新型復(fù)合砂漿對(duì)混凝土抗?jié)B及加固性能的研究

尚守平　周豪　呂軍在

摘 要：采用HS-4型混凝土抗?jié)B儀以及抗?jié)B標(biāo)號(hào)法分別對(duì)素混凝土試塊、未摻加添加劑的水泥砂漿涂抹在混凝土迎水面的試塊及摻加新型添加劑的復(fù)合砂漿涂抹在混凝土迎水面的試塊進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，改變砂漿的涂抹厚度及添加劑的摻入量，分析各組試驗(yàn)所得混凝土抗?jié)B等級(jí)數(shù)據(jù).研究結(jié)果表明，厚度為20 mm及添加劑摻加量為18%的高性能復(fù)合砂漿涂抹在混凝土表面可大幅提高混凝土的抗?jié)B性能.高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)薄層可有效加固混凝土結(jié)構(gòu).

關(guān)鍵詞：復(fù)合砂漿；混凝土；耐久性；抗?jié)B性；結(jié)構(gòu)加固

中圖分類(lèi)號(hào)：TU578.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2974（2016）03-0098-06

混凝土的滲透性，主要是指混凝土具有抵抗內(nèi)部和外部物質(zhì)滲透的能力，是反映混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo).現(xiàn)階段許多高層建筑外墻出現(xiàn)了滲漏的問(wèn)題，溫差作用會(huì)使外墻混凝土干縮變形造成防水層起鼓開(kāi)裂，最終導(dǎo)致墻體出現(xiàn)裂縫.若防水材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)，或是因風(fēng)霜雪雨的浸蝕，防水材料老化失去作用，也可能出現(xiàn)漏水問(wèn)題.而且對(duì)于廁浴間防水更應(yīng)該重視，雖然只有幾平米，但它涉及到千家萬(wàn)戶(hù)的安居.建筑滲漏不但影響建筑物的耐久性、加大了建筑物的維護(hù)及修復(fù)成本、降低了混凝土建筑物的使用壽命，而且?guī)?lái)了一系列社會(huì)問(wèn)題，出現(xiàn)了許多業(yè)主與相關(guān)責(zé)任主體的維權(quán)糾紛，影響人們的生活及居住環(huán)境.自18世紀(jì)初以后，混凝土材料應(yīng)用在各大建筑工程中，包括水利工程及隧道工程[1].20世紀(jì)初，由于水壩等工程的修建，人們開(kāi)始更加關(guān)注混凝土材料的抗?jié)B性能，所以如何提高混凝土的抗?jié)B性成為了一個(gè)迫切需要研究的問(wèn)題[2].

另一方面，隨著建筑結(jié)構(gòu)使用時(shí)間的增加，我國(guó)面臨較多的老舊建筑加固修復(fù)問(wèn)題.現(xiàn)在的加固材料多為有機(jī)材料，有機(jī)材料耐火性能及抗老化性能較差，且不利于環(huán)保，而抗?jié)B性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)材料不但可以解決以上有機(jī)材料存在的材料弊端，而且與混凝土材料非常接近，不會(huì)形成材質(zhì)彼此不相容的隔離層，在加固后無(wú)機(jī)材料與原構(gòu)件之間有更好的相容性及工作協(xié)調(diào)性.采用無(wú)機(jī)材料加固能夠較好地解決加固工程中的耐久性問(wèn)題.

1 影響混凝土抗?jié)B性的因素及提高抗?jié)B性能的措施

1.1 選擇合理的水泥品種

水泥的礦渣中含有大量的玻璃體，其對(duì)混凝土的泌水性影響很大，在水壓力作用下，由于水泥漿中存在多余水分的蒸發(fā)而留下的氣孔，便會(huì)形成毛細(xì)管通道，從而不利于抗?jié)B.所以水泥品種的選擇對(duì)混凝土的抗?jié)B性尤為重要，一般工程建設(shè)中大多采用普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥及火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥.對(duì)于普通混凝土最好采用硅酸鹽水泥，在一些有硫酸鹽侵蝕的地方可以采用礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥.具體水泥品種及適用環(huán)境如表1所示.

1.2 降低水灰比

水灰比除了可以影響混凝土的抗?jié)B性及抗凍性，而且還對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度及耐久性有很大影響.如果從考慮混凝土密實(shí)性出發(fā)，便知混凝土的水灰比對(duì)硬化成型以后的混凝土當(dāng)中的孔隙通道及毛細(xì)管道起到?jīng)Q定性作用，從而會(huì)影響到混凝土的密實(shí)性而直接影響混凝土抗?jié)B性能.所以應(yīng)該保證水泥有足夠保水性而不出現(xiàn)泌水，這樣在混凝土中的多余水分蒸發(fā)后才不出現(xiàn)孔隙通道.

研究表明[3]，降低水灰比可以有目的地調(diào)整混凝土的毛細(xì)管構(gòu)造，當(dāng)水灰比大于0.6時(shí)，混凝土的抗?jié)B性急劇下降，如圖1所示.

1.3 摻加添加劑

摻加添加劑可以從材料上抑制或降低混凝土中孔隙的生成，例如纖維材料，經(jīng)振搗凝結(jié)后構(gòu)成一種宏觀勻質(zhì)和各向同性的混合混凝土材料，主要是減少混凝土孔隙的生成以堵塞和切斷孔隙透水通道.此外，摻加粉煤灰和硅粉也可以提高抗?jié)B能力.

1.4 加入引氣劑

摻加引氣劑能夠切斷毛細(xì)管道，抑制混凝土收縮，從而提高混凝土的抗?jié)B能力.

此外，優(yōu)良的骨料級(jí)配、改善養(yǎng)護(hù)條件和方法、選擇最佳砂率、控制好施工質(zhì)量以及增長(zhǎng)帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間等傳統(tǒng)方法都可不同程度地提高混凝土的抗?jié)B性能.

2 抗?jié)B試驗(yàn)研究

傳統(tǒng)方法對(duì)于提高混凝土抗?jié)B性能的效果不明顯[4-7]，抗?jié)B問(wèn)題一直是工程界及學(xué)術(shù)界研究的難題，取得的成果很少.本文提出了用摻入LX-3添加劑的高性能復(fù)合砂漿涂抹在混凝土的迎水壓面，此方法可有效提高混凝土的抗?jié)B性能.

混凝土抗?jié)B性測(cè)試方法主要有水滲透法、氣體滲透法和氯離子滲透法等方法[8-10].本試驗(yàn)采用水壓力法中的抗?jié)B標(biāo)號(hào)法.

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

水泥：由長(zhǎng)沙新星水泥廠生產(chǎn)的P.I32.5硅酸鹽水泥.砂：使用普通河沙，屬于Ⅱ區(qū)中砂.石子：5～20 mm連續(xù)級(jí)配的石灰質(zhì)碎石.LX-3添加劑：本材料由長(zhǎng)沙磊鑫土木技術(shù)工程有限公司生產(chǎn)，其主要成分由聚丙烯纖維、鈣礬石膨脹劑、減水劑、硅灰及粉煤灰等超細(xì)摻合料制成.H20型20T多功能壓力機(jī)，上海神模電氣有限公司制造.HS-4型混凝土抗?jié)B儀，無(wú)錫市華南實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造.混凝土抗?jié)B試模：上口直徑175 mm，下口直徑185 mm，高150 mm的圓臺(tái)試模.

2.2 試驗(yàn)前應(yīng)注意的問(wèn)題和解決的方法

1）因試塊和抗?jié)B儀模具之間存在空隙，在水壓力作用下水可能會(huì)從試塊側(cè)面空隙中滲出，因此密封問(wèn)題是面臨的最困難問(wèn)題.傳統(tǒng)的密封方法有石蠟密封、黃油密封、橡膠套密封、玻璃硅膠密封等[11]，在試驗(yàn)過(guò)程中采用了以上方法分別進(jìn)行密封，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水從側(cè)壁很快滲出，說(shuō)明密封失敗.然后發(fā)現(xiàn)采用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行密封效果良好，當(dāng)采用固化劑B膠（改性聚酰胺樹(shù)脂）為A膠（改性環(huán)氧樹(shù)脂）的一半時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然密封側(cè)壁不滲水，但是脫模困難，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)確定當(dāng)固化劑B膠用量為A膠用量的15%時(shí)，密封效果良好且容易脫模，則本實(shí)驗(yàn)采用環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行密封，如圖2所示.

2）將養(yǎng)護(hù)好的混凝土試塊表面晾干，將配好的環(huán)氧樹(shù)脂膠涂抹在混凝土試塊的側(cè)面，需要注意的是在試件的兩端面上不涂抹環(huán)氧樹(shù)脂膠.

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)測(cè)定素混凝土的抗?jié)B等級(jí)，首先對(duì)C10，C20和C30素混凝土及在素混凝土中摻加添加劑的試塊進(jìn)行試驗(yàn)，后期采用C10混凝土測(cè)定在混凝土受壓面涂抹未摻加添加劑的普通水泥砂漿的抗?jié)B等級(jí).然后測(cè)定在混凝土迎水面涂抹摻入LX-3添加劑的復(fù)合砂漿的抗?jié)B等級(jí)，通過(guò)改變砂漿中添加劑LX-3的摻入量及復(fù)合砂漿的厚度，與前期試驗(yàn)對(duì)比，最后整合數(shù)據(jù)，得出結(jié)論.

在制作素混凝土試塊時(shí)，采用普通硅酸鹽水泥，嚴(yán)格按照C10，C20，C30混凝土配合比，與制作混凝土中摻入添加劑試塊時(shí)的方法相似，并改變添加劑的摻入量.

在制作未摻加添加劑的普通水泥砂漿涂抹在混凝土迎水面的試塊時(shí)，首先在澆筑混凝土的模具中澆筑一定高度的水泥砂漿（水泥∶砂子∶水（質(zhì)量比）=1.0∶2.2∶0.32），在制作時(shí)每組制作6塊抗?jié)B試塊（如圖3所示）和6塊立方體試塊（如圖4所示），然后改變水泥砂漿的涂抹厚度，分別進(jìn)行試驗(yàn).制作摻入LX-3添加劑的高性能復(fù)合砂漿涂抹在混凝土迎水面的試塊時(shí)，在砂漿中摻入一定量的LX-3添加劑（添加劑的摻入量為水泥用量質(zhì)量的百分比），然后改變LX-3添加劑的摻入量及復(fù)合砂漿的涂抹厚度，分別進(jìn)行試驗(yàn).

2.4 試驗(yàn)步驟

試件養(yǎng)護(hù)28 d后，擦干試塊表面，在試塊側(cè)面均勻涂抹配好的環(huán)氧樹(shù)脂膠，然后用壓力機(jī)將試塊壓入抗?jié)B儀試模中，由于此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂膠未硬化而影響密封效果，故將裝入抗?jié)B試模中的試塊放置24 h，待側(cè)壁環(huán)氧樹(shù)脂膠密封良好后將試模放在抗?jié)B儀上，擰緊螺絲進(jìn)行試驗(yàn)，如圖5所示.

試塊底部水壓從0.1 MPa開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，每隔8 h水壓力增加0.1 MPa，每組6個(gè)試塊，如果其中有3個(gè)試塊被壓力水穿透，或者加載至規(guī)定壓力，則停止試驗(yàn).每組試塊中如果有4個(gè)試塊未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，則此時(shí)最大水壓力作為混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)的依據(jù)，若所持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，則抗?jié)B標(biāo)號(hào)越大，混凝土的抗?jié)B性能越好.

2.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)是以每組6個(gè)試塊中4個(gè)試塊發(fā)生滲水現(xiàn)象最大壓力表示，其計(jì)算公式為[12]：

圖6和圖7為不同摻量的添加劑對(duì)混凝土28 d抗?jié)B性能的影響.從圖6和圖7可知，摻加添加劑混凝土的滲水時(shí)間以及抗?jié)B等級(jí)雖然有所提高，但提高的幅度有限，混凝土的抗?jié)B能力仍然較差.這是由于在添加劑摻量較低時(shí)，普通混凝土并沒(méi)有達(dá)到顆粒的最緊密堆積，孔隙特征比較差，混凝土內(nèi)部有較多的可使水通過(guò)的孔隙，故容易滲水.

后續(xù)試驗(yàn)針對(duì)復(fù)合砂漿涂抹在混凝土迎水面進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)所得結(jié)果如圖8及圖9所示.

從以上試驗(yàn)結(jié)果及分析圖表可知：摻加LX-3添加劑的高性能復(fù)合砂漿對(duì)混凝的抗?jié)B能力有很大幫助，當(dāng)LX-3摻入量為18%及復(fù)合砂漿厚度為20 mm涂抹在混凝土的受壓面時(shí)，抗?jié)B效果顯著.可將此抗?jié)B技術(shù)應(yīng)用到各大工程建設(shè)中，包括水利工程、隧道工程及各種防水工程.此方法解決了混凝土工程建設(shè)中出現(xiàn)的滲漏難題，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)了構(gòu)筑物的使用年限.

3 摻加添加劑的高性能復(fù)合砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，不但可以維持正常使用功能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命，而且節(jié)約資金.混凝土結(jié)構(gòu)加固的方法很多，常用的有加大截面加固法、外包剛加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法及粘貼鋼板加固法，但是這些加固方法都有明顯的不足[13].摻加添加劑的高性能復(fù)合砂漿加固混凝土結(jié)構(gòu)的方法己經(jīng)相當(dāng)成熟，由中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)批準(zhǔn)，經(jīng)建筑物鑒定與加固委員會(huì)審查后頒布了標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為CECS242：2008的《水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，并出版了《高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工指南》加固教材[14].此加固方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)論證研究已相當(dāng)完善，所以在此只定性地對(duì)此加固方法進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，結(jié)合建筑抗?jié)B簡(jiǎn)要介紹高性能復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)加固結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn).

此加固技術(shù)是將高性能復(fù)合砂漿與鋼筋網(wǎng)結(jié)合使用形成高性能水泥復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)薄層，復(fù)合砂漿起到保護(hù)及錨固的作用，鋼筋網(wǎng)通過(guò)剪切銷(xiāo)釘固定在結(jié)構(gòu)物上，可以提高結(jié)構(gòu)承載力，兩種材料相互協(xié)調(diào)工作，對(duì)結(jié)構(gòu)加固效果很好，且復(fù)合砂漿各項(xiàng)性能（粘結(jié)強(qiáng)度、流動(dòng)性及保水性等）都要優(yōu)于普通砂漿[15].

施工工序主要為：施工前的準(zhǔn)備—鋼筋網(wǎng)的加工—混凝土構(gòu)件的表面處理—在構(gòu)件表面植入剪切銷(xiāo)釘—綁扎安裝鋼筋網(wǎng)（如圖10所示）—涂刷界面劑—涂抹復(fù)合砂漿（如圖11所示）—養(yǎng)護(hù).

4 結(jié) 論

本文研究了混凝土抗?jié)B及混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，研究結(jié)果表明，摻加LX-3添加劑的高性能復(fù)合砂漿涂抹在混凝土的表面可很大程度上提高混凝土的抗?jié)B能力，且可采用高性能復(fù)合砂漿鋼筋網(wǎng)（HPFL）有效地對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行加固.此抗?jié)B及加固方法簡(jiǎn)易高效，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）LX-3材料成本廉價(jià)，很大程度上減少了工程維護(hù)和修復(fù)的成本.

2）在普通水泥砂漿中添加LX-3，抗?jié)B效果大幅提高，在提高抗?jié)B能力的同時(shí)也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性.

3）此抗?jié)B材料為無(wú)機(jī)材料，對(duì)于混凝土的抗侵蝕及抗老化優(yōu)于其他有機(jī)抗?jié)B材料.且對(duì)于許多造型復(fù)雜及特殊條件下的結(jié)構(gòu)物，此方法適用性強(qiáng).

4）加固時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)外形、幾何尺寸影響較小.

5）此技術(shù)方法在提高混凝土抗?jié)B能力的同時(shí)，能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，且加固效果甚好，對(duì)同時(shí)有抗?jié)B要求及結(jié)構(gòu)加固要求的工程非常適用.

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