快硬型水下不分散劑水下混凝土裂縫修補(bǔ)應(yīng)用研究

王冬，樊金光，唐修生，石明建

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211161；3.水利部水工新材料工程技術(shù)中心，江蘇 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 馬鞍山 238281；5.寧波航通預(yù)制構(gòu)件有限公司，浙江 寧波 315221）

0 前 言

我國(guó)水利水電、輸水戰(zhàn)略、重大交通等涉水工程量巨大，水下混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役承受水壓、溫度梯度、水流沖刷、侵蝕環(huán)境和荷載作用等因素影響，加上部分混凝土施工質(zhì)量控制不好，很容易出現(xiàn)裂縫、蜂窩等缺陷問(wèn)題[1]。據(jù)調(diào)查，我國(guó)擁有9.8萬(wàn)座水庫(kù)大壩，其中80%以上建于20世紀(jì)50～70年代，近70%的大型混凝土壩在運(yùn)行過(guò)程中受水下混凝土裂縫破壞影響正常使用，尤其是黃河干流和西南地區(qū)的水電工程[2]。水下混凝土缺陷的存在，嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)承載性能，急劇縮短了水工建筑物的使用壽命，直接影響工程的安全運(yùn)行，迫切需要適用于水下混凝土裂縫修補(bǔ)相關(guān)材料開(kāi)發(fā)。

目前，用于混凝土裂縫缺陷的修補(bǔ)材料眾多，如環(huán)氧灌漿料、快速堵漏材料、聚氨酯灌漿材料、彈塑性密封材料等[3]，但其中的大部分只適用于干燥或潮濕環(huán)境，許多水工建筑物不具備將水放空的條件，必須在水介質(zhì)條件下進(jìn)行混凝土裂縫缺陷的修補(bǔ)施工，常常需要帶水作業(yè)，甚至需深水作業(yè)。

水下不分散混凝土以密度大、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、耐久性好等特點(diǎn)被廣泛接受和認(rèn)可，已在水下施工中得到應(yīng)用。目前，水下不分散劑配制凈漿、砂漿用于水下混凝土裂縫、蜂窩等缺陷處灌漿作業(yè)正在被技術(shù)人員深入研究。

快硬型水下不分散劑是以高強(qiáng)度的無(wú)機(jī)礦物細(xì)粉料及增粘性礦物細(xì)粉為主體基料，復(fù)配有機(jī)高分子抗水聚合物、有機(jī)表面活性劑、流化劑、增強(qiáng)劑及促進(jìn)劑等多種材料制成，由它配制的水泥基修補(bǔ)材料具有快硬、高強(qiáng)、水下抗分散性高、粘結(jié)力好、超大流動(dòng)度、體積穩(wěn)定性好、施工方法簡(jiǎn)易、無(wú)毒等特性。本文針對(duì)水下混凝土裂縫缺陷部位特點(diǎn)，研究快硬型水下不分散劑配制灌漿料使用配合比及應(yīng)用性能，為水下混凝土工程修補(bǔ)質(zhì)量提供有效數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，海螺水泥，其化學(xué)成分見(jiàn)表1；快硬型水下不分散劑：JK-PR400，自制；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；石子：碎石，粒徑5~16 mm。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

1.2 主要試驗(yàn)方法

流動(dòng)度：參照GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄A.0.2進(jìn)行測(cè)試。

凝結(jié)時(shí)間：參照GB/T1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

抗壓強(qiáng)度：參照DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試

粘結(jié)強(qiáng)度：參照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水下修補(bǔ)灌漿料配合比及其性能

（20±2）℃條件20下，分別內(nèi)摻10%、15%、20%JK-PR400等質(zhì)量取代水泥，在0.30、0.35、0.40水膠比條件下，測(cè)試漿體流動(dòng)度、流動(dòng)度損失、凝結(jié)時(shí)間、水上/水下力學(xué)強(qiáng)度等性能，試驗(yàn)配合比及測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 JK-PR400配制水下混凝土裂縫修補(bǔ)灌漿料的配合比及其性能

由表2可以看出：

（1）在水膠比為0.30、0.35、0.40條件下，JK-PR400摻量由10%增加到20%，水泥凈漿初始流動(dòng)度不斷減小，30 min流動(dòng)度損失不斷增大，漿體凝結(jié)時(shí)間不斷縮短；JK-PR400摻量一定時(shí)，隨水膠比增大，漿體初始流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間也不斷增加。在水膠比為0.35條件下，JK-PR400摻量為15%條件下，初始流動(dòng)度仍達(dá)到230 mm，30 min流動(dòng)度為180 mm，漿體初凝時(shí)間50 min，終凝時(shí)間75 min。可見(jiàn)，JK-PR400摻量不大于15%、水膠比不小于0.30時(shí)，漿體都具有可灌性、終凝時(shí)間可控制在1~2 h。

（2）在水膠比為0.30條件下，JK-PR400摻量由10%增加到20%，水泥凈漿水上/水下抗壓強(qiáng)度不斷降低，28 d水陸強(qiáng)度比不斷增大；0.35、0.40水膠比條件下，JK-PR400摻量由10%增加到20%，水泥凈漿3 d、7 d水上/水下抗壓強(qiáng)度不斷降低，28 d水上/水下抗壓強(qiáng)度先降低后提高，28 d水陸抗壓強(qiáng)度比也呈先增大后減小的趨勢(shì)；隨水膠比增加，凈漿抗壓強(qiáng)度不斷下降，除水膠比0.40外，其它水膠比下、JK-PR400摻量由10%增加到20%都可保證7 d水陸強(qiáng)度比大于80%、28 d水陸強(qiáng)度比大于90%，且28 d水下抗壓強(qiáng)度大于40 MPa和60 MPa。

（3）水膠比和JK-PR400摻量增大對(duì)漿體水下粘結(jié)性能影響很大，水膠比和JK-PR400摻量分別不大于0.35和15%情況下，可保證漿體水下較好良好粘結(jié)性能。

綜合以上灌漿料可操作性、水下抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度和抗分散性研究結(jié)果，確定J1-1、J1-5作為水下混凝土裂縫修補(bǔ)灌漿料的配比方案。

2.2 應(yīng)用性能

水下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，材料性能常常受到水流、水溫、水壓等環(huán)境條件變化因素的影響。施工中水流、水壓變化常通過(guò)觀測(cè)水文氣象、采用不同施工工藝或裝備控制，但施工環(huán)境溫度不好調(diào)整，雖然水中溫度的波動(dòng)范圍相對(duì)陸地上小，但低溫環(huán)境材料性能變化常給施工造成困擾。低溫水下成型及低溫養(yǎng)護(hù)見(jiàn)圖1、圖2。分別測(cè)試了水下修補(bǔ)灌漿料在（20±2）℃和0~4℃低溫環(huán)境條件下的水下凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、抗分散性和粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 低溫水下成型

圖2 低溫養(yǎng)護(hù)

表3 不同環(huán)境溫度下水下混凝土裂縫修補(bǔ)灌漿料性能對(duì)比

由表3可以看出：

（1）0~4℃相對(duì)23℃環(huán)境條件下，水下凝結(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)，J1-1相比J1-5延長(zhǎng)時(shí)間較短，2組灌漿料0~4℃在1~3 h內(nèi)均可終凝；0~4℃低溫時(shí)水下修補(bǔ)灌漿料強(qiáng)度發(fā)展遲緩，特別是早期強(qiáng)度發(fā)展，J1-5的JK-PR400摻量高和水膠比大，低溫強(qiáng)度發(fā)展變慢更明顯，但2組灌漿料在0~4℃低溫條件下的28 d抗壓強(qiáng)度仍分別可達(dá)60 MPa和40 MPa以上。

（2）0~4℃相對(duì)23℃環(huán)境條件下水陸強(qiáng)度比沒(méi)有降低，說(shuō)明溫度對(duì)材料的抗分散性無(wú)影響；0~4℃時(shí)低溫粘結(jié)強(qiáng)度有所下降，這也是低溫水化發(fā)展慢的結(jié)果，但J1-1、J1-5配比方案的28 d粘結(jié)性能在低溫下也良好，特別是JK-PR400摻量低、水膠比低的J1-1。總體來(lái)說(shuō)，水下修補(bǔ)灌漿料低溫環(huán)境也可快速凝結(jié)，并具有高強(qiáng)和良好粘結(jié)性能。

3 結(jié)論

（1）JK-PR400內(nèi)摻取代10%~15%水泥，水膠比控制在0.30~0.35時(shí)，配制的水下修補(bǔ)灌漿材料J1-1、J1-5均可在1~3 h內(nèi)快速凝結(jié)，施工周期短，施工方便易操作。

（2）配制的水下修補(bǔ)灌漿料J1-1、J1-5水下抗分散性好，7 d水陸抗壓強(qiáng)度比大于80%、28 d水陸抗壓強(qiáng)度比大于90%；28 d水下抗壓強(qiáng)度分別可高于60 MPa和40 MPa；水下28 d粘結(jié)強(qiáng)度大于2.0 MPa。

（3）0~4℃低溫環(huán)境下，材料水化速度降低，早期強(qiáng)度發(fā)展受到影響，但仍可在1~3 h內(nèi)凝結(jié)；后期材料性能影響料小，根據(jù)工程施工實(shí)際情況可在J1-1和J1-5中進(jìn)行調(diào)整。

（4）水下修補(bǔ)灌漿料的優(yōu)異性能可為水下混凝土裂縫修補(bǔ)質(zhì)量提供有效保證。