基于混凝土大壩裂縫修補(bǔ)材料的試驗(yàn)研究

劉若華

(昌圖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 昌圖 112599)

水工混凝土作為用量最大的建筑材料，對(duì)于水利工程長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。為維護(hù)水庫(kù)大壩的安全有效運(yùn)行及其耐久性能，針對(duì)水庫(kù)大壩最常見(jiàn)的裂縫病害，研制裂縫修補(bǔ)材料的意義重大[3-6]。實(shí)踐表明，外部侵蝕性介質(zhì)是造成混凝土自外向內(nèi)劣化擴(kuò)展以及水工結(jié)構(gòu)耐久性下降的關(guān)鍵因素之一。受凍融循環(huán)、干濕交替、水流沖刷及溫度變化等因素作用，混凝土外表面不斷被碳化、剝蝕和風(fēng)化，長(zhǎng)期以往危害加劇并危及工程的整體安全[7]。因此，為降低工程使用壽命受混凝土裂化的不利影響，實(shí)現(xiàn)工程質(zhì)量目標(biāo)和設(shè)計(jì)使用壽命，必須嚴(yán)格控制裂縫的裂縫[8]。實(shí)際上，除優(yōu)質(zhì)的施工質(zhì)量和科學(xué)合理的設(shè)計(jì)外，還要采取特殊材料保護(hù)混凝土表面。

近年來(lái)，為適應(yīng)環(huán)保需求國(guó)外學(xué)者研制了一種新型綠色施工的聚脲彈性體技術(shù)，該技術(shù)集合了涂料、橡膠、玻璃鋼和塑料等多種功能，從根本上打破了傳統(tǒng)技術(shù)的局限，對(duì)修補(bǔ)混凝土裂縫具有較強(qiáng)的適用性[9]。近年來(lái)，在聚脲工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用了一種聚天門(mén)氡氨酸酯聚脲材料，因具有高性能、慢反映、高耐久性等特點(diǎn)，徹底解決了傳統(tǒng)的伯胺聚脲原料附著力差、反應(yīng)速度過(guò)快的問(wèn)題。研究表明，異氰酸酯與聚天門(mén)氡氨酸酯發(fā)生反應(yīng)可以獲取耐久性更好的聚脲材料。因此，文章利用異氰酸酯和聚天門(mén)氡氨酸酯制備混凝土裂縫修補(bǔ)材料，并深入研究了新型材料的耐久性能。

1 材料制備與試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)原材料主要有活性稀釋劑、硅烷偶聯(lián)劑、SiO2粒子、脂肪族異氰酸酯(B1、B2)和聚天門(mén)氡氨酸酯等。

1.2 復(fù)合材料制備

混凝土大壩裂縫修補(bǔ)納米復(fù)合材料的制備流程如下：①采用高速分散機(jī)將一定比例的硅烷偶聯(lián)劑、納米SiO2和活性稀釋劑高速(2000r/min)分散60min；②在高速分散機(jī)中將硅烷偶聯(lián)劑、納米SiO2、活性稀釋劑與聚天門(mén)氡氨酸酯的均勻混合物高速(1000r/min)分散30min，然后利用功率4kW、頻率80kHz的超聲分散機(jī)，按間隔5min、每次10min的原則分散3次，靜置60min后將混合物記為A組份；③命名B組分為結(jié)構(gòu)不同的脂肪族異氰酸酯，結(jié)合異氰酸酯基當(dāng)量和氨基當(dāng)量合理設(shè)計(jì)A組分、B組分的用量比，最終制備成雙組分納米復(fù)合材料，納米復(fù)合材料配方，見(jiàn)表1。

表1 納米復(fù)合材料配方

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)樹(shù)脂澆鑄體的拉伸試驗(yàn)及其性能試驗(yàn)方法，按照相關(guān)要求和流程制作試件，并利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定標(biāo)養(yǎng)21d后試樣的力學(xué)性能。

1.4 耐久性試驗(yàn)

采用160mm×40mm×40mm的標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試抗凍性能，抗凍等級(jí)F80，試驗(yàn)過(guò)程中用滾筒等涂刷工具按照滾筒的方法將復(fù)合材料涂刷于試件表面，涂刷厚度約1mm，靜置7d后取出，然后利用MIT 683 063型全自動(dòng)凍融試驗(yàn)機(jī)按試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的流程進(jìn)行凍融試驗(yàn)[10]。

本試驗(yàn)利用邊長(zhǎng)70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試抗碳化性能，試驗(yàn)過(guò)程中將復(fù)合材料涂刷試件表明，厚度厚度約1mm，靜置7d后取出，然后采用CCB-70W型碳化試驗(yàn)箱按照試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的方法進(jìn)行碳化試驗(yàn)[11]。

制備高100mm、直徑300mm的C40標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)試抗沖磨性能，試驗(yàn)配合比為砂∶石∶粉煤灰∶水泥∶水=620∶1255∶90∶360∶135，試驗(yàn)過(guò)程中將復(fù)合材料涂刷試件表明，厚度厚度約1mm，靜置7d后取出，然后利用HKS-Ⅱ型抗沖磨試驗(yàn)機(jī)按試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的方法進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)[12]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

依據(jù)《樹(shù)脂澆鑄體拉伸性能試驗(yàn)方法》中的相關(guān)流程測(cè)試裂縫修復(fù)納米復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能，斷裂伸長(zhǎng)率及拉伸強(qiáng)度受B1與B2比值的影響曲線，不同異氰酸酯比值的影響，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)表明，隨B1含量的增大雙組分納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸增加，但其斷裂伸長(zhǎng)率不斷減??；隨B2含量的增加雙組分納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，但其斷裂伸長(zhǎng)率不斷增大。深入分析，B1分子鏈短且為剛性鏈段，所以有利于復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提升，而B(niǎo)2分子鏈長(zhǎng)且為柔性鏈段，所以有利于復(fù)合材料斷裂伸張率的提升。因此，在裂縫修補(bǔ)材料制備時(shí)應(yīng)考慮工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)復(fù)配調(diào)整B1、B2及A組分摻量來(lái)滿(mǎn)足工程實(shí)際需求。雙組分納米復(fù)合材料的力學(xué)性能，見(jiàn)表2。

(a)對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響

表2 雙組分納米復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.2 抗凍融性能

凍融循環(huán)達(dá)到200次時(shí)，觀察涂刷和未涂刷裂縫修補(bǔ)材料的混凝土試樣凍融情況。結(jié)果顯示，凍融循環(huán)達(dá)到200次時(shí)未涂刷裂縫修補(bǔ)材料的混凝土試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量減小至54.1%，其重量損失率接近20%；凍融循環(huán)達(dá)到200次時(shí)涂刷裂縫修補(bǔ)材料的混凝土試樣相對(duì)動(dòng)彈性模量?jī)H減小了8.5%，試樣重量變化不明顯?？梢?jiàn)，混凝土試樣涂覆裂縫修補(bǔ)材料能夠明顯改善其抗凍融性能。

2.3 抗碳化性能

碳化時(shí)間達(dá)到28d時(shí)，觀察涂刷和未涂刷裂縫修補(bǔ)材料的混凝土試樣碳化情況。結(jié)果顯示，碳化時(shí)間達(dá)到28時(shí)未涂刷裂縫修補(bǔ)材料的試樣碳化深度達(dá)到8.2mm，而涂刷裂縫修補(bǔ)材料的試樣未出現(xiàn)碳化。試驗(yàn)表明，將混凝土試樣涂覆裂縫修補(bǔ)材料能夠明顯改善其抗碳化性能。

2.4 抗沖磨性能

沖磨時(shí)間達(dá)到72h時(shí)，觀察涂刷和未涂刷裂縫修補(bǔ)材料的混凝土試樣沖磨情況。結(jié)果顯示，沖磨時(shí)間達(dá)到200次時(shí)未涂刷裂縫修補(bǔ)材料的試樣質(zhì)量損失達(dá)到1.6kg，而涂刷裂縫修補(bǔ)材料的試樣質(zhì)量損失不足0.01kg。因此，將混凝土試樣涂覆裂縫修補(bǔ)材料能夠明顯改善其抗沖磨性能。

2.5 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)

在太子河干流某水庫(kù)除險(xiǎn)加固中對(duì)裂縫修補(bǔ)材料進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，結(jié)果顯示復(fù)合材料的修補(bǔ)效果良好。將聚天門(mén)氡氨酸酯納米復(fù)合材料涂刷在輸水渠坡和底板裂縫表面，經(jīng)24h后現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)該復(fù)合材料對(duì)底板和渠坡裂縫具有較好的修復(fù)效果，為除險(xiǎn)加固工程的順利實(shí)施和驗(yàn)收提供了可靠保障[13-20]。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)利用分散機(jī)和硅烷偶聯(lián)劑制備了聚天門(mén)氡氨酸酯復(fù)合材料，并進(jìn)一步探討了材料斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度受不同異氰酸酯類(lèi)型的影響。結(jié)果顯示，將混凝土試樣涂刷彈性裂縫修補(bǔ)材料能夠明顯改善其抗沖磨、抗碳化和抗凍融性能，在水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中這種納米復(fù)合材料取得了顯著修復(fù)效果，實(shí)際工程應(yīng)用比較成功。