基于混凝土大壩裂縫修補材料的試驗研究

劉若華

(昌圖縣水利事務服務中心，遼寧 昌圖 112599)

水工混凝土作為用量最大的建筑材料，對于水利工程長效穩定運行發揮著至關重要的作用[1-2]。為維護水庫大壩的安全有效運行及其耐久性能，針對水庫大壩最常見的裂縫病害，研制裂縫修補材料的意義重大[3-6]。實踐表明，外部侵蝕性介質是造成混凝土自外向內劣化擴展以及水工結構耐久性下降的關鍵因素之一。受凍融循環、干濕交替、水流沖刷及溫度變化等因素作用，混凝土外表面不斷被碳化、剝蝕和風化，長期以往危害加劇并危及工程的整體安全[7]。因此，為降低工程使用壽命受混凝土裂化的不利影響，實現工程質量目標和設計使用壽命，必須嚴格控制裂縫的裂縫[8]。實際上，除優質的施工質量和科學合理的設計外，還要采取特殊材料保護混凝土表面。

近年來，為適應環保需求國外學者研制了一種新型綠色施工的聚脲彈性體技術，該技術集合了涂料、橡膠、玻璃鋼和塑料等多種功能，從根本上打破了傳統技術的局限，對修補混凝土裂縫具有較強的適用性[9]。近年來，在聚脲工業領域應用了一種聚天門氡氨酸酯聚脲材料，因具有高性能、慢反映、高耐久性等特點，徹底解決了傳統的伯胺聚脲原料附著力差、反應速度過快的問題。研究表明，異氰酸酯與聚天門氡氨酸酯發生反應可以獲取耐久性更好的聚脲材料。因此，文章利用異氰酸酯和聚天門氡氨酸酯制備混凝土裂縫修補材料，并深入研究了新型材料的耐久性能。

1 材料制備與試驗方法

1.1 原材料準備

試驗原材料主要有活性稀釋劑、硅烷偶聯劑、SiO2粒子、脂肪族異氰酸酯(B1、B2)和聚天門氡氨酸酯等。

1.2 復合材料制備

混凝土大壩裂縫修補納米復合材料的制備流程如下：①采用高速分散機將一定比例的硅烷偶聯劑、納米SiO2和活性稀釋劑高速(2000r/min)分散60min；②在高速分散機中將硅烷偶聯劑、納米SiO2、活性稀釋劑與聚天門氡氨酸酯的均勻混合物高速(1000r/min)分散30min，然后利用功率4kW、頻率80kHz的超聲分散機，按間隔5min、每次10min的原則分散3次，靜置60min后將混合物記為A組份；③命名B組分為結構不同的脂肪族異氰酸酯，結合異氰酸酯基當量和氨基當量合理設計A組分、B組分的用量比，最終制備成雙組分納米復合材料，納米復合材料配方，見表1。

表1 納米復合材料配方

1.3 力學性能試驗

根據樹脂澆鑄體的拉伸試驗及其性能試驗方法，按照相關要求和流程制作試件，并利用萬能試驗機測定標養21d后試樣的力學性能。

1.4 耐久性試驗

采用160mm×40mm×40mm的標準試件測試抗凍性能，抗凍等級F80，試驗過程中用滾筒等涂刷工具按照滾筒的方法將復合材料涂刷于試件表面，涂刷厚度約1mm，靜置7d后取出，然后利用MIT 683 063型全自動凍融試驗機按試驗規程規定的流程進行凍融試驗[10]。

本試驗利用邊長70.7mm的標準試件測試抗碳化性能，試驗過程中將復合材料涂刷試件表明，厚度厚度約1mm，靜置7d后取出，然后采用CCB-70W型碳化試驗箱按照試驗規程規定的方法進行碳化試驗[11]。

制備高100mm、直徑300mm的C40標準試件測試抗沖磨性能，試驗配合比為砂∶石∶粉煤灰∶水泥∶水=620∶1255∶90∶360∶135，試驗過程中將復合材料涂刷試件表明，厚度厚度約1mm，靜置7d后取出，然后利用HKS-Ⅱ型抗沖磨試驗機按試驗規程規定的方法進行抗沖磨試驗[12]。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能

依據《樹脂澆鑄體拉伸性能試驗方法》中的相關流程測試裂縫修復納米復合材料的斷裂伸長率、拉伸強度等力學性能，斷裂伸長率及拉伸強度受B1與B2比值的影響曲線，不同異氰酸酯比值的影響，見圖1。試驗表明，隨B1含量的增大雙組分納米復合材料的拉伸強度逐漸增加，但其斷裂伸長率不斷減小；隨B2含量的增加雙組分納米復合材料的拉伸強度逐漸減小，但其斷裂伸長率不斷增大。深入分析，B1分子鏈短且為剛性鏈段，所以有利于復合材料拉伸強度的提升，而B2分子鏈長且為柔性鏈段，所以有利于復合材料斷裂伸張率的提升。因此，在裂縫修補材料制備時應考慮工程現場實際情況，通過復配調整B1、B2及A組分摻量來滿足工程實際需求。雙組分納米復合材料的力學性能，見表2。

(a)對斷裂伸長率的影響

表2 雙組分納米復合材料的力學性能

2.2 抗凍融性能

凍融循環達到200次時，觀察涂刷和未涂刷裂縫修補材料的混凝土試樣凍融情況。結果顯示，凍融循環達到200次時未涂刷裂縫修補材料的混凝土試樣相對動彈性模量減小至54.1%，其重量損失率接近20%；凍融循環達到200次時涂刷裂縫修補材料的混凝土試樣相對動彈性模量僅減小了8.5%，試樣重量變化不明顯。可見，混凝土試樣涂覆裂縫修補材料能夠明顯改善其抗凍融性能。

2.3 抗碳化性能

碳化時間達到28d時，觀察涂刷和未涂刷裂縫修補材料的混凝土試樣碳化情況。結果顯示，碳化時間達到28時未涂刷裂縫修補材料的試樣碳化深度達到8.2mm，而涂刷裂縫修補材料的試樣未出現碳化。試驗表明，將混凝土試樣涂覆裂縫修補材料能夠明顯改善其抗碳化性能。

2.4 抗沖磨性能

沖磨時間達到72h時，觀察涂刷和未涂刷裂縫修補材料的混凝土試樣沖磨情況。結果顯示，沖磨時間達到200次時未涂刷裂縫修補材料的試樣質量損失達到1.6kg，而涂刷裂縫修補材料的試樣質量損失不足0.01kg。因此，將混凝土試樣涂覆裂縫修補材料能夠明顯改善其抗沖磨性能。

2.5 現場生產試驗

在太子河干流某水庫除險加固中對裂縫修補材料進行生產性試驗，結果顯示復合材料的修補效果良好。將聚天門氡氨酸酯納米復合材料涂刷在輸水渠坡和底板裂縫表面，經24h后現場檢驗該復合材料對底板和渠坡裂縫具有較好的修復效果，為除險加固工程的順利實施和驗收提供了可靠保障[13-20]。

3 結 論

本試驗利用分散機和硅烷偶聯劑制備了聚天門氡氨酸酯復合材料，并進一步探討了材料斷裂伸長率和拉伸強度受不同異氰酸酯類型的影響。結果顯示，將混凝土試樣涂刷彈性裂縫修補材料能夠明顯改善其抗沖磨、抗碳化和抗凍融性能，在水庫除險加固工程中這種納米復合材料取得了顯著修復效果，實際工程應用比較成功。