引水隧洞混凝土裂縫修補后抗侵蝕性分析

呂 垚

（江西信江水利電力勘察設計有限公司，江西 上饒 334600）

0 引 言

引水隧洞是工程建設中經常選用的一種施工類型，在建設的過程中，主要依靠鋼筋混凝土結構，利用其作為隧洞的永久襯砌。在施工和隧洞后期運行的過程中，混凝土結構上都可能出現裂縫，由其引發的安全事故頻繁發生，因此應當引起相關負責人員的高度重視，并將混凝土結構修補作為重點研究內容[1]。當混凝土結構上出現裂縫時，常見的修補材料包括兩種，一種為有機物材料類，另一種為無機物材料類[2]。混凝土裂縫的修補效果主要取決于新材料與舊材料臨界位置上的粘結力。在利用有機材料完成修補時，通常使用環氧樹脂，利用這一材料的強粘結性實現修補[3]。只有在新舊臨界面上具備良好的粘結強度，才能夠確保混凝土整體承載力的提升。因此，為了進一步提升混凝土結構的抗侵蝕性，本文將開展下述實驗研究。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗研究對象

為實現對引水隧洞混凝土結構裂縫在修補完成后抗侵蝕性能的探究，選擇以某引水隧洞施工項目為例，針對該工程項目中使用的混凝土材料，對其在修補后的抗侵蝕性進行具體分析[4]。該引水隧洞施工項目中共包含5條輸水隧洞，其總長度為135km。在施工過程中，利用全斷面挖掘機進行施工，其總長度為117km，縱向坡度為1/3000和1/2130，相應的洞口橫截面直徑為6.2～7.5m。采用鉆爆法進行施工，鉆爆施工長度為25km，在鉆爆施工時隧洞斷面結構表現為標準馬蹄形，縱向坡度為1/5600和1/4000，對應的洞口橫截面直徑為6.2～7.5m。該引水隧洞巖石破碎較為嚴重，并且在隧洞的周圍存在不穩定的圍巖，自穩能力較弱，屬于IV類型圍巖[5]。施工過程中所使用的混凝土材料包含三種不同等級，分別為C50等級、PEC50等級和C60等級，表1為三種等級下混凝土材料的力學性能記錄表。

表1 三種等級混凝土材料的力學性能記錄表

在對混凝土結構進行修補時，采用NR修補材料，該材料密度為1.13g/cm3；粘度為100～500MPa·s；拉伸強度為20～40MPa；彎曲強度為40～90MPa。

1.2 實驗材料與設備

在對上述混凝土結構澆筑材料進行制備時，所需材料包括水泥、粉煤灰、砂、石子、水等，除此之外，根據混凝土制備條件，添加適量減水劑和聚丙烯纖維[6]。選擇的水泥材料為52.5MPa硅酸鹽水泥，該規格水泥符合混凝土材料配比的基本性能要求，澆筑材料當中的細集料采用細度模數為2.1的河沙；粗集料采用粒徑在5.5～25.5mm范圍內的玄武巖碎石[7]。上述三種不同等級的混凝土采用的材料配合比均不同，表2為三種等級混凝土配合比對應表。

表2三種等級混凝土配合比對應表 kg/m3

本文實驗當中選用的聚丙烯纖維的單絲纖度≤2.2 dtex；燃點為590℃，將其應用到對混凝土澆筑材料的制備當中可以有效提高混凝土的抗裂性、抗滲性以及抗沖模性[8]。同時，材料當中的聚丙烯纖維能夠實現均勻分布，以期能夠起到良好的微配筋作用，確保混凝土結構的完整性，避免混凝土結構受到沖擊時產生分散成許多碎片問題產生[9]。

針對上述實驗研究對象，為實現對混凝土抗壓強度的測定，選擇型號為YAW-30T的非金屬材料巖石萬能試驗機作為實驗的測量設備。YAW-30T試驗機的電源為220V；重量為500kg；測力精度為1N；測力范圍在12～300KN之間；控制方式為微機控制；壓板尺寸為125mm；壓縮空間為200mm；試驗行程為100mm；兩個立柱之間的間距為300mm；試驗速度為0.05～50mm/min[10]。同時，利用該實驗設備在對混凝土的抗壓強度進行測量時，其相對誤差不超過±1%，充分符合本文實驗的實驗數據精度要求，也能夠使實驗最終得出的結論更具備說服力。

1.3 實驗分析方法

在實驗過程中，通過對氯離子滲透情況的探究可實現對混凝土裂縫修補后氯鹽侵蝕性的直觀分析。在實驗過程中，結合NEL法對混凝土結構上氯離子滲透情況進行測定，在實驗開始前對本文實驗的研究對象進行真空飽鹽處理。在實驗開始時，將試件表面的水分擦干，并將其放置在規格為Φ50mm的夾具當中，針對其進行實驗探究。對其表面上產生的裂縫結構利用上述選擇的NR修補材料進行修補。在完成對混凝土裂縫的修補后，為探究其抗氯鹽侵蝕性能，選擇將Cl的擴散系數作為評價指標，Cl擴散系數越大，則說明修補后混凝土抗氯鹽侵蝕性能越差，反之Cl擴散系數越小，則說明修補后混凝土抗氯鹽侵蝕性能越強。Cl擴散系數可通過下述公式計算得出：

上述公式中，D表示為混凝土裂縫修補后受到氯鹽侵蝕時Cl的擴散系數；P表示為周圍環境中的氣體總壓，單位為Pa；T表示為周圍環境中的氣體溫度，單位為K；M表示為氯鹽中各物質組成的摩爾質量，單位為kg/kmol；v1和v2表示為氯鹽當中兩種分子的擴散體積。通常情況下，氯鹽侵蝕時，在環境溫度為272K時，Cl的擴散系數為1.25，將這一數據作為依據，為后續抗氯鹽侵蝕性能分析提供依據。

2 實驗結果分析與討論

2.1 修補后混凝土抗氯鹽侵蝕性能分析

按照上述實驗方法，先針對完成修補后混凝土結構的抗氯鹽侵蝕性能進行分析。將通過上述公式計算得出的Cl的擴散系數記錄，并將相關數據統計，繪制成如圖1所示的混凝土裂縫修補后Cl擴散系數統計圖。

圖1 混凝土裂縫修補后Cl擴散系數變化圖

從圖1得出的實驗結果可以看出，三種不同強度等級的混凝土材料，其在修補前后基體的Cl擴散系數均超過了1.5×10-8，基體修補前Cl擴散系數按照從大到小的排序依次為：C50＞PFC50＞C60；修補后Cl擴散系數按照從大到小的排序依次為：PFC50＞ C50＞C60。同時，C50混凝土本身修補前的Cl擴散系數與修補后相比更大；PFC50等級混凝土本身修補前的Cl擴散系數與修補后相比更大；C60等級混凝土本身修補前的Cl擴散系數與修補后相比更小。通過上述Cl擴散系數可以進一步分析得出修補后混凝土的抗Cl滲透性能的優劣。結合圖1所示內容可以進一步分析得出，采用NR修補材料對混凝土裂縫進行修補時，該材料能夠針對C50等級混凝土提供更有效的修補效果，有效降低了Cl離子的擴散。修補材料在完成對混凝土裂縫的修補后，其與混凝土基體之間出現了粘結，而粘結程度會在極大程度上影響到混凝土結構對Cl離子的抗滲透能力。從實驗得出的結果可以看出，修補材料能夠使其與混凝土基體之間形成良好的粘結效果，并且能夠在裂縫修補位置上形成致密的封閉結構。在這一結構的作用下，修補界面上的水分逐漸降低，因此對于材料固化成膜而言具有一定促進作用，實現對微裂縫、毛細孔等結構的封堵，除C60等級混凝土材料以外，NR修補材料針對其他兩種混凝土材料均具有良好的抗Cl離子滲透能力的改善作用。2.2 修補后混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能分析

完成上述對修補后混凝土抗氯鹽侵蝕性能分析后，再針對修補后混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能進行探究。將抗壓強度作為評價混凝土修補后抗硫酸鹽侵蝕性能的量化評價指標。若修補后的抗壓強度越高，則說明混凝土修補后抗硫酸鹽侵蝕性能越強；反之，混凝土的抗壓強度越低，則說明混凝土修補后抗硫酸鹽侵蝕性能越弱。根據上述論述，將利用YAW-30T的非金屬材料巖石萬能試驗機測得的混凝土試件抗壓強度數據記錄如表3所示。

表3 修補后混凝土抗壓強度記錄表

結合表3中的數據可以看出，在利用NR修補材料完成對三種不同類型混凝土的裂縫修補后，各個混凝土的抗壓強度均得到提升，但提升程度不同。其中，混凝土PFC50類型修補前后抗壓強度對比差值最大，說明NR修補材料對于這一類型混凝土的裂縫修補具有更強的促進作用。通過上述論述，從混凝土的抗壓強度可以實現對其修補后抗硫酸鹽侵蝕性能的分析，因此結合上述得出的實驗結果可以看出，NR修補材料針對三種混凝土類型對其裂縫進行修補時，針對PFC50類型混凝土的提升程度更明顯。進一步分析得出，NR修補材料本身具有良好的抗硫酸鹽侵蝕能力，并且在修補的過程中，在修補裂縫位置上形成更加致密且光滑的封閉層結構，能夠有效阻止硫酸鹽當中SO42-離子進入到混凝土內部結構當中，以此達到提升混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的提升。

3 結 語

通過本文上述論述，選擇以某引水隧洞建設工程項目為例，針對該工程中使用的混凝土構件作為實驗研究對象，針對其表面產生的裂縫進行修補，并對修補后混凝土的抗侵蝕性進行分析。本文從抗氯鹽侵蝕性和抗硫酸鹽侵蝕性共兩個方面進行探究，從得到的實驗結果分析得出NR修補材料的應用可行性方案。結合本文上述論述得出的結論，針對其他相似工程項目中的混凝土裂縫進行修補可針對性地選擇能夠促進混凝土基體抗壓強度和抗Cl擴散的修補材料。

以此確保得到預期的混凝土裂縫修補效果，確保引水隧洞工程的質量和運行的安全性和穩定性。