含水率對水工混凝土修補(bǔ)材料工程性能影響研究

魏俊鵬，廖興惠

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，江西 南昌 330200)

在河流水的持續(xù)沖刷以及其他環(huán)境因素的影響下，我國水利工程尤其是早期修建的小型水利工程出現(xiàn)了較多的混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題，嚴(yán)重影響了水利工程的長期安全性[1-3]。因此，開展如何解決水利工程混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題的研究非常重要。

水利工程抗沖磨修補(bǔ)材料是解決水利工程混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題的重要手段，而抗沖磨修補(bǔ)材料的黏結(jié)性能是影響其修補(bǔ)效果的重要因素[4-5]。一般而言，影響修補(bǔ)材料黏結(jié)性能的因素較多，如修補(bǔ)材料的配比、混凝土的強(qiáng)度等級、修補(bǔ)材料的養(yǎng)護(hù)試件、修補(bǔ)材料的養(yǎng)護(hù)溫度以及混凝土裂縫的參數(shù)等，因此在制備和應(yīng)用修補(bǔ)材料的過程中，需要綜合考慮修補(bǔ)材料的力學(xué)特性、流動(dòng)性以及凝結(jié)時(shí)間等因素[6-8]。胡超等[9]基于室內(nèi)試驗(yàn)研究，初步確定可應(yīng)用于高流速條件下引水隧洞混凝土修補(bǔ)的抗沖刷型材料及其之內(nèi)的方法；進(jìn)一步將該材料應(yīng)用到四川省某水電站泄洪洞流道混凝土修補(bǔ)工作中，取得了良好的修補(bǔ)效果。此外，洪振國等[10]制備了一種新型(NE-Ⅱ型)環(huán)氧砂漿修補(bǔ)材料，并基于室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該材料具備抗沖磨性能強(qiáng)、強(qiáng)度高、抗碳化性能及耐久性能好等特殊優(yōu)勢，適合在我國高速水流沖刷、泥沙磨損嚴(yán)重等情況存在的地區(qū)進(jìn)行水利工程推廣應(yīng)用。

綜上所述，現(xiàn)有研究很少考慮到基礎(chǔ)混凝土的含水率對修補(bǔ)材料力學(xué)性能的影響，然而，基礎(chǔ)混凝土含水率對修補(bǔ)材料的黏結(jié)性能有著很明顯的影響。因此，文章基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，深入研究了含水率對修補(bǔ)材料黏結(jié)性能的影響；進(jìn)一步基于微觀試驗(yàn)，深入探討了含水率影響修補(bǔ)材料黏結(jié)性能的內(nèi)在機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

為研究含水率對環(huán)氧砂漿修補(bǔ)材料在水利工程混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)效能的影響，本次試驗(yàn)首先取多組水利工程基礎(chǔ)混凝土并將其放在水中浸泡不同的時(shí)間，最后得到四組不同含水率的混凝土試樣，且控制其含水率分別為0%、1%、2%、3%以及4%。之后，再利用產(chǎn)自四川省攀枝花市某化工產(chǎn)品有限公司的抗沖磨環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料對混凝土進(jìn)行黏結(jié)。先將兩塊基礎(chǔ)混凝土膠結(jié)界面涂抹一定厚度的修補(bǔ)材料后迅速將其接攏，然后在室溫條件下養(yǎng)護(hù)28d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同含水率條件下環(huán)氧砂漿修復(fù)材料對混凝土試件的黏結(jié)性能，室內(nèi)利用YAW-2000型萬能試驗(yàn)機(jī)對不同含水率條件下的組合試件展開劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，首先以1kN的力對混凝土進(jìn)行預(yù)壓至試樣穩(wěn)定后，以0.1mm/min的加載速率進(jìn)行加載，直至試樣破壞。此外，為研究環(huán)氧砂漿修補(bǔ)材料修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的微觀機(jī)理并深入探討含水量的影響，對不同含水率下的組合試件展開了微觀電鏡掃描試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗剪強(qiáng)度

圖1為不同含水率條件下組合試件抗剪強(qiáng)度變化曲線，由圖可知，組合試件的抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而逐漸減小，這與組合試件劈拉強(qiáng)度隨含水率增長的變化規(guī)律基本一致。當(dāng)含水率為0%時(shí)，組合試件的抗剪強(qiáng)度為9.12MPa；此后，隨著含水率的逐漸增大，組合試件的抗剪強(qiáng)度分別為8.72、8.25、7.91以及7.53MPa，水對組合試件的抗剪強(qiáng)度有著明顯的劣化效應(yīng)?；诂F(xiàn)有研究以及本試驗(yàn)觀察結(jié)果，認(rèn)為主要原因有如下2點(diǎn)：①含水率過高會(huì)在膠結(jié)界面形成水分子膜，破壞了環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)；②含水率過高會(huì)導(dǎo)致混凝土表面裂縫和微小凹槽被水分填充，修補(bǔ)材料不能有效滲入混凝土界面內(nèi)部進(jìn)行有效膠結(jié)。進(jìn)一步對二者之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)組合試件的抗剪強(qiáng)度與含水率成負(fù)線性函數(shù)關(guān)系；線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9966，擬合效果良好。

圖1 不同含水率下組合試件抗剪強(qiáng)度

2.2 劈拉強(qiáng)度

基于室內(nèi)劈拉試驗(yàn)，得到不同含水率條件下混凝土-修補(bǔ)材料-混凝土組合試件的界面劈拉強(qiáng)度見表1。由此可知，組合試件的劈拉強(qiáng)度隨材料含水率的增大逐漸降低，其黏結(jié)強(qiáng)度逐漸減弱。當(dāng)含水率為0%時(shí)，組合試件的劈拉強(qiáng)度最大，此時(shí)其強(qiáng)度為3.29MPa；當(dāng)含水率為4%時(shí)，組合試件的劈拉強(qiáng)度僅達(dá)到2.58MPa，相較于0%含水率組試樣其強(qiáng)度降低21.58%，組合試件的力學(xué)性質(zhì)明顯劣化。分析認(rèn)為，隨著組合試件中含水率的不斷增大，在混凝土-修補(bǔ)材料膠結(jié)界面處黏附了大量的細(xì)小水分子。細(xì)小水分子在混凝土表面形成了一層水膜，而環(huán)氧砂漿修復(fù)材料與水分膜不能互溶，因此減弱了環(huán)氧砂漿對混凝土黏結(jié)性，組合試件的劈拉強(qiáng)度降低；此外，長時(shí)間影響下，大量水分子會(huì)滲入修補(bǔ)材料進(jìn)而破壞環(huán)氧樹脂中的氫鍵，導(dǎo)致修補(bǔ)材料的黏結(jié)性能降低，因此組合試件的劈拉強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

表1 不同含水率條件下組合試件劈拉強(qiáng)度

2.3 SEM電鏡掃描結(jié)果

不同含水率下組合試件膠結(jié)界面的微觀電鏡掃描結(jié)果如圖2所示，受限于文章篇幅，文章選取了含水率為0%、2%和4%條件下的界面微觀電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果。對比圖2中三種不同含水率條件下的界面微觀情況可知，當(dāng)組合試件中含水率為0%時(shí)，黏結(jié)效果最佳，黏合效果最好；隨著組合試件中含水率的增加，混凝土-修補(bǔ)材料膠結(jié)界面的孔隙、裂縫增加，且界面處環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)酰そY(jié)效果逐漸變差。此外，當(dāng)含水率較大、膠結(jié)界面孔隙變多時(shí)，水分子會(huì)填充膠結(jié)界面上的孔隙，阻礙了修補(bǔ)材料和混凝土的結(jié)合。綜上所述，基于微觀電鏡掃描試驗(yàn)得到的微觀形貌圖，有力地解釋了組合試件劈拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度隨含水率增大而逐漸減小的微觀機(jī)理。

圖2 不同組合試件微觀結(jié)構(gòu)掃描圖

3 結(jié)論

(1)組合試件的劈拉強(qiáng)度隨含水率的增大逐漸降低。當(dāng)含水率為0%時(shí)，組合試件的劈拉強(qiáng)度最大，為3.29MPa；當(dāng)含水率為4%時(shí)，組合試件的劈拉強(qiáng)度僅達(dá)到2.58MPa，相較于0%含水率組試樣強(qiáng)度降低21.58%。

(2)組合試件的抗剪強(qiáng)度與含水率成負(fù)線性函數(shù)關(guān)系，當(dāng)含水率為0%時(shí)，組合試件的抗剪強(qiáng)度為9.12MPa；此后，隨著含水率的逐漸增大，組合試件的抗剪強(qiáng)度分別為8.72、8.25、7.91以及7.53MPa。

(3)文章僅研究了含水率對組合試件黏結(jié)性能的影響，而未能考慮界面粗糙度、固結(jié)溫度等重要因素，因此，下一步應(yīng)當(dāng)展開更加全面的試驗(yàn)研究。