新型裂縫修補材料在大西海子水庫除險加固工程的應(yīng)用研究

周 翔

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫爾勒 841000)

1 工程概況

大西海子水庫位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣境內(nèi)的塔里木河下游，水庫設(shè)計洪水位849.57m，校核洪水位849.60m，汛限水位848.76m，調(diào)洪庫容3999.70萬m3，正常蓄水位849.25m，興利庫容7431.12萬m3，死水位846.61m，死庫容為600萬m3，總庫容為9870萬m3。大西海子水庫是一座以向塔里木河下游生態(tài)供水為主的平原區(qū)中型水庫工程。水庫大壩為土石壩，通過對水庫現(xiàn)場檢測、地質(zhì)勘察及必要的計算，對大壩壩體工程質(zhì)量、運行管理、滲流安全、結(jié)構(gòu)安全，抗震安全等方面進行了復(fù)核，綜合評價后，鑒定大西海子水庫為三類壩，需采取合理措施消除大壩安全隱患，保障水庫大壩安全。

除險加固工程主要建設(shè)內(nèi)容包括大西海子水庫大壩壩體加固、老泄洪閘和新放水閘加固、水庫進水渠清淤、新建水庫運行管理道路、新建跨渠交通橋、新建管理站房及附屬設(shè)施以及完善大壩安全監(jiān)測設(shè)施等。其中，水閘加固內(nèi)容包括對原閘室及配套建筑物混凝土的裂縫，骨料、鋼筋外露及凍融破壞的情況進行加固處理及配套下游海漫段及連接段，在處理混凝土裂縫時，考慮到新疆地區(qū)特殊的水文地質(zhì)條件，水工建筑處于凍融循環(huán)、離子侵蝕、干濕條件變化等復(fù)雜環(huán)境，因此采用了一種新型裂縫修補材料，來提升混凝土的耐久性能。

2 試驗原材料

眾多研究表明，采用無機膠凝材料和有機物質(zhì)混合拌制的裂縫修補材料在控制工程成本上更加有利[1-3]。因此，本工程借鑒此類方法，采用硫鋁酸鹽水泥、石英石粉、可分散性乳膠粉、玄武巖纖維、消泡劑、憎水劑、減水劑等材料配制一種裂縫修補材料。

硫鋁酸鹽水泥為低堿型水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為40%，初凝和終凝時間為40min和150min，28d抗折和抗壓強度為7.5MPa和73.3MPa。石英石粉粒徑大小為80～120目，密度為2650kg/m3，SiO2含量為95%，莫氏硬度為7，熔點為1750℃?？煞稚⑿匀槟z粉為國外進口瓦克5044N型膠粉，主要化學(xué)成分為醋酸-乙烯共聚物，呈白色粉末狀，平均堆積密度為500kg/m3，平均灰分為10%，主要用于黏結(jié)砂漿、抹面漿、瓷磚黏結(jié)砂漿等。玄武巖纖維長度為7～10mm，彈性模量為105GPa，抗拉強度為3900MPa，斷裂伸長率為2.7%，密度為2700kg/m3。消泡劑為AXILAT DF 770型消泡劑，主要化學(xué)成分為液態(tài)碳?xì)浠衔?、聚乙二醇，平均顆粒大小為750μm，堆積密度為600kg/m3。憎水劑為SHP50型硅烷基憎水劑，粒徑小于500μm，平均顆粒大小為300μm，密度為600g/L。減水劑為液態(tài)聚羧酸減水劑，平均密度為1.15g/mL，固體含量為26%，減水率為20%。緩凝劑為檸檬酸，白色結(jié)晶型粉末，易溶于水。

3 試驗方案及內(nèi)容

3.1 試驗方案

以硫鋁酸鹽水泥為主要基材，探討不同膠粉摻量下裂縫修補材料的性能，膠粉摻量分別為膠凝材料用量的0、0.5%、1%、1.5%和2%，石英石粉摻量為11%，玄武巖纖維摻量為1%，消泡劑摻量為2%，憎水劑摻量為1%，減水劑摻量為0.4%。具體試驗配比方案見表1。

表1 試驗配比方案

3.2 試驗內(nèi)容

試驗主要包括工作性能試驗(凝結(jié)時間和流動度)、強度試驗(抗壓強度和抗折強度)、干縮變形試驗、耐磨性試驗、抗氯離子滲透試驗、抗鹽凍試驗。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 對工作性能的影響

由不同膠粉摻量下裂縫修補材料的工作性能參數(shù)(見表2)可知：當(dāng)摻入膠粉后，對裂縫修補材料的凝結(jié)時間和流動度有較大影響，相比空白試驗組，摻入膠粉后，初凝時間從30～35min提升至48～57min，終凝時間從60～70min提升至100min以上，而初始流動度則從230～240mm減少至150mm以下，30min后流動度也從100～110mm減少至80min以下。這是因為膠粉作為共聚物，具有很強的保水性和水下分散性，當(dāng)摻入到水泥中后，可以起到與水泥爭奪水分的效果，因而可以延長水泥的凝結(jié)時間，特別是在硫鋁酸鹽這種快硬性水泥拌和物中，可以顯著改善材料的工作性能。雖然膠粉延長了水泥的凝結(jié)時間，但由于其本身對于水分的親和性很強，會導(dǎo)致漿體的稠度大大增加，因而漿體的流動度是會降低的[4-5]。

表2 膠粉摻量對工作性能影響

4.2 對強度的影響

從不同膠粉摻量下裂縫修補材料強度試驗結(jié)果(見圖1)可知：隨著膠粉摻量的增加，裂縫修補材料的抗折強度呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)膠粉摻量為1%時，裂縫修補材料的28d抗折強度最大，達到11.3MPa，相比不摻入膠粉試驗組，抗折強度提升50.7%，這是因為膠粉遇水可再分散成乳液，乳液與水泥混合后形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)從而彌補水泥石的縫隙，且膠粉本身作為一種有機材料，其抗拉延展性比水泥顆粒強得多，因而當(dāng)膠粉摻量合適時，抗折強度會增大，但膠粉摻量過大后，會存在過大的引氣作用，導(dǎo)致大量空氣進入水泥石中，反而對密實性不利，因而抗折強度降低；摻入膠粉后，會在一定程度上降低裂縫修補材料的抗壓強度，特別是當(dāng)膠粉摻量超過1.5%后，抗壓強度的下降幅度較大，當(dāng)膠粉摻量為0.5%～1.5%時，抗壓強度變化不大，這是因為膠粉顆粒較水泥顆粒的彈性模量更小，不能提供足夠的剛性支撐作用，特別是膠粉摻量過多后，導(dǎo)致硫鋁酸鹽水泥所需的水化反應(yīng)水分減少，因而影響了強度發(fā)展，同時膠粉摻量過大還會導(dǎo)致團聚現(xiàn)象，使水泥石內(nèi)部存在薄弱位置，故而抗壓強度隨膠粉摻量增加而逐漸降低，但在0.5%～1.5%摻量時，28d抗壓強度仍大于60MPa[6]。

圖1 強度隨膠粉摻量變化曲線

4.3 對干縮變形的影響

由不同膠粉摻量下裂縫修補材料干縮變形試驗結(jié)果(見圖2)可知：隨著齡期的增加，不摻入膠粉的裂縫修補材料單位伸長率為負(fù)數(shù)，且隨著齡期增長而增大，表明其處于收縮狀態(tài)，28d齡期后，單位長度收縮量達到0.12%，當(dāng)摻入膠粉后，裂縫修補材料從收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)，膠粉摻量越大，單位長度的膨脹變形量越大，齡期1d和3d時的膨脹變形相差不大，當(dāng)齡期達到28d后，膨脹變形量顯著增大。出現(xiàn)上述情況的原因在于：膠粉遇水乳化后覆蓋在水泥顆粒表面，對硅酸二鈣的水化緩凝作用比較明顯，在前期主要以硫鋁酸鈣水化反應(yīng)為主，因而出現(xiàn)基本一致的微膨脹，隨著齡期增加，硅酸二鈣開始大量反應(yīng)，但其產(chǎn)生的收縮應(yīng)力會被膠粉乳液的塑性形變所消耗，因而整體上呈現(xiàn)膨脹效應(yīng)。

圖2 單位長度變形率隨膠粉摻量的變化曲線

4.4 對耐磨性的影響

由不同膠粉摻量下裂縫修補材料耐磨試驗結(jié)果(見圖3)可知：隨著膠粉摻量的增加，裂縫修補材料的單位面積磨損量逐漸減小，未摻入膠粉試驗組，單位面積磨損量為2.55kg/m2，當(dāng)摻入0.5%、1%、1.5%和2%膠粉后，裂縫修補材料的單位面積磨損量分別為1.95kg/m2、1.88kg/m2、1.83kg/m2和1.80kg/m2。這說明，摻入膠粉后可以提升裂縫修補材料的抗沖刷耐磨性能，這主要得益于膠粉乳液與水泥顆粒形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以極大提升水泥—乳膠復(fù)合漿體的耐磨程度。

圖3 單位面積磨損量隨膠粉摻量的變化曲線

4.5 對抗氯離子侵蝕的影響

由不同膠粉摻量下裂縫修補材料抗氯離子滲透試驗結(jié)果(見圖4)可知：膠粉摻入可以在一定程度上提升裂縫修補材料的抗氯離子滲透性能，電通量隨著膠粉摻量的增加呈先減小后增大再減小的變化特征，當(dāng)膠粉摻量為0.5%時，電通量最小。表明在此摻量下裂縫修補材料抗氯離子侵蝕性能最佳，由于當(dāng)膠粉材料摻量不大于1%時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實度最高，氯離子很難通過水分的滲透進入水泥漿體試件內(nèi)部，因而可以抵抗水中氯離子對水工建筑物帶來的持久性侵蝕傷害。

圖4 電通量隨膠粉摻量的變化曲線

4.6 對抗鹽凍性能影響

由不同膠粉摻量下裂縫修補材料抗鹽凍試驗結(jié)果(見圖5)可知：隨著單面鹽凍融循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫修補材料構(gòu)件的單位面積質(zhì)量損失逐漸增加，膠粉摻量為0、0.5%、1%、1.5%和2%時，在經(jīng)歷28次單面鹽凍循環(huán)后的質(zhì)量損失分別為89g/m2、57g/m2、54g/m2、68g/m2和73g/m2，當(dāng)膠粉摻量為1%時，單位面積質(zhì)量損失最小，相比不摻入膠粉試驗組，降低39.3%。這說明摻入膠粉后，可顯著提升修補材料的密實性，從而使抗水滲、抗離子侵蝕性能得到明顯增強，故而能夠抵抗單面鹽凍試驗中凍融環(huán)境和氯離子侵蝕環(huán)境的雙重破壞。

圖5 質(zhì)量損失隨膠粉摻量的變化關(guān)系

5 結(jié) 論

通過對不同膠粉摻量下水工建筑物裂縫修補材料各項性能進行試驗，得出如下結(jié)論：隨著可分散性膠粉材料摻量的增加，裂縫修補材料的初凝和終凝時間會延長，但會增加漿體稠度，從而導(dǎo)致流動度減小；隨著膠粉摻量的增加，裂縫修補材料的抗折強度呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)膠粉摻量為1%時，抗折強度最大；抗壓強度和單位面積磨損量呈逐漸減小變化特征；摻入膠粉可將早期的干燥收縮變形轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎涀冃危瑥亩鴾p少早期裂縫的產(chǎn)生。同時膠粉可提升裂縫修補材料的抗水滲、抗氯離子侵蝕和抗鹽凍侵蝕性能，當(dāng)膠粉摻量為0.5%～1%時，改善效果最佳。綜合膠粉對裂縫修補材料各項性能的影響，認(rèn)為當(dāng)膠粉摻量為1%時，裂縫修補材料的綜合性能最佳，可在類似地區(qū)水工建筑物裂縫修補工程中推廣應(yīng)用。