無機微納米物理改性膠凝材料在混凝土表面修補加固中的應用

崔赫威，史建勛，周繼元，張春海

（1.北京中水利德科技發展有限公司吉林省分公司，吉林長春130000；2.吉林省水利科學研究院，吉林 長春130021）

1 概述

東豐縣中育水庫位于吉林省遼源市東豐縣黃河鎮境內的大沙河右岸一級支流黃泥河上。水庫多年平均溫度3.6 ℃，屬于溫帶大陸季風性氣候區，根據多年氣象材料顯示，最高溫度達到33.5 ℃，最低極端溫度為-38.5 ℃，平均氣溫1.7～2.9 ℃。春季多風，夏季溫熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷，寒暑溫差較大，最大凍土深度為1.6 m。由于凍融的破壞和強度未達到設計要求，使水庫迎水坡出現開裂、脫落等問題。2020 年，對東豐縣中育水庫進行了全面調查，并用取芯試驗檢測了建筑物的混凝土強度。結果表明，現有混凝土建筑物問題主要表現在：混凝土建筑物表面存在裂縫；迎水混凝土表面凍融、剝落破壞；混凝土表面沖磨破壞等；混凝土強度不均。這些問題已影響到混凝土建筑物壽命和外觀，甚至影響到工程的正常安全運行。為了提高混凝土的耐久性，延長建筑物的使用壽命，2020 年6 月，對東豐縣中育水庫迎水坡模袋混凝土采用無機微納米物理改性膠凝材料進行修補加固，經過現場檢查驗收，沒有發現因施工或材料原因而出現裂縫、鼓包等現象。經過前期運行，修補部分沒有脫落和裂縫等問題出現，說明這種無機微納米物理改性膠凝材料是一種理想的修補材料。

2 材料的主要性能及適用范圍

無機微納米物理改性膠凝材料是一種新型的混凝土表面修補材料,是以無機聚合物為核心基礎的有機/無機雜化材料，屬新型微觀-介觀（微納米）超細材料。聚合物在微觀量級的各種成分均勻融合，使新材料具備了所有成分之間的特性甚至是一些新的特性。由此制備出性能奇特、克服常規材料缺陷的新型功能材料。主要體現在：

1）活性作用。聚合物中有表面活性劑，能夠起減水作用。同時對水泥顆粒有分散作用，改善砂漿和易性，降低用水量，從而減少水泥的毛細孔等有害孔, 提高砂漿的密實性和抗滲透能力。

2）橋鍵作用。聚合物分子中的活性基因與水泥水化中游離的Ca2+，Al3+，Fe2+等離子進行交換,形成特殊的橋鍵，在水泥顆粒周圍發生物理、化學吸附，成連續相，具有高度均一性，降低了整體的彈性模量，改善了水泥漿物理的組織結構及內部應力狀態,使得承受變形能力增加，產生微隙的可能性大大減少。即使產生微裂隙，由于聚合物的橋鍵作用，也可限制裂縫的發展。

3）充填作用。聚合物乳液迅速凝結，形成堅韌、致密的薄膜，填充于水泥顆粒之間，與水泥水化產物形成連續相填充空隙，隔斷了與外界聯系的通道。

無機微納米物理改性膠凝材料與普通水泥性能比較見表1。

表1 無機微納米物理改性膠凝材料與傳統混凝土性能對比表

從表1 可以看出，與普通砂漿相比，無機微納米物理改性膠凝材料具有抗拉強度高、干縮變、抗凍、抗滲、抗沖耐磨,與混凝土粘結強度高，具有一定的彈性，抗裂性能高；而環氧砂漿雖具有強度高、粘合性好、抗滲效果好等特點，但其材料力學性能與基底混凝土不一致，環氧樹脂砂漿的膨脹系數一般在25×10-6～30×10-6/℃，為基底混凝土的2.5～3.0 倍，容易出現開裂脫落情況，而無機微納米物理改性膠凝材料克服了這些問題。根據無機微納米物理改性膠凝材料的特性，其適用于水工、海工、高鐵等混凝土建筑物因空蝕、凍融破壞而引起的混凝土表層開裂、剝蝕等混凝土表面薄層修補。

3 工程方案確定

根據現場情況東豐中育水庫迎水坡模袋混凝修補材料選擇擬定3 種方案：

1）第1 種方案，切割并拆除擬處理范圍內的模袋砂漿護坡，采用平均厚15 cm 常規C25F250 模袋混凝土重新澆筑。

2）第2 種方案，切割并拆除擬處理范圍內的模袋混砂漿護坡，采用平均厚15 cm 常規C25F250 混凝土板護砌，其下依次鋪設3 cm 水泥砂漿找平層、15 cm 碎石墊層。

3）第3 種方案，鑿除擬處理范圍內的模袋砂漿外表面2 cm，清除表面松動骨料后栽植錨固鋼筋及面層鋼筋網，分塊澆筑無機微納米膠凝改性材料配置的混凝土，平均厚7 cm。

以上3 種方案使用于混凝土補強工程均具備可行性，但第1 種和第2 種方案的工期較長，對完建的原有結構利用率較低，基本為拆除重建；方案2 需破壞拆除部分的護坡底部壩體及無紡布，施工難度較大，穩定性較差；而方案3較大程度利用了原有的護坡結構，在原結構基礎上進行補強、加固，施工工藝簡便易操作。在經濟價值方面來看，東豐中育水庫迎水坡模袋混凝土修補面積為2 519 m2，長513 m，第1，2方案需澆筑厚度為15 cm的常規混凝土，用量約為400 m3，其強度等級為C25，包括壩坡拆除、界面處理、澆筑碎石層、拆模、混凝土澆筑等，總概算為351萬和501萬；而采用第3種無機微納米物理改性膠凝材料的方案，澆筑厚度為7 cm，用量約為174 m3，其綜合造價為328 萬，因此最后選擇第3 種施工方案。無機微納米物理改性膠凝材料的應用，不僅減少了施工工序，加快施工進度，而且其施工成本也下降了，具有一定的經濟價值。

4 施工及質量控制

采用無機微納米物理改性膠凝材料進行修補加固處理時，應根據當地的氣候特點、工程特點及施工進度合理地組織安排施工。施工流程：鑿毛→用高壓水槍沖洗飽和→涂刷界面劑→抹無機微納米物理改性膠凝材料→養護。

4.1 基底處理

1）鑿毛為確保無機微納米物理改性膠凝材料與基底混凝土具有良好的粘結，一般用鋼絲刷或噴砂方法清除表面浮層污物。如基面松動嚴重，應采用人工鑿毛方法，鑿掉破損的混凝土，使基底露出堅硬、牢固的混凝土面。鑿毛必須徹底全面，但也不宜深度過大。

2）對鑿除的混凝土表面，采用高壓水槍將碎屑、浮塵沖洗干凈，使鑿完表層混凝土達到飽和狀態，且表面無明水。

4.2 材料的配制

根據選用的材料、設計技術及施工和易性的要求進行提前試拌。現場可用攪拌機或人工拌和,將稱好的無機微納米物理改性膠凝材料和水混合后加入，充分攪拌均勻后即可。各組分配比必須嚴格控制，每次拌和的用量應根據施工的進程確定, 拌和成的存放時間不宜超過30 min。若未及時使用而出現干硬現象，不能再加水重新拌和，以免影響水灰比，應舍棄不用。

4.3 施工

1）無機微納米物理改性膠凝材料涂抹之前，在工作基面上涂刷聚合物界面改性劑，涂刷時應均勻，不得有漏涂、流淌。

2）抹面施工時，待界面劑用手摸感到似粘非粘時，應立即抹無機微納米物理改性膠凝材料，且朝一個方向，一次用力抹平，避免反復抹出現開裂問題。

4.4 養護

新材料混凝土固化時間短、強度增長快，在環境溫度超過30 ℃時，應考慮采取降溫措施。通常無機微納米物理改性膠凝材料初凝后，在表面覆蓋一層塑料薄膜，終凝后持續撒水養護。

4.5 施工控制

在施工過程中，嚴格執行相關規范，事先安排技術人員等掌握新材料施工工藝流程、性能及特性指標；施工過程中，監理旁站監督,遇到問題及時解決。在新材料混凝土強度達到50%左右時，用鐵錘輕敲修補面，檢查修補質量，敲擊聲清脆為合格，反之則需要鑿除重新修補。

5 結語

無機納米膠凝材料作為新型修補材料，具有良好的抗滲、抗沖磨性能，粘結性強，適用于大規?；炷帘韺有扪a，與傳統膠凝材料相比施工工藝簡單、成本低。東豐中育水庫修補完成后，經前期運行來看，其修復面表面光滑、平整，提高了混凝土的耐久性，提高了水工混凝土建筑的使用年限，控制了混凝土病害的進一步擴大。此次修復的質量達到了預想要求，同時也取得了良好的經濟效益。同時進一步證明了無機納米膠凝材料是一種可靠、穩定、經濟、耐久的新型修復防護材料。