大壩裂縫修補用低黏度化學(xué)材料適應(yīng)性研究

黃金星

(福建路港(集團)有限公司,福建 泉州 362000)

1 概 述

在環(huán)境溫度和濕度的影響下,大壩混凝土面板經(jīng)常出現(xiàn)寬度小于1mm的微裂縫,降低了大壩的建筑質(zhì)量和服役耐久性。選擇適當?shù)男扪a材料能有效延緩混凝土微裂縫的持續(xù)發(fā)展,提高大壩混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,這就要求修補材料具有較低的黏度、優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能[1]。現(xiàn)有裂縫維修化學(xué)材料黏度大,力學(xué)及使用性能難以滿足維修要求。因此,對化學(xué)修補材料進行改性和降低黏度具有重要意義。

針對降低化學(xué)修補材料的黏度,研究人員進行了相關(guān)研究。馬偉麗等[2]使用二酸二丁酯作為非活性稀釋劑來降低E-51化學(xué)修補材料的黏度,通過剪切法、動態(tài)熱分析和三點彎曲試驗發(fā)現(xiàn),稀釋劑可以延長化學(xué)修補材料的固化反應(yīng)時間,改善化學(xué)修補材料的彎曲性能,降低了化學(xué)修補材料的高溫力學(xué)性能。陳小攀等[3]使用活性稀釋劑丁二醇甘油醚(BDDGE)降低化學(xué)修補材料的黏度,隨著稀釋劑含量的增加,固化的化學(xué)修補材料逐漸從脆性斷裂變?yōu)轫g性斷裂;采用聚乙二醇和甲苯分別作為活性稀釋劑和非活性稀釋劑降低化學(xué)修補材料的黏度發(fā)現(xiàn),化學(xué)修補材料的熱穩(wěn)定性隨著稀釋劑質(zhì)量分數(shù)的增加而降低。馬國金等[4-6]使用丁香酚單官能團甘油醚為活性稀釋劑,制備二酚基正戊酯縮水甘油醚,測試了化學(xué)修補材料在交變溫度下的性能,稀釋劑顯著降低了化學(xué)修補材料的黏度,損害了化學(xué)修補材料的熱穩(wěn)定性。

目前,纖維素增韌化學(xué)修補材料和稀釋劑降黏在現(xiàn)澆混凝土細裂縫修補中的應(yīng)用還鮮有報道。鑒于此,本文選擇纖維素作為改性劑,PR-Ⅰ、PR-Ⅱ和PR-Ⅲ作為稀釋劑,優(yōu)化纖維素改性化學(xué)修補材料的制備工藝,制備用纖維素改性的低黏度化學(xué)修補材料,揭示不同環(huán)境條件下材料耐久性能演變規(guī)律,為纖維素改性低黏化學(xué)修補材料修復(fù)水工大壩混凝土面板細裂縫奠定基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 原材料

化學(xué)修補材料為雙酚(E-54)水泥混合料,纖維素為增韌劑,低分子量聚酰胺D230為固化劑,3種稀釋劑分別為聚醚類-Ⅰ(PR-Ⅰ)、聚醚類-Ⅱ(PR-Ⅱ)和聚醚類-Ⅲ(PR-Ⅲ),酸二丁基錫(DBTDL)用作化學(xué)修補材料的催化劑。

2.2 纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料的制備流程

為了保證化學(xué)修補材料良好的流動性,采用活性稀釋劑,降低纖維素改性化學(xué)修補材料的黏度,以聚醚胺D230為固化劑,制備纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料。制備過程如下:

1)將化學(xué)修補材料改性纖維素、固化劑和活性稀釋劑預(yù)熱至25℃。

2)將一定比例的纖維素改性化學(xué)修補材料和稀釋劑放入500ml燒杯中,300r/min攪拌2min。

3)纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料采用35%D230(纖維素改性化學(xué)修補材料質(zhì)量比),300r/min攪拌3min制備。

2.3 測試方法

2.3.1 高溫沖擊試驗

大壩混凝土內(nèi)部溫度由里及表從85℃降至15℃,持續(xù)約1.5h,具有先快后慢的特征,大壩混凝土底部溫度的變化具有一定的隨機性。考慮到大體積混凝土內(nèi)部水化熱對化學(xué)修補材料性能的影響,將固化的拉伸試樣和8字形試樣分別放置在100℃的高低溫交替試驗箱中,采用梯度冷卻法,溫度在2.5℃/min下冷卻30min,然后1℃/min冷卻60min,1.5h后取出樣品,測試材料的拉伸和黏接性能。

2.3.2 溫度變化試驗

由于夏季混凝土表層白天溫度達到65℃以上,下部浸水層溫度接近60℃,夜間降至15℃左右,混凝土細裂縫修補材料也將長期處于溫度變化的環(huán)境中,因此設(shè)計化學(xué)修補材料的溫度變化試驗。8字形試件和啞鈴形試件分成3組,保持在60℃、25℃和12℃,每24h為一個周期,分別在在7、15和30天后測試拉伸和黏結(jié)性能。

2.3.3 凍融試驗

考慮到我國北方明顯的季節(jié)性變化,化學(xué)修補材料在使用過程中必然受到凍融破壞的影響,參照《建筑涂料涂層耐溫變性試驗方法》(JG/T 25-2017),將固化良好的8字形試樣和啞鈴形試樣分為3組。先在23℃±2℃水中浸泡18h,然后在-20℃±2℃水中冷凍3h,再在25℃±2℃恒溫養(yǎng)護箱中融化3h作為一個循環(huán),在10、20和30個凍融循環(huán)后測試拉伸和黏結(jié)性能。

3 結(jié)果與討論

為了進一步闡明不同環(huán)境影響下纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料的耐久性能,本文通過高溫沖擊試驗、溫度變化試驗和凍融循環(huán)試驗,研究化學(xué)修補材料(C)、化學(xué)修補材料-I(C-I)、化學(xué)修補材料(C-II)和化學(xué)修補材料(C-III)的拉伸強度及黏結(jié)強度。

3.1 高溫沖擊性能

考慮大壩面層混凝土在夏季高溫條件下,高溫沖擊對化學(xué)修補材料力學(xué)性能的影響,通過模擬面層混凝土的溫度變化,測試化學(xué)修補材料在高溫沖擊下的拉伸性能和黏結(jié)強度,測定不同化學(xué)修補材料的耐高溫沖擊性能,結(jié)果見圖1。

圖1 化學(xué)修補材料在高溫沖擊下的拉伸性能

由圖1可以看出,高溫沖擊后,化學(xué)修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率均有不同程度的下降。化學(xué)修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率在10℃分別為8.21%和4.92%,纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料低溫拉伸強度和斷裂伸長率的衰減率分別為10.30%～11.72%和5.13%～6.97%。抗拉強度化學(xué)修補材料在25℃下的斷裂伸長率和斷裂伸長率分別降低7.81%和6.38%。室溫下,纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率分別降低9.10%～11.15%和6.18%～6.38%。

可以看出,活性稀釋劑降低了化學(xué)修補材料的內(nèi)部交聯(lián)密度,降低了材料的熱穩(wěn)定性。但纖維素并不能完全緩解稀釋劑的不利影響,導(dǎo)致纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料的耐高溫性能略低于化學(xué)修補材料。但經(jīng)過高溫沖擊后,低黏度纖維素改性化學(xué)修補材料的抗拉強度和斷裂伸長率在10℃時仍高于55MPa和6.0%,在25℃時抗拉強度和斷裂伸長率分別大于40MPa和6.0%。

3.2 耐溫變性

為了確定不同化學(xué)修補材料的耐溫性能,模擬大溫差地區(qū)夏季晝夜交替溫度變化情況,測試化學(xué)修補材料在25℃～60℃溫度變化條件下,0、7、15和30天時的拉伸性能和黏結(jié)強度。不同化學(xué)修補材料在變溫條件下黏結(jié)強度結(jié)果見圖2。

圖2 化學(xué)修補材料在溫度變化下的黏結(jié)強度

由圖2可以看出,4種化學(xué)修補材料在25℃和60℃下的黏結(jié)強度隨著溫度變化循環(huán)時間的延長先升高后降低,經(jīng)15天熱循環(huán)處理后,黏結(jié)強度開始下降,經(jīng)過30天的熱循環(huán)處理后,4種化學(xué)修補材料的黏結(jié)強度衰減率約為1.5%。黏結(jié)強度在25℃時依次為C-Ⅱ>C-Ⅲ>C-Ⅰ>C,纖維素改性修補材料在25℃時的黏結(jié)強度分別比化學(xué)修補材料高0.63、0.52和0.33MPa。4種化學(xué)修補材料在60℃時的黏結(jié)強度分別為3.16、3.48、4.15和3.85MPa,可以看出,經(jīng)過30天的溫度循環(huán)處理后,纖維素改性的低黏度化學(xué)修補材料仍然具有良好的黏接性能。

3.3 抗凍融性能

通過凍融循環(huán)試驗,探討不同化學(xué)修補材料在凍融循環(huán)條件下性能變化規(guī)律,測試在0、10、20和30次凍融循環(huán)后化學(xué)修補材料的拉伸性能和黏結(jié)強度,結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 化學(xué)修補材料在凍融循環(huán)下的拉伸性能

圖4 化學(xué)修補材料在凍融循環(huán)下的黏結(jié)強度

由圖3可以看出,隨著凍融次數(shù)的增加,化學(xué)修補材料的拉伸強度和斷裂伸長率逐漸降低,經(jīng)過30次凍融循環(huán)后,纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料的低溫抗拉強度衰減率為7.8%～9.6%,化學(xué)修補材料的低溫抗拉強度衰減率為6.8%。但C-Ⅰ、C-Ⅱ和C-Ⅲ修補材料的低溫抗拉強度仍高于60MPa,相當于沒有凍融循環(huán)的化學(xué)修補材料的低溫抗拉強度。與化學(xué)修補材料相比,纖維素改性化學(xué)修補材料的10℃伸長率分別提高22.0%、9.5%和6.3%。同樣,與化學(xué)修補材料相比,硅改性低黏度化學(xué)修補材料在25℃下的抗拉強度衰減率為8.6～10.9%,略高于化學(xué)修補材料,化學(xué)修補材料在25℃下的伸長率下降7.4%～11.5%,斷裂伸長率下降12.3%,表明加入活性稀釋劑和纖維素后,化學(xué)修補材料能夠保持良好的抗凍性。

由圖4可知,不同化學(xué)修補材料在室溫和高溫下的黏結(jié)強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。經(jīng)過30個凍融循環(huán)后,化學(xué)修補材料的黏結(jié)強度依次為C-II>C-III>C-I>C。與化學(xué)修補材料相比,C-I、C-II和C修補材料的黏結(jié)強度30次凍融循環(huán)后增加11.1%～13.3%、19.3%～34.8%、15.3%～24.6%。經(jīng)過30次凍融循環(huán)后,化學(xué)修補材料在25℃和60℃的黏結(jié)強度衰減率分別為7.12%和7.28%,C-I、C-II和C-III修補材料在25℃和60℃的黏結(jié)強度衰減率分別為6.2%、6.9%和5.0%～5.8%。其原因是硅錐的存在增加了材料的交聯(lián)密度,減輕了稀釋劑的負面影響。結(jié)果表明,纖維素能顯著提高化學(xué)修補材料的抗凍融性能,顯著減輕活性稀釋劑對化學(xué)修補材料黏結(jié)強度的不利影響。

4 結(jié) 論

本文選擇纖維素作為改性劑,聚醚類為稀釋劑,揭示了不同環(huán)境條件下材料耐久性能演變規(guī)律,結(jié)論如下:

1)纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料經(jīng)高溫沖擊后,抗拉強度和斷裂伸長率分別下降9%～15%和5%～12%,但其拉伸強度和斷裂伸長率仍分別高于40MPa和5%。

2)纖維素改性修補材料在25℃時的黏結(jié)強度分別比化學(xué)修補材料高0.63、0.52和0.33MPa,經(jīng)過30天的溫度循環(huán)處理后,纖維素改性的低黏度化學(xué)修補材料仍具有良好的黏接性能。

3)纖維素改性低黏度化學(xué)修補材料具有低黏度、良好的工作性、力學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性,可作為處理大壩混凝土微裂縫的首選加固材料。