無機(jī)微納米物理改性膠凝材料在混凝土表面修補(bǔ)加固中的應(yīng)用

崔赫威，史建勛，周繼元，張春海

（1.北京中水利德科技發(fā)展有限公司吉林省分公司，吉林長春130000；2.吉林省水利科學(xué)研究院，吉林 長春130021）

1 概述

東豐縣中育水庫位于吉林省遼源市東豐縣黃河鎮(zhèn)境內(nèi)的大沙河右岸一級(jí)支流黃泥河上。水庫多年平均溫度3.6 ℃，屬于溫帶大陸季風(fēng)性氣候區(qū)，根據(jù)多年氣象材料顯示，最高溫度達(dá)到33.5 ℃，最低極端溫度為-38.5 ℃，平均氣溫1.7～2.9 ℃。春季多風(fēng)，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季溫和涼爽，冬季寒冷，寒暑溫差較大，最大凍土深度為1.6 m。由于凍融的破壞和強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使水庫迎水坡出現(xiàn)開裂、脫落等問題。2020 年，對(duì)東豐縣中育水庫進(jìn)行了全面調(diào)查，并用取芯試驗(yàn)檢測(cè)了建筑物的混凝土強(qiáng)度。結(jié)果表明，現(xiàn)有混凝土建筑物問題主要表現(xiàn)在：混凝土建筑物表面存在裂縫；迎水混凝土表面凍融、剝落破壞；混凝土表面沖磨破壞等；混凝土強(qiáng)度不均。這些問題已影響到混凝土建筑物壽命和外觀，甚至影響到工程的正常安全運(yùn)行。為了提高混凝土的耐久性，延長建筑物的使用壽命，2020 年6 月，對(duì)東豐縣中育水庫迎水坡模袋混凝土采用無機(jī)微納米物理改性膠凝材料進(jìn)行修補(bǔ)加固，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢查驗(yàn)收，沒有發(fā)現(xiàn)因施工或材料原因而出現(xiàn)裂縫、鼓包等現(xiàn)象。經(jīng)過前期運(yùn)行，修補(bǔ)部分沒有脫落和裂縫等問題出現(xiàn)，說明這種無機(jī)微納米物理改性膠凝材料是一種理想的修補(bǔ)材料。

2 材料的主要性能及適用范圍

無機(jī)微納米物理改性膠凝材料是一種新型的混凝土表面修補(bǔ)材料,是以無機(jī)聚合物為核心基礎(chǔ)的有機(jī)/無機(jī)雜化材料，屬新型微觀-介觀（微納米）超細(xì)材料。聚合物在微觀量級(jí)的各種成分均勻融合，使新材料具備了所有成分之間的特性甚至是一些新的特性。由此制備出性能奇特、克服常規(guī)材料缺陷的新型功能材料。主要體現(xiàn)在：

1）活性作用。聚合物中有表面活性劑，能夠起減水作用。同時(shí)對(duì)水泥顆粒有分散作用，改善砂漿和易性，降低用水量，從而減少水泥的毛細(xì)孔等有害孔, 提高砂漿的密實(shí)性和抗?jié)B透能力。

2）橋鍵作用。聚合物分子中的活性基因與水泥水化中游離的Ca2+，Al3+，F(xiàn)e2+等離子進(jìn)行交換,形成特殊的橋鍵，在水泥顆粒周圍發(fā)生物理、化學(xué)吸附，成連續(xù)相，具有高度均一性，降低了整體的彈性模量，改善了水泥漿物理的組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài),使得承受變形能力增加，產(chǎn)生微隙的可能性大大減少。即使產(chǎn)生微裂隙，由于聚合物的橋鍵作用，也可限制裂縫的發(fā)展。

3）充填作用。聚合物乳液迅速凝結(jié)，形成堅(jiān)韌、致密的薄膜，填充于水泥顆粒之間，與水泥水化產(chǎn)物形成連續(xù)相填充空隙，隔斷了與外界聯(lián)系的通道。

無機(jī)微納米物理改性膠凝材料與普通水泥性能比較見表1。

表1 無機(jī)微納米物理改性膠凝材料與傳統(tǒng)混凝土性能對(duì)比表

從表1 可以看出，與普通砂漿相比，無機(jī)微納米物理改性膠凝材料具有抗拉強(qiáng)度高、干縮變、抗凍、抗?jié)B、抗沖耐磨,與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度高，具有一定的彈性，抗裂性能高；而環(huán)氧砂漿雖具有強(qiáng)度高、粘合性好、抗?jié)B效果好等特點(diǎn)，但其材料力學(xué)性能與基底混凝土不一致，環(huán)氧樹脂砂漿的膨脹系數(shù)一般在25×10-6～30×10-6/℃，為基底混凝土的2.5～3.0 倍，容易出現(xiàn)開裂脫落情況，而無機(jī)微納米物理改性膠凝材料克服了這些問題。根據(jù)無機(jī)微納米物理改性膠凝材料的特性，其適用于水工、海工、高鐵等混凝土建筑物因空蝕、凍融破壞而引起的混凝土表層開裂、剝蝕等混凝土表面薄層修補(bǔ)。

3 工程方案確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況東豐中育水庫迎水坡模袋混凝修補(bǔ)材料選擇擬定3 種方案：

1）第1 種方案，切割并拆除擬處理范圍內(nèi)的模袋砂漿護(hù)坡，采用平均厚15 cm 常規(guī)C25F250 模袋混凝土重新澆筑。

2）第2 種方案，切割并拆除擬處理范圍內(nèi)的模袋混砂漿護(hù)坡，采用平均厚15 cm 常規(guī)C25F250 混凝土板護(hù)砌，其下依次鋪設(shè)3 cm 水泥砂漿找平層、15 cm 碎石墊層。

3）第3 種方案，鑿除擬處理范圍內(nèi)的模袋砂漿外表面2 cm，清除表面松動(dòng)骨料后栽植錨固鋼筋及面層鋼筋網(wǎng)，分塊澆筑無機(jī)微納米膠凝改性材料配置的混凝土，平均厚7 cm。

以上3 種方案使用于混凝土補(bǔ)強(qiáng)工程均具備可行性，但第1 種和第2 種方案的工期較長，對(duì)完建的原有結(jié)構(gòu)利用率較低，基本為拆除重建；方案2 需破壞拆除部分的護(hù)坡底部壩體及無紡布，施工難度較大，穩(wěn)定性較差；而方案3較大程度利用了原有的護(hù)坡結(jié)構(gòu)，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、加固，施工工藝簡便易操作。在經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面來看，東豐中育水庫迎水坡模袋混凝土修補(bǔ)面積為2 519 m2，長513 m，第1，2方案需澆筑厚度為15 cm的常規(guī)混凝土，用量約為400 m3，其強(qiáng)度等級(jí)為C25，包括壩坡拆除、界面處理、澆筑碎石層、拆模、混凝土澆筑等，總概算為351萬和501萬；而采用第3種無機(jī)微納米物理改性膠凝材料的方案，澆筑厚度為7 cm，用量約為174 m3，其綜合造價(jià)為328 萬，因此最后選擇第3 種施工方案。無機(jī)微納米物理改性膠凝材料的應(yīng)用，不僅減少了施工工序，加快施工進(jìn)度，而且其施工成本也下降了，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 施工及質(zhì)量控制

采用無機(jī)微納米物理改性膠凝材料進(jìn)行修補(bǔ)加固處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)、工程特點(diǎn)及施工進(jìn)度合理地組織安排施工。施工流程：鑿毛→用高壓水槍沖洗飽和→涂刷界面劑→抹無機(jī)微納米物理改性膠凝材料→養(yǎng)護(hù)。

4.1 基底處理

1）鑿毛為確保無機(jī)微納米物理改性膠凝材料與基底混凝土具有良好的粘結(jié)，一般用鋼絲刷或噴砂方法清除表面浮層污物。如基面松動(dòng)嚴(yán)重，應(yīng)采用人工鑿毛方法，鑿掉破損的混凝土，使基底露出堅(jiān)硬、牢固的混凝土面。鑿毛必須徹底全面，但也不宜深度過大。

2）對(duì)鑿除的混凝土表面，采用高壓水槍將碎屑、浮塵沖洗干凈，使鑿?fù)瓯韺踊炷吝_(dá)到飽和狀態(tài)，且表面無明水。

4.2 材料的配制

根據(jù)選用的材料、設(shè)計(jì)技術(shù)及施工和易性的要求進(jìn)行提前試拌?，F(xiàn)場(chǎng)可用攪拌機(jī)或人工拌和,將稱好的無機(jī)微納米物理改性膠凝材料和水混合后加入，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠹纯?。各組分配比必須嚴(yán)格控制，每次拌和的用量應(yīng)根據(jù)施工的進(jìn)程確定, 拌和成的存放時(shí)間不宜超過30 min。若未及時(shí)使用而出現(xiàn)干硬現(xiàn)象，不能再加水重新拌和，以免影響水灰比，應(yīng)舍棄不用。

4.3 施工

1）無機(jī)微納米物理改性膠凝材料涂抹之前，在工作基面上涂刷聚合物界面改性劑，涂刷時(shí)應(yīng)均勻，不得有漏涂、流淌。

2）抹面施工時(shí)，待界面劑用手摸感到似粘非粘時(shí)，應(yīng)立即抹無機(jī)微納米物理改性膠凝材料，且朝一個(gè)方向，一次用力抹平，避免反復(fù)抹出現(xiàn)開裂問題。

4.4 養(yǎng)護(hù)

新材料混凝土固化時(shí)間短、強(qiáng)度增長快，在環(huán)境溫度超過30 ℃時(shí)，應(yīng)考慮采取降溫措施。通常無機(jī)微納米物理改性膠凝材料初凝后，在表面覆蓋一層塑料薄膜，終凝后持續(xù)撒水養(yǎng)護(hù)。

4.5 施工控制

在施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范，事先安排技術(shù)人員等掌握新材料施工工藝流程、性能及特性指標(biāo)；施工過程中，監(jiān)理旁站監(jiān)督,遇到問題及時(shí)解決。在新材料混凝土強(qiáng)度達(dá)到50%左右時(shí)，用鐵錘輕敲修補(bǔ)面，檢查修補(bǔ)質(zhì)量，敲擊聲清脆為合格，反之則需要鑿除重新修補(bǔ)。

5 結(jié)語

無機(jī)納米膠凝材料作為新型修補(bǔ)材料，具有良好的抗?jié)B、抗沖磨性能，粘結(jié)性強(qiáng)，適用于大規(guī)?；炷帘韺有扪a(bǔ)，與傳統(tǒng)膠凝材料相比施工工藝簡單、成本低。東豐中育水庫修補(bǔ)完成后，經(jīng)前期運(yùn)行來看，其修復(fù)面表面光滑、平整，提高了混凝土的耐久性，提高了水工混凝土建筑的使用年限，控制了混凝土病害的進(jìn)一步擴(kuò)大。此次修復(fù)的質(zhì)量達(dá)到了預(yù)想要求，同時(shí)也取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)進(jìn)一步證明了無機(jī)納米膠凝材料是一種可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、耐久的新型修復(fù)防護(hù)材料。