丙乳砂漿的水工特性試驗研究與工程應(yīng)用

1、丙乳砂漿的水工特性試驗研究與工程應(yīng)用摘要：本文根據(jù)水工混凝土建筑物的運(yùn)行條件，對丙乳砂漿材料進(jìn)行了水工特性試驗，分析了其具備良好的抗凍融、抗沖刷和抗?jié)B透性能的細(xì)觀機(jī)理，介紹了噴射丙乳砂漿技術(shù)在實際防護(hù)修補(bǔ)工程中的應(yīng)用情況.試驗研究和工程實踐表明：丙乳砂漿材料具有優(yōu)良的抗凍融、抗沖刷、抗?jié)B透性能。關(guān)鍵詞：丙乳砂漿；凍融；沖刷；滲透；噴射砂漿技術(shù)水工混凝土建筑物隨著其使用年限的增長，老化病害現(xiàn)象已經(jīng)非常嚴(yán)重，如何更好地解決這一問題，延長現(xiàn)有混凝土建筑物的使用壽命，使其在節(jié)省投資的前提下出色地發(fā)揮工程效益，成為目前水利科技上作者比較重視的課題.在水工混凝土建筑物防護(hù)修補(bǔ)工程中，選用力學(xué)性能優(yōu)且具有良

2、好水工特性的修補(bǔ)材料，是保證混凝土建筑物正常運(yùn)行的關(guān)鍵，丙乳砂漿因具有與老混凝土較高的粘接強(qiáng)度，以及較低的彈性模量，而被應(yīng)用在老混凝土建筑物的修補(bǔ)工程中，然而針對我國北方地區(qū)水工混凝土建筑物常見的病害缺陷，筆者著重對丙乳砂漿材料的抗凍融、抗沖刷、抗?jié)B透等水工特性進(jìn)行了系統(tǒng)試驗，闡述了其具備優(yōu)良水工特性的細(xì)觀機(jī)理，并結(jié)合工程實例介紹了噴射丙乳砂漿技術(shù)的應(yīng)用情況，為該項技術(shù)今后在水工混凝土建筑物防護(hù)修補(bǔ)工程中推廣應(yīng)用，提供了可借鑒的試驗數(shù)據(jù)和參考資料.1 水工特性試驗表1 丙乳砂漿配合比1.1原材料和配合比 丙乳砂漿是丙烯酸脂共聚乳液水泥砂漿的簡稱，屬于高分子聚合物乳液改性水泥砂漿.本試驗中水泥采

3、用525#普通硅酸鹽水泥，砂子為粒徑小于2.5mm的標(biāo)準(zhǔn)石英砂，聚合物丙乳的固含量為48%，砂漿用水總量應(yīng)考慮丙乳中的含水量，養(yǎng)護(hù)采用7d潮濕、21d干燥，其配合比如表1所示.1.2凍融循環(huán)試驗 本試驗按GBJ82-85國際執(zhí)行，采用大試件快凍試驗法，成型l00mm×100mm×400mm的棱柱體試件，以3個試件為1組.試驗設(shè)備：DR-I凍融試驗機(jī)，DT-4W自動掃頻數(shù)字動彈儀.試件凍融試驗前在水中浸泡，凍融過程中均處于飽和水狀態(tài)，其中溫度分別控制在-17±2和8±2間，每次凍融循環(huán)在24h內(nèi)完成，凍、融之間的轉(zhuǎn)換時間不超過10min，用于融化的時間不少

4、于整個凍融時間的1/4.凍融試驗結(jié)果見表2.由此可見，丙乳砂漿試件凍融300次后，其動彈模仍未下降至60%，且高達(dá)88.3%，說明丙乳砂漿的抗凍融破壞能力很強(qiáng).表2 丙乳砂漿凍融試驗結(jié)果利用凍融試件進(jìn)行丙乳砂漿的力學(xué)性能測試，進(jìn)一步分析研究該材料凍融前后動彈模與強(qiáng)度之間的變化關(guān)系.抗彎強(qiáng)度測試用凍融試件進(jìn)行三等分彎曲試驗，抗壓強(qiáng)度測試用抗彎折斷后的試件進(jìn)行試驗，其試驗結(jié)果見表3.由表3可見：丙乳砂漿試件凍融循環(huán)300次后，其抗壓強(qiáng)度降低了20.63%，抗彎強(qiáng)度降低了11.56%，這與表2中動彈模的降低11.7%非常接近，尤其是抗彎強(qiáng)度的降低程度.這表明：丙乳砂漿試件在凍融過程中，其強(qiáng)度降低與動

5、彈模降低有很好的相關(guān)性，用相對動彈模作為評估丙乳砂漿凍融后強(qiáng)度變化的指標(biāo)是合理的.表3 丙乳砂漿凍融300次前后強(qiáng)度測試1.3 沖刷磨損試驗 丙乳砂漿的抗含砂水流沖刷試驗，按水工混凝土試驗規(guī)程SD10582執(zhí)行，沖磨儀葉輪轉(zhuǎn)速14.3m/s，磨損劑為0.50.85mm的標(biāo)準(zhǔn)石英砂與水的混合物，每次加入量為砂150g，水1000ml，沖磨30min后稱重.試件制作：在外徑322mm，內(nèi)徑202mm，高60mm的標(biāo)準(zhǔn)試件內(nèi)側(cè)上，均勻噴射丙乳砂漿5mm厚，試件受磨面積0.038m2.沖刷試驗結(jié)果見表4.由此可見，丙乳砂漿的抗沖刷性能良好.表4 丙乳砂漿沖刷試驗結(jié)果1.4 滲透性試驗 丙乳砂漿的抗?jié)B試

6、驗，按砂漿、混凝土防水劑JC4741999標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行.試驗設(shè)備為SS15型砂漿滲透試驗儀，抗?jié)B透試件的制備參照GB2419確定基準(zhǔn)砂漿和受檢砂漿的用水量，兩者保持相同的流動度，并以基準(zhǔn)砂漿在0.30.4MPa壓力下透水為準(zhǔn)，確定水灰比.用上口直徑70mm，下口直徑80mm，高30mm的截頭圓錐帶底金屬試模成型基準(zhǔn)和受檢試件，每組制備6個試件，經(jīng)過成型、脫模后，放入（20±2）的水中養(yǎng)護(hù)至7d，取出待表面干燥后，密封裝入滲透儀中進(jìn)行透水試驗.水壓從0.2MPa開始，恒壓2h，增至0.3MPa，以后每隔1h增加水壓0.1MPa.當(dāng)6個試件中有3個試件端面呈現(xiàn)滲水現(xiàn)象時，即可停止試驗，記下當(dāng)

7、時水壓.若加壓至1.5MPa，恒壓1h還未透水，應(yīng)停止升壓.砂漿透水壓力為每組6個試件中4個未出現(xiàn)滲水時的最大水壓力.試驗結(jié)果表明：在水灰比和流動度相同的情況下，不摻丙乳的砂漿試件透水壓力為0.35MPa，摻丙乳的砂漿試件，其水壓加至1.5MPa，恒壓12h仍未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象.可見丙乳砂漿的透水壓力在1.5MPa以上，這表明丙乳砂漿具有很高的抗?jié)B透性能.2 細(xì)觀機(jī)理分析在丙乳砂漿中隨著水泥水化的進(jìn)行，以及多余的水被老混凝土的吸收和游離蒸發(fā)，聚合物乳液中的水分大部分逐漸失去，聚合物顆粒相互靠近，最終相互連接，在水泥水化物周圍和集料表面形成聚合物膜，使水泥水化產(chǎn)物之間以及水化物和集料之間的結(jié)合力增強(qiáng)

8、，同時聚合物顆粒對砂漿孔隙的填充作用，提高了砂漿的密實度，從而改善了丙乳砂漿的各項性能.丙乳砂漿抵抗凍融破壞的主要原因是，由于形成聚合物膜后使砂漿抗?jié)B性提高，降低了水的擴(kuò)散性；另外，丙乳乳液所引起的滾珠潤滑和所含表面活性劑的分散作用，使丙乳砂漿用水量大大減少，且大孔洞被聚合物填充，毛細(xì)通道被聚合物膜封閉，使孔隙率降低，因而丙乳砂漿抗凍性得到明顯改善1.從表2中丙乳砂漿動彈模的變化可以看出：動彈模的降低只在前50次凍融循環(huán)中最為明顯，而后面250次的凍融循環(huán)中動彈模的降低是平緩的，且降低的最大幅度為1.2%，這表明：丙乳砂漿中的聚合物膜阻止冰擴(kuò)展的能力是一定的，減少冰對砂漿的損傷也是一定的，這種

9、阻冰作用的大小與砂漿中所形成聚合物膜的多少有關(guān)，反映了丙乳砂漿動彈模的降低程度.聚合物膜處于水泥水化物之間或水泥水化物與骨料之間，由于聚合物獨(dú)特的粘結(jié)性，使聚合物與水泥水化物及骨料粘結(jié)成包裹狀的堅硬固體，水泥石更加堅硬致密，因此丙乳砂漿在高速含砂水流連續(xù)作用于其表面時，組成復(fù)合材料的分子結(jié)合力不小于磨損作用力，所以不會出現(xiàn)大部分表面分子脫離母體被流水沖走現(xiàn)象，故丙乳砂漿具有良好的抗沖磨性能.從表4的試驗結(jié)果可以看出，丙乳砂漿的抗磨損強(qiáng)度比普通砂漿提高23倍，表明了丙乳砂漿抵抗沖刷磨損破壞的能力.丙乳砂漿中的聚合物膜彈性模量較低，它使水泥漿體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)得到改善，可以承受變形而使水泥石應(yīng)力減小

10、，產(chǎn)生裂縫的可能性也減小，同時聚合物纖維越過微裂縫，起到橋架作用，縫間都有聚合物纖維相連，所形成的均質(zhì)聚合物膜框架，作為填充物跨過已硬化的微裂縫，這樣，限制了砂漿微裂縫的擴(kuò)展，微裂縫常在聚合物膜較多處消失，顯示出聚合物的抗裂作用2;另外，聚合物的減水作用，使砂漿的水灰比減小，聚合物膜即填充了水泥漿體的孔隙，又切斷了孔隙與外界的通道，起到了密封的作用，這就極大地減少了水的滲透.因此，丙乳砂漿的抗?jié)B透能力得到了有效地改善與提高.3 工程應(yīng)用山東省南四湖二級壩節(jié)制閘建于1958年，經(jīng)過近40年的運(yùn)行，工程老化現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)檢測混凝土表面碳化深度在1025mm之間，尤其在閘墩水位變化區(qū)，凍融剝蝕現(xiàn)象嚴(yán)重

11、，最大剝蝕深度達(dá)35mm，屬于典型的水工混凝土建筑物老化工程.為防止該節(jié)制閘混凝土進(jìn)一步碳化，以及混凝土閘墩水位變化區(qū)的凍融破壞，決定采用噴射丙乳砂漿技術(shù)，對其混凝土結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行密封防護(hù)處理，共完成老化混凝土表面防護(hù)施工面積達(dá)13200m2.由于丙乳在砂漿中具有減水效應(yīng)，使得丙乳砂漿的和易性和流動性非常好，這給采用噴射工藝施工帶來了極大的方便，噴射丙乳砂漿是在高速氣體噴射中，由水泥漿體和骨料反復(fù)連續(xù)撞擊而使丙乳砂漿更加密實，其粘結(jié)強(qiáng)度、抗凍融和抗?jié)B透性能比實驗結(jié)果更加優(yōu)良.目前，該工程經(jīng)過四年的運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)繼續(xù)碳化、凍融剝蝕及滲漏現(xiàn)象，發(fā)揮了很好地工程效益.工程實踐證明：噴射丙乳砂漿技術(shù)作為防止水工混凝土建筑物凍融和碳化剝蝕破壞的措施，是目前較成功的修補(bǔ)防護(hù)材料和行之有效的施工技術(shù)，該項技術(shù)具有施工方便、工期短的特點(diǎn)，有利于在水工硅建筑物老化工程修補(bǔ)中推廣應(yīng)用.4 結(jié)束語針對水工混凝土建筑物老化工程的運(yùn)行工況，對現(xiàn)有修補(bǔ)防護(hù)材料進(jìn)行各