水性膠乳固化劑對水泥基彈性灌漿料性能的影響

陳迅捷，歐陽幼玲，韋 華

(南京水利科學(xué)研究院 水利部水工新材料技術(shù)研究中心， 江蘇南京 210029)

近30年來，我國高壩建設(shè)眾多，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)貢獻(xiàn)巨大。但隨之而來的壩體混凝土裂縫問題亟待解決。目前針對壩體裂縫主要的解決辦法就是根據(jù)裂縫形態(tài)和展布情況采取不同措施，包括灌漿、并縫鋼筋或鋼筋網(wǎng)、預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索、鑿槽澆筑、封口等，另外還有生物修復(fù)技術(shù)等[1]。其中灌漿是應(yīng)用最廣泛的處理措施[2]。灌漿材料包括水泥基灌漿材料和化學(xué)灌漿材料。水泥基灌漿材料起始于20 世紀(jì)20 年代，在美國與日本等國家發(fā)展較為迅猛，我國起步較晚，自20世紀(jì)80年代開始開展水泥基灌漿材料的研究和應(yīng)用[3]，但在聚合物改性水泥基的灌漿材料研究方面已經(jīng)取得較為先進(jìn)的成果。水泥基灌漿料具有來源豐富、價(jià)格低廉、結(jié)石體強(qiáng)度高和抗?jié)B性能好等優(yōu)勢，是目前灌漿工程中應(yīng)用最多、使用最廣的一種灌漿材料。

一般而言，采用水泥基灌漿材料主要會面臨下述幾個(gè)問題[4]：(1) 漿液的流動性和穩(wěn)定性；(2) 早期強(qiáng)度低；(3) 收縮開裂；(4) 界面粘結(jié)強(qiáng)度不高等。通過在硫鋁酸鹽水泥砂漿中摻入粉煤灰和減水劑[5]或采用硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥及石膏復(fù)配[6-7]可配制出具有自流平、早強(qiáng)、微膨脹灌漿材料。適量摻加聚合物乳液可以明顯改善水泥基灌漿材料的可灌性，有效提高水泥基灌漿材料的粘結(jié)性能[8]。

而混凝土高壩由于時(shí)常會遭受地殼震動、水位變動、風(fēng)浪沖擊、水流沖刷等作用，不可避免會產(chǎn)生本體震動或細(xì)微變形。大壩混凝土裂縫灌漿修補(bǔ)后，灌漿材料固結(jié)體還應(yīng)具有抗沖擊韌性和彈性變形能力。然而，普通水泥基灌漿材料不具備上述特性。在灌漿料中摻加適量橡膠細(xì)粉并優(yōu)化配伍能有效降低灌漿料固結(jié)體的彈性模量，提高抗沖擊韌性和彈性變形能力[9- 10]。

同時(shí)，高壩混凝土裂縫灌漿修補(bǔ)成功的關(guān)鍵還在于灌漿料與裂縫界面粘結(jié)能夠承受高水頭滲透壓力，且在環(huán)境作用條件下具有粘結(jié)耐久性。普通水泥基灌漿材料并不能滿足這一性能要求。為滿足水泥基彈性灌漿材料在深水環(huán)境條件下使用性能的要求，本文將對丙烯酸酯乳液和水性膠乳固化劑對水泥基彈性灌漿材料性能的影響進(jìn)行研究，并對水泥基膠凝材料的配比進(jìn)行優(yōu)化，擬實(shí)現(xiàn)彈性灌漿料水下粘結(jié)抗?jié)B承載壓力大于1.2 MPa，滿足100 m水深的高壩混凝土裂縫灌漿修補(bǔ)要求。

1 水泥基彈性灌漿料試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用主要材料如下：水泥，海螺P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。水泥作為彈性灌漿料基本的膠凝材料，水化產(chǎn)物構(gòu)筑了灌漿料固結(jié)體的結(jié)構(gòu)框架。唐山鋼鐵廠產(chǎn)S95級磨細(xì)礦渣粉和蚌埠產(chǎn)二水石膏。配伍適宜的硅酸鹽水泥、磨細(xì)礦渣粉和二水石膏，可配制具有微膨脹效果的灌漿料固結(jié)體。貴州鐵合金廠產(chǎn)硅粉，SiO2含量大于90%。通過硅粉增加膠凝材料與橡膠粉和纖維之間粘結(jié)強(qiáng)度，并提高固結(jié)體早期強(qiáng)度；還可以提高灌漿料黏度和水下不分散性。邵陽黑寶石橡膠廠產(chǎn)橡膠粉，細(xì)度80目。橡膠粉可有效降低灌漿料固結(jié)體彈性模量，提高抗沖擊韌性和彈性變形能力。海川AV聚酯纖維，直徑5 μm，長3 mm，彈性模量6.0 GPa。纖維的作用是提高灌漿料固結(jié)體抗沖擊韌性。減水劑，F(xiàn)DN萘磺酸鹽高效減水劑，減水率大于18%，可提高灌漿料流動性。丙烯酸酯膠乳，膠乳脫水成膜可提高膠凝材料與橡膠粉的粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)韌性，提高灌漿料固結(jié)體與混凝土裂縫界面粘結(jié)強(qiáng)度，提高抗?jié)B性、抗凍和抗腐蝕耐久性。水性膠乳固化劑，主要成分為酰胺化多胺，可提高灌漿料水下不分散性，并促進(jìn)丙烯酸酯膠乳在水下固化成膜，提高灌漿料固結(jié)體與混凝土裂縫界面水下粘結(jié)強(qiáng)度。

2 水性膠乳固化劑對灌漿料本體力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)研究了丙烯酸酯膠乳和水性膠乳固化劑的不同摻量對灌漿料力學(xué)性能的影響，灌漿料試驗(yàn)配合比見表1。其中，P1為不摻膠乳和固化劑的水泥基彈性灌漿料的基準(zhǔn)配合比；B1和B2是在基準(zhǔn)配比中單摻丙烯酸酯膠乳的配合比，摻量分別為膠材用量的30%和40%；G1，G2，G3和G4是在單摻丙烯酸酯膠乳的配比中再摻加水性膠乳固化劑的配比，摻量分別是丙烯酸酯膠乳用量的10%和20%。灌漿料流動度依據(jù)JTJ 270—1998《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[11]的相關(guān)規(guī)定測試，流動度控制在15～20 s。在丙烯酸酯膠乳中摻加水性膠乳固化劑再摻入灌漿料后，由于固化劑增加了灌漿料的黏度，為保證灌漿料流動度，增加了拌合用水量。

灌漿料固結(jié)體力學(xué)性能見表2。力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)JTJ 270—1998規(guī)程進(jìn)行，試驗(yàn)砂漿分為標(biāo)準(zhǔn)成型試件和水下成型試件。

表1 灌漿料試驗(yàn)配合比Tab.1 Testing mix proportion of grouting materials

表2 灌漿料固結(jié)體力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of grouting material concretions

從表2的力學(xué)性能結(jié)果可知，當(dāng)不摻固化劑，單摻丙烯酸酯膠乳，摻量分別為灌漿料無機(jī)膠凝材料的30%和40%時(shí)，與不摻膠乳的基準(zhǔn)配比P1相比，標(biāo)準(zhǔn)成型和水下成型固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度分別降低33%和27%，44%和45%，抗折強(qiáng)度分別降低18%和24%；而灌漿料固結(jié)體的韌性卻增加了，彈性模量分別降低21%和29%，極限拉伸值分別增加18%和19%。試驗(yàn)結(jié)果表明，單摻丙烯酸酯膠乳雖然降低了灌漿料固結(jié)體的強(qiáng)度卻提高了其韌性，且隨著丙烯酸膠乳摻量的增加，灌漿料固結(jié)體的強(qiáng)度也隨之下降，而韌性隨之增加。

在30%摻量的丙烯酸酯膠乳中摻加10%和20%的水性膠乳固化劑后(G1和G2配比)，與不摻固化劑的B1配比相比，固結(jié)體強(qiáng)度明顯增加，且隨著固化劑摻量的增加而增加；特別是水下成型固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度顯著增加，甚至比基準(zhǔn)配比P1的抗折強(qiáng)度提高22%，水下抗壓強(qiáng)度提高5%。當(dāng)在40%摻量的丙烯酸酯膠乳中摻加10%和20%的水性膠乳固化劑后(G3和G4配比)，與不摻固化劑的B2配比相比，固結(jié)體強(qiáng)度也明顯增加，但強(qiáng)度并沒有隨著固化劑摻量的增加而增加。而水中澆筑固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)澆筑固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度的比值即水氣強(qiáng)度比，均隨固化劑摻量的增加而顯著增加。同時(shí)，隨著固化劑的加入，固結(jié)體的彈性模量略有增加，極限拉伸值稍有降低，但與基準(zhǔn)配比相比，其韌性明顯增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻加適量的丙烯酸酯膠乳和固化劑可以明顯提高水泥基彈性灌漿料在水下澆筑的力學(xué)性能。

不同灌漿料固結(jié)體的微觀形貌見圖1?？梢?，摻加水性膠乳固化劑后灌漿料密實(shí)性明顯增加。這是因?yàn)椴糠直┧狨ヅc水性固化劑中的酰胺基在水泥水化形成的堿性條件下會發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)和酰胺化反應(yīng)，生成聚丙烯酰胺系列化合物[12]，灌漿料的水下不分散性能明顯提高，因此水下澆筑灌漿料固結(jié)體強(qiáng)度顯著提高，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的水氣比明顯增加。

圖1 灌漿料固結(jié)體密實(shí)度對比

3 膠凝材料配伍對固結(jié)體體積穩(wěn)定性的影響

彈性灌漿料固結(jié)體由于無剛性骨料作為骨架，干縮率相對較大。為提高灌漿料固結(jié)體體積穩(wěn)定性，對無機(jī)膠凝材料進(jìn)行了優(yōu)化配制，配合比參數(shù)見表3。其中，丙烯酸酯膠乳摻量為膠材用量的30%，固化劑摻量為膠材用量的6%，即丙烯酸酯膠乳用量的10%。

表3 灌漿料濕脹干縮試驗(yàn)配合比Tab.3 Mix proportion of grouting materials in wet expansion and dry shrinkage tests

圖2 膠凝材料配伍對灌漿料固結(jié)體膨脹收縮率的影響Fig.2 Effects of binding materials mix proportion on expansion-shrinkage rate of grouting materials concretions

彈性灌漿料固結(jié)體濕脹干縮試驗(yàn)依據(jù)DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[13]進(jìn)行。試件制作后首先測試在水中3 d和7 d的濕脹率，然后移至干縮室檢測14 d和28 d的干縮率。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由于橡膠粉對灌漿料干縮無約束作用，因此采用95%普硅水泥和5%硅粉作為膠凝材料配制的彈性灌漿料干縮很嚴(yán)重，在濕度60%的干縮室放置21 d，干縮絕對值接近1 200×10-6。

通過普硅水泥、磨細(xì)礦渣粉和二水石膏粉的優(yōu)化配伍，由于形成大量鈣礬石，在水中養(yǎng)護(hù)條件下，灌漿料7 d體積膨脹接近600×10-6。雖然干縮速率與普硅水泥灌漿料相同，但28 d干縮率下降接近70%。摻加丙烯酸酯膠乳和水性膠乳固化劑后，膠乳成膜封閉了部分毛細(xì)孔洞，降低了干縮速率，28 d干縮率較不摻加水性膠乳灌漿料下降約40%。優(yōu)化無機(jī)膠凝材料配伍并摻加丙烯酸酯膠乳和水性膠乳固化劑后，灌漿料28 d干縮率低于100×10-6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于灌漿料固結(jié)體極限拉伸值，灌漿料干縮開裂隱患完全消除。

4 水性膠乳固化劑對裂縫界面水下粘結(jié)強(qiáng)度和抗?jié)B承載壓強(qiáng)的影響

對于高壩混凝土裂縫深水灌漿修補(bǔ)，由于混凝土裂縫飽水且灌漿后灌漿料與混凝土裂縫界面間存在水膜，粘結(jié)強(qiáng)度降低，不能承受100 m水下滲透壓力。在灌漿料中摻加聚合物膠乳可明顯提高非飽水裂縫界面粘結(jié)性能。灌漿料未摻加聚合物膠乳時(shí)，灌漿料與舊混凝土的粘結(jié)僅靠無機(jī)膠凝材料水化產(chǎn)物的粘結(jié)滲透，修補(bǔ)材料與舊混凝土不能很好地結(jié)合。摻加聚合物膠乳后，漿體中的聚合物會滲透進(jìn)入舊混凝土的孔隙中并失水成膜，在修補(bǔ)界面形成聚合物結(jié)橋，增強(qiáng)了新舊材料的聯(lián)接作用。同時(shí)聚合物良好的粘結(jié)性能可顯著提高灌漿料固結(jié)體與修補(bǔ)材料的粘結(jié)強(qiáng)度[14]。

選取水性環(huán)氧樹脂和丙烯酸酯兩種膠乳與水性膠乳固化劑相結(jié)合，研究它們對灌漿料水下砂漿粘結(jié)強(qiáng)度和水下抗?jié)B壓強(qiáng)的影響。彈性灌漿料水下抗?jié)B壓強(qiáng)試驗(yàn)，首先預(yù)制混凝土抗?jié)B試件，試件中心預(yù)留長50 mm×寬10 mm×深150 mm的貫穿孔，水下灌入彈性灌漿料，養(yǎng)護(hù)28 d后依據(jù)DL/T5150—2001“混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)”檢測抗?jié)B壓強(qiáng)等級。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同膠乳和水性膠乳固化劑組合對水下砂漿粘結(jié)強(qiáng)度和水下抗?jié)B承載壓強(qiáng)的影響Tab.4 Effects of latex and waterborne latex curing agent combinations on bond strength and seepage resistance bearing pressure

由表4可知，摻加水性環(huán)氧樹脂和水性膠乳固化劑，由于不能有效消除水膜，因此也不能改善灌漿料與混凝土裂縫界面水下粘結(jié)強(qiáng)度。單摻丙烯酸酯膠乳，由于單純依靠失水固化成膜，灌漿料與混凝土裂縫界面間水膜不能保證完全消除，界面粘結(jié)強(qiáng)度提高的保證率降低，水下抗?jié)B承載壓強(qiáng)難以達(dá)到滿意的效果。在丙烯酸酯膠乳中摻加水性膠乳固化劑摻入灌漿料后，一部分丙烯酸酯與水性固化劑中的酰胺基在水泥水化形成的堿性條件下發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)和酰胺化反應(yīng)生成聚丙烯酰胺系列化合物，具有吸水絮凝作用，能夠消除灌漿料與混凝土裂縫界面間水膜，同時(shí)促進(jìn)另一部分丙烯酸酯共聚膠乳固化成膜，提高灌漿料水下砂漿粘結(jié)強(qiáng)度和水下抗?jié)B壓強(qiáng)。摻加30%丙烯酸膠乳和6%水性膠乳固化劑的灌漿料水下砂漿粘結(jié)強(qiáng)度與基準(zhǔn)彈性灌漿料相比提高194%，大于2.0 MPa；灌漿料與混凝土粘結(jié)面水下抗?jié)B壓強(qiáng)大于1.2 MPa，完全能滿足100 m水深的高壩混凝土裂縫灌漿修補(bǔ)要求。

5 結(jié) 語

灌漿料中摻加適量橡膠細(xì)粉和丙烯酸酯膠乳可有效降低固結(jié)體彈性模量，彈性模量小于4.0 GPa，極限拉伸值大于400×10-6，提高抗沖擊韌性和彈性變形能力；優(yōu)化灌漿料無機(jī)膠凝材料配伍，固結(jié)體體積穩(wěn)定，水中養(yǎng)護(hù)7 d后干縮21 d，干縮率小于100×10-6，無干縮開裂隱患。

在丙烯酸酯膠乳中摻加適量水性膠乳固化劑并摻入灌漿料后，灌漿料的水下不分散性能明顯提高，固結(jié)體水氣強(qiáng)度比提高顯著，固結(jié)體水氣強(qiáng)度比大于90%；灌漿料水下砂漿粘結(jié)強(qiáng)度大于2.0 MPa，灌漿料與混凝土粘結(jié)面水下抗?jié)B壓強(qiáng)大于1.2 MPa，完全能滿足100 m水深的高壩混凝土裂縫灌漿修補(bǔ)要求。