砂漿抗滲性能和抗碳化性能明顯提高。

2.4.2 抗凍融循環性能

凍融試驗是檢驗改性樹脂乳液砂漿耐高低溫循環性能。表10是改性樹脂乳液砂漿凍融性能的試驗結果。試驗表明普通砂漿凍融循環至100次，重量損失高達18%，抗凍等級為F50，樹脂乳液砂漿經300次凍融循環后，重量幾乎不損失，抗凍等級大于F300。

2.5 聚合物樹脂乳液材料性能

按照試驗優選配方，經過工藝試驗，調整反應溫度、滴加速度和反應時間，最終試驗得到合格產品。改性樹脂乳液產品的性能見表11。改性樹脂乳液砂漿的性能檢測結果見表12。

表9 改性樹脂乳液砂漿抗滲及抗碳化性能

表10 改性樹脂乳液砂漿的抗凍融試驗結果

綜上，研制的新型聚合物改性樹脂乳液砂漿不但顯示其優越的綜合性能，而且因其成本低、施工方便、環保無毒性而在許多工程中成功地作為一種新型修補、防滲、防腐、防凍材料加以應用。

3 配制及施工要點

根據乳液特性和使用情況，研究制訂了改性樹脂乳液砂漿配制及施工技術要求如下：

表12 改性樹脂乳液砂漿性能指標

(1)使用42.5以上級硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥符合國標要求，新鮮無結塊。拌制乳液砂漿所用砂需過2.5 mm篩，砂子含水率應小于4%，品質滿足相關規程要求。

(2)乳液需貯存在0 ℃以上的環境中，不宜暴曬，保存期為2 a。施工時一般要求氣溫高于5 ℃，當氣溫低于5 ℃或預計有雨或雪時，不宜施工。

(3)修補施工前須清除基底表面污物，塵土和松軟、脆弱部分，有條件鑿毛更好，然后用清水沖洗干凈，施工前應使待施工面處于潮濕飽水且無積水狀態，在薄層(2 cm以下)修補區的邊緣，宜鑿一道3～5 cm深的齒槽，以增加修補面與老混凝土的黏結。

(4)施工前準備好各種容器、拌合及養護等用具，如噴霧器。

(5)施工前要通過試拌確定配合比，計算修補所需材料用量，草包等。確定每次拌合物數量時，要求所拌砂漿能在30～45 min內使用完，不可一次拌和過多數量。

(6)拌合時，先將水泥、砂干拌均勻，然后加乳液充分拌合均勻。乳液砂漿應采用人工攪拌，不宜機械攪拌。嚴格按設計配比準確稱量，水泥稱量允許偏差小于1%，砂子允許偏差小于2%，乳液、水允許偏差小于0.5%，嚴格控制加水量，并將流動度控制在規定的范圍內，便于施工即可。乳液砂漿參考配比為水泥∶砂∶乳液∶水=1∶(1.5～2.5)∶( 0.25～0.3)∶適量。

(7)涂抹砂漿時，在修補面上需先涂刷一層乳液凈漿，并在凈漿未硬化前即鋪筑乳液砂漿。凈漿配比為1 kg乳液加2 kg水泥，攪拌成漿，拌勻無水泥團。界面處理也可采用混凝土專用界面劑。

(8)砂漿鋪筑到位后，用力壓實，然后抹面，抹面時應向一個方向抹，一次抹平，不要來回多次地抹，不要二次收光。仰面和立面施工，涂層厚度超過7 mm時，需分二次抹壓，以免重垂脫空。修補面積較大時，可隔塊跳開分段施工。

(9)乳液砂漿表面抹平略干后，宜用噴霧保濕養護或用薄膜覆蓋，終凝后灑水養護，潮濕養護7 d后，即可自然干燥養護。施工要求避風、避陽，采用噴霧保濕，夜間施工等措施。

(10)施工機具應在施工前后清洗干凈。

4 結 論

(1)凍結和融化會影響乳液的穩定性，輕則造成乳液表觀黏度上升，重則造成乳液的凝聚。低水灰比高流動度的情況，樹脂乳液砂漿減水率高；隨著時間的延長，樹脂乳液砂漿吸水率增大，28 d壓折比介于2.79～4.51 MPa，具備抗氯離子和抗硫酸鹽侵蝕的滲透性能。改性乳液砂漿收縮率明顯減小，抗滲性能和抗碳化性能明顯提高。

(2)通過研制高寒區渠道快速修復混凝土聚合物乳液，根據乳液特性和使用情況，研究制訂了改性樹脂乳液砂漿配制及施工技術要求，為寒區渠道搶險與修復工作提供了前沿技術支撐。