黃河涵閘加固中丙乳砂漿抗裂性能研究及應(yīng)用

段淑倩，曹 備，史立明，張 甲，李 儒

（1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河南 鄭州 450044；3.陜西省公共資源交易中心，陜西 西安 710000；4.聊城黃河河務(wù)局 莘縣黃河河務(wù)局，山東 莘縣 252400；5.聊城市安泰黃河水利工程維修養(yǎng)護(hù)有限公司，山東 聊城 252000）

1 引 言

黃河涵閘工程在水資源優(yōu)化配置與防洪減災(zāi)中有著舉足輕重的地位和作用，然而大部分涵閘建成年代相對(duì)較早，且鑒于歷史原因，某些涵閘存在老化失修嚴(yán)重和工程管理落后等問(wèn)題，使其出現(xiàn)混凝土表面劣化開(kāi)裂、結(jié)構(gòu)整體變位等安全隱患，嚴(yán)重威脅黃河防洪安全，這使得涵閘除險(xiǎn)加固的重要性日益凸顯，并成為減輕涵閘病害、恢復(fù)其功能的重要手段［1］。目前涵閘除險(xiǎn)加固重點(diǎn)之一是涵閘護(hù)面老化混凝土開(kāi)裂修復(fù)，雖已有成效，但仍存在工法欠缺、技術(shù)不全面、參考數(shù)據(jù)較少的問(wèn)題［1-2］，尤其是在黃河流域水沙環(huán)境及華東地區(qū)不確定氣候因素的雙重影響下，需進(jìn)一步探究。

近年來(lái)，丙乳砂漿作為新型水泥砂漿的一種，無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染，以其優(yōu)良的抗?jié)B性、黏結(jié)能力和抗拉性能，被廣泛應(yīng)用于老化混凝土工程修補(bǔ)和水工建筑物滲漏防治中。然而，在施工中發(fā)現(xiàn)，丙乳砂漿作為剛性防水層，在丙乳成膜固化和水泥水化硬化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大收縮變形，使得收縮拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，加之養(yǎng)護(hù)條件控制的缺失及標(biāo)準(zhǔn)施工工法的缺乏，護(hù)面加固后仍會(huì)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。如何提高丙乳砂漿的抗裂性能，并進(jìn)一步規(guī)范其施工工法標(biāo)準(zhǔn)，最大限度地減少涵閘除險(xiǎn)加固中丙乳砂漿護(hù)面的干縮龜裂，成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前，關(guān)于丙乳砂漿抗裂性能和護(hù)面龜裂主要原因的研究已取得一定進(jìn)展，認(rèn)為丙乳砂漿龜裂主要是凝結(jié)收縮應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度所致，研究主要集中于水灰比、聚灰比、細(xì)集料種類(lèi)等變化對(duì)丙乳砂漿力學(xué)性能（如自由收縮變形、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等）的影響［3-13］，或僅涉及水泥品種、纖維摻量、相對(duì)濕度、養(yǎng)護(hù)齡期和溫度的某一種對(duì)砂漿干縮性能的影響［9，14-18］。然而，工程實(shí)際中，丙乳砂漿所處環(huán)境不盡相同，存在其特殊性，而不同研究中各因素對(duì)其抗裂性能的影響并不統(tǒng)一，且未針對(duì)特定工程給出特定影響關(guān)系，比如丙乳砂漿施工（養(yǎng)護(hù)）的溫度、濕度、時(shí)間周期的控制范圍等。在丙乳砂漿應(yīng)用于水工混凝土建筑物護(hù)面的除險(xiǎn)加固和開(kāi)裂控制措施研究方面，雖然學(xué)者們已給出水庫(kù)、大壩、涵閘等水工混凝土建筑物老化加固處理的相關(guān)工程實(shí)例［19-33］，但研究?jī)?nèi)容多涉及丙乳砂漿加固的具體施工，介紹相對(duì)簡(jiǎn)單，且未結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果給出更加定量化的丙乳砂漿防龜裂建議方法和施工工藝基準(zhǔn)。

雖然前人研究成果可為黃河涵閘加固中丙乳砂漿抗裂性能研究及應(yīng)用提供借鑒，但鑒于黃河涵閘加固工程水沙環(huán)境和氣候條件的特殊性，丙乳砂漿護(hù)面施工工藝并無(wú)大量相對(duì)成熟經(jīng)驗(yàn)可循，丙乳砂漿抗裂性能尚不清晰，從而限制了黃河涵閘丙乳砂漿護(hù)面加固措施的研究與推廣。筆者以上述問(wèn)題為切入點(diǎn)，以金堤河干流治理工程（山東段）東池閘除險(xiǎn)加固工程為依托，通過(guò)試驗(yàn)，揭示配合比和施工養(yǎng)護(hù)條件（養(yǎng)護(hù)溫度、濕度和時(shí)間）對(duì)丙乳砂漿抗裂性能的影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工探究合理的抗裂措施，對(duì)丙乳砂漿護(hù)面防龜裂施工工藝及抗裂參數(shù)進(jìn)行規(guī)律性總結(jié)和分析，為今后涵閘丙乳砂漿護(hù)面施工提供參考數(shù)據(jù)和依據(jù)。

2 東池閘概況及其工程病害

山東省聊城市莘縣河務(wù)局所轄的東池閘始建于1979年3月，為單孔混凝土涵洞式涵閘，運(yùn)行至今已近40 a，在空氣、負(fù)荷、凍融、風(fēng)、雨和雪的長(zhǎng)期作用下，已呈現(xiàn)出各種老化病害，嚴(yán)重影響其安全性、適用性和耐久性。特別地，鑒于水流沖擊力強(qiáng)、水流含沙量大、風(fēng)浪、冰凌撞擊及水中有機(jī)物侵蝕等，閘墩墩頭及洞身表面出現(xiàn)了混凝土碳化和鋼筋銹蝕、混凝土表面剝蝕破壞、開(kāi)裂和泥沙淤積等問(wèn)題。此涵閘被評(píng)定為三類(lèi)閘，須立即采取除險(xiǎn)加固措施對(duì)涵閘護(hù)面修復(fù)加固。值得注意的是，該加固工程涉及的泄洪洞泄流量較大，最大流速達(dá)到25 m／s，水流沖擊力強(qiáng)，對(duì)混凝土磨蝕嚴(yán)重，這對(duì)修復(fù)材料的黏結(jié)、抗裂、耐磨、耐老化和環(huán)保等性能有更高要求。因此，在采用丙乳砂漿進(jìn)行涵閘病害部位修復(fù)處理時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)局部開(kāi)裂和龜裂現(xiàn)象，而這應(yīng)建立于對(duì)丙乳砂漿抗裂性能及修復(fù)控制的深刻理解之上。

3 室內(nèi)試驗(yàn)原料和方法

3.1 試驗(yàn)原料和配合比

原材料包括莘縣山水水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥、東平湖的偏細(xì)砂、上?？颇虏牧峡萍加邢薰旧a(chǎn)的聚丙烯酸酯乳液和地下水?；诜浪こ坛Ｓ门浜媳?，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件進(jìn)行試配，初步選定滿(mǎn)足要求的3種配合比用于力學(xué)性能的對(duì)比分析，流動(dòng)度的測(cè)定基于《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB／T 2419—2005）進(jìn)行。配合比見(jiàn)表1。

3.2 試驗(yàn)方法

將制備并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的不同配合比丙乳砂漿試件進(jìn)行力學(xué)強(qiáng)度測(cè)定，其中抗折、抗壓強(qiáng)度按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB／T 17671—1999）測(cè)定，黏結(jié)強(qiáng)度依據(jù)《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》（DL／T 5126—2001）測(cè)定，對(duì)比分析后，確定適用于東池閘護(hù)面修復(fù)的具有良好工作性能的配合比。

將選定配合比的丙乳砂漿制模成型，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度控制在20℃±3℃，相對(duì)濕度為95%以上）養(yǎng)護(hù)，48 h后脫模。研究不同養(yǎng)護(hù)溫度、時(shí)間和濕度對(duì)丙乳砂漿抗裂性能的影響，每個(gè)影響因素制備3個(gè)試件。養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)后參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ／T 70—2009）確定平均干縮率，具體如下。

（1）不同養(yǎng)護(hù)溫度。對(duì)脫模后的試件測(cè)定初始長(zhǎng)度后，分別置于10、20、40℃溫度下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)定齡期7、14、21、28、35 d試件的長(zhǎng)度，并計(jì)算干縮率。

（2）不同養(yǎng)護(hù)齡期。對(duì)脫模后的試件置于水中分別養(yǎng)護(hù)1、2、4 d后取出，將試件表面擦拭干凈并測(cè)量初始長(zhǎng)度，然后放入溫度為20℃、相對(duì)濕度為（60±5）%的恒溫養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)35 d，計(jì)算干縮率。

（3）不同養(yǎng)護(hù)濕度。測(cè)定脫模后試件的初始長(zhǎng)度后，將試件置于溫度為20℃，相對(duì)濕度分別為40%、75%、90%的恒溫恒濕控制箱中養(yǎng)護(hù)35 d，計(jì)算干縮率。

4 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

4.1 力學(xué)參數(shù)

表2給出了不同配合比丙乳砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、壓折比和黏結(jié)強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度可反映砂漿承載能力；抗折強(qiáng)度可反映砂漿單位面積承受彎矩的極限折斷應(yīng)力，其測(cè)試比抗拉強(qiáng)度的便捷，可間接反映砂漿的抗拉強(qiáng)度；壓折比可反映丙乳砂漿的韌性，壓折比越小，表明韌性越好、抗裂性能愈佳。丙乳砂漿黏結(jié)界面兩側(cè)不協(xié)調(diào)的收縮變形和水膜層的存在，往往導(dǎo)致界面結(jié)構(gòu)疏松并產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因而修補(bǔ)材料與原護(hù)面的黏結(jié)強(qiáng)度也是涵閘修復(fù)加固的關(guān)鍵。從表2可知：

表2 不同配合比丙乳砂漿力學(xué)強(qiáng)度

（1）砂漿的抗壓強(qiáng)度隨著丙乳摻量的增大而降低，聚灰比為14%和19%的砂漿抗壓強(qiáng)度分別比聚灰比為10%的砂漿抗壓強(qiáng)度降低了7%和18%。而此時(shí)隨著聚灰比的增大，水灰比逐漸減小，可見(jiàn)二者變化對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響是相反的。由于丙乳本身韌性較好，且具有引氣效應(yīng)和成膜效應(yīng)，丙乳摻量的增大在一定程度上造成砂漿密實(shí)性、原有離子鍵力和剛性減小，因此對(duì)抗壓強(qiáng)度沒(méi)有改善［6］。

（2）砂漿的抗折強(qiáng)度均隨丙乳摻量的增加而提高，而壓折比逐步降低，聚灰比為14%和19%的砂漿抗折強(qiáng)度分別比聚灰比為10%的砂漿抗折強(qiáng)度提高了9%和13%，壓折比則分別降低了約14%和28%。這說(shuō)明丙乳摻量的增大能有效改善砂漿的抗折強(qiáng)度，原因主要是摻入丙乳具有顯著的減水效果，而形成的連續(xù)丙乳膜與水泥水化物交織形成“微纖維”［10］，有利于砂漿抗裂性能的提高。

（3）在丙乳摻量10%～20%范圍內(nèi)，隨著聚灰比增大，砂漿黏結(jié)強(qiáng)度提高。原因是丙乳本身有黏性，且分子擴(kuò)散能力強(qiáng)，可有效滲入原混凝土護(hù)面孔隙中，在修補(bǔ)界面處形成較好的連接柔性層［8］，從而增強(qiáng)了黏結(jié)性能。

因此，丙乳摻量的增大和水灰比的減小可顯著改善丙乳砂漿的抗裂性能。綜合考慮丙乳砂漿的和易性、韌性、黏結(jié)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選定2號(hào)配合比（聚灰比14%、水灰比31%）作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和后續(xù)養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)的配合比。

4.2 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)丙乳砂漿干縮率的影響

（1）養(yǎng)護(hù)溫度T對(duì)干縮率的影響。圖1為不同養(yǎng)護(hù)溫度下丙乳砂漿干縮率隨齡期的變化曲線。不同養(yǎng)護(hù)溫度下砂漿干縮率皆在0～14 d齡期內(nèi)增長(zhǎng)迅速，在28 d時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定，呈二項(xiàng)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)丙乳砂漿干縮性能影響較大，40℃養(yǎng)護(hù)溫度下，干縮率明顯降低，在28 d和35 d齡期時(shí)，其干縮率比10℃養(yǎng)護(hù)干縮率降低近17%。原因是較高溫養(yǎng)護(hù)條件下，丙乳砂漿中丙乳和硅酸鹽聚合度提高，使得砂漿中氫鍵以自由水形式釋放，凝膠泥石抵抗變形能力增強(qiáng)，相應(yīng)干縮率降低［34-35］。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)溫度T下丙乳砂漿干縮率隨齡期的變化曲線

（2）初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間t對(duì)干縮率的影響。圖2為不同初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線。可知，初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致丙乳砂漿收縮率小幅增大，但增幅不明顯，1、2、4 d初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間下砂漿干縮率隨齡期的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。雖然初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)干縮率影響不顯著，但初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間過(guò)度延長(zhǎng)，會(huì)促使水泥水化程度提高和水化產(chǎn)物增多，從而導(dǎo)致干縮率增大，因此丙乳砂漿的初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間仍需控制。

圖2 不同初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間t下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線

（3）養(yǎng)護(hù)濕度ρ對(duì)干縮率的影響。圖3為不同養(yǎng)護(hù)濕度下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線。可知，不同養(yǎng)護(hù)濕度下砂漿干縮率隨齡期的增加趨勢(shì)與養(yǎng)護(hù)溫度基本一致（二項(xiàng)式增長(zhǎng)），且丙乳砂漿的干縮率在各齡期隨濕度升高均明顯減小，濕度對(duì)前期干縮率影響程度更大。相對(duì)于養(yǎng)護(hù)濕度為40%時(shí)的干縮率，養(yǎng)護(hù)濕度為90%時(shí)干縮率降幅較大，齡期7、14、21、28、35 d時(shí)砂漿干縮率分別降低約60%、47%、43%、41%、38%。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)濕度ρ下丙乳砂漿的干縮率隨齡期的變化曲線

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用

5.1 抗裂性能試驗(yàn)對(duì)涵閘護(hù)面修復(fù)的指導(dǎo)意義

由上文可知，配合比和養(yǎng)護(hù)條件對(duì)丙乳砂漿干縮開(kāi)裂影響顯著，影響程度依次為養(yǎng)護(hù)濕度、養(yǎng)護(hù)溫度和初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間。進(jìn)行涵閘護(hù)面修復(fù)時(shí)，丙乳砂漿配合比可參照試驗(yàn)所得最佳配合比，施工養(yǎng)護(hù)可按如下措施控制：①濕度控制。養(yǎng)護(hù)濕度增大造成干縮率減小，建議施工中養(yǎng)護(hù)濕度盡量控制在80%以上，尤其是前期應(yīng)考慮采用多種保濕措施。②溫度控制。丙乳砂漿養(yǎng)護(hù)溫度＞20℃后，收縮率隨養(yǎng)護(hù)溫度上升逐漸減小，建議結(jié)合施工許可程度，將施工及養(yǎng)護(hù)溫度控制在30℃±5℃。③時(shí)間控制。干燥前養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加造成的干縮影響不太明顯，建議施工過(guò)程中，初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間維持在1～3 d。

各養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)前期對(duì)丙乳砂漿的干縮影響程度皆大于后期的，因此對(duì)丙乳砂漿的早期養(yǎng)護(hù)極為重要，可有效控制其早期收縮裂縫。

5.2 東池閘護(hù)面加固施工工藝改良

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工遇到的問(wèn)題，在對(duì)東池閘現(xiàn)場(chǎng)護(hù)面加固過(guò)程中，對(duì)丙乳砂漿施工工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控與改良，主要措施如下。

（1）原材料改良。結(jié)合防水工程要求和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)丙乳砂漿配合比進(jìn)一步優(yōu)化（聚灰比14%，水灰比31%），控制砂漿攪拌時(shí)間（5～8 min）和使用時(shí)間（1～2 h），使砂漿具有良好的和易性及強(qiáng)度，以最大程度降低原材料自身對(duì)砂漿抗裂性能的影響。

（2）刷漿方式改良。病害混凝土基面原凈漿涂抹打底改為甩漿法，且掛漿由一次性施工改為分兩層（整平層和加強(qiáng)罩面層）施工，以增強(qiáng)丙乳砂漿與結(jié)合面的附著力和黏結(jié)力。

（3）施工工序改良。由大面積施工改為對(duì)每節(jié)閘洞進(jìn)行施工單元塊劃分，以免因施工凝結(jié)時(shí)間的不一致而造成收縮裂縫。

（4）養(yǎng)護(hù)改良。采用5.1節(jié)建議的施工養(yǎng)護(hù)措施，對(duì)于溫度控制，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)氣溫的監(jiān)控，抹面后及時(shí)覆膜，閘洞口懸掛棉簾并利用電暖扇進(jìn)行增溫；對(duì)于濕度控制，采用噴霧覆膜手段保濕3 d，同時(shí)閘洞口掛簾保濕，3 d后灑水保濕，7 d后定時(shí)灑水自然干燥，避免忽干忽濕和強(qiáng)風(fēng)過(guò)洞。

（5）加強(qiáng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)。對(duì)施工期、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)期和干燥養(yǎng)護(hù)期的溫度、濕度和丙乳砂漿護(hù)面潮濕情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)施工工藝的適時(shí)調(diào)整。

改良后的丙乳砂漿護(hù)面關(guān)鍵施工工藝和參數(shù)可控度高，操作性強(qiáng)，在東池閘除險(xiǎn)加固工程中應(yīng)用效果顯著，自2016年年底至今（含冬季）觀測(cè)護(hù)面無(wú)明顯龜裂現(xiàn)象。2017年改良后的丙乳砂漿護(hù)面施工工藝再次成功應(yīng)用于山東東平湖林辛分洪閘除險(xiǎn)加固工程，應(yīng)用面積9 700 m2，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 論

（1）丙乳摻量的增大和水灰比的減小可顯著改善丙乳砂漿的抗裂性能，表現(xiàn)為丙乳砂漿抗折強(qiáng)度增大、壓折比減小、韌性和黏結(jié)強(qiáng)度增大，但抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯提高?；诖瞬⒔Y(jié)合防水工程要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)丙乳砂漿配合比的進(jìn)一步優(yōu)化（聚灰比14%，水灰比31%）。

（2）養(yǎng)護(hù)濕度和養(yǎng)護(hù)溫度的提高對(duì)丙乳砂漿抗干裂性能影響顯著，而初始養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)其影響不明顯。不同養(yǎng)護(hù)條件下丙乳砂漿干縮率皆在0～14 d齡期內(nèi)迅速增大，在28 d齡期時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定，因此對(duì)丙乳砂漿的早期養(yǎng)護(hù)極為重要。

（3）基于室內(nèi)抗裂性能試驗(yàn)，給出黃河水沙條件下涵閘護(hù)面加固過(guò)程中溫度、濕度和齡期施工參數(shù)的控制范圍和限值。

（4）實(shí)現(xiàn)了適用于黃河涵閘護(hù)面丙乳砂漿施工工藝的動(dòng)態(tài)改良與實(shí)時(shí)調(diào)控，規(guī)范了丙乳砂漿的施工順序、工藝和參數(shù)選取，使丙乳砂漿護(hù)面龜裂問(wèn)題得到了有效解決，延長(zhǎng)了涵閘使用壽命。