水工混凝土表面及內(nèi)部封堵修補(bǔ)材料的性能綜合比選

王國(guó)逵

(朝陽(yáng)市水務(wù)局，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

在北方地區(qū)由于氣候寒冷，溫差變化大，氣候干燥及鹽堿腐蝕等氣候和自然因素綜合影響，水工混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中容易出現(xiàn)裂縫等病害缺陷。混凝土受到這些病害缺陷影響，其結(jié)構(gòu)耐久性降低，鋼筋銹蝕程度加快，結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定難以得到保障[1]。因此，從水利工程全壽命周期研究水工混凝土耐久性提升技術(shù)，需要結(jié)合有效的修補(bǔ)和防護(hù)技術(shù)來(lái)提高水工混凝土在高寒、氣候干燥等惡劣環(huán)境條件下的使用周期[2]。通過(guò)表層防護(hù)和內(nèi)部封堵處理技術(shù)延長(zhǎng)水工混凝土的使用周期，其主要原理在于：表層密實(shí)度提高后可隔斷外界物質(zhì)對(duì)混凝土表層的侵蝕影響，通過(guò)對(duì)混凝土表層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行合理修補(bǔ)防護(hù)的工程措施可以有效提高混凝土表層結(jié)構(gòu)性能，從而降低混凝土受外界惡劣環(huán)境影響程度[3]。一些研究成果表明混凝土表層密實(shí)度提高后可有效降低外部濕氣、鹽堿腐蝕離子等有害物質(zhì)對(duì)其性能結(jié)構(gòu)的影響，尤其對(duì)于新建混凝土結(jié)構(gòu)可以有效減少其內(nèi)部孔隙物質(zhì)的遷移從而提高耐久性[4]。近些年來(lái)，針對(duì)長(zhǎng)距離引調(diào)水工程環(huán)境特點(diǎn)的水工混凝土表面修補(bǔ)材料性能對(duì)比試驗(yàn)取得一定研究成果[5- 14]，但是這些研究成果大都針對(duì)單一修補(bǔ)材料進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)多個(gè)材料進(jìn)行性能對(duì)比的研究成果還較少，尤其是對(duì)北方地區(qū)水利工程點(diǎn)研究還較少，為此本文依照選用新型研發(fā)產(chǎn)品、引進(jìn)其他行業(yè)使用廣泛且效果良好的材料和目前水利行業(yè)應(yīng)用較為成熟的材料這3個(gè)方面的思路，篩選了1種界面劑和5種表面修補(bǔ)防護(hù)材料進(jìn)行性能對(duì)比，確定了水工混凝土主要缺陷的修補(bǔ)防護(hù)材料優(yōu)選順序。研究成果對(duì)于北方地區(qū)水工混凝土修補(bǔ)材料選取具有重要參考價(jià)值。

1 表層修補(bǔ)材料選擇原則

水工混凝土病害缺陷修補(bǔ)防護(hù)材料選取原則主要為：①修補(bǔ)材料必須是基本不收縮或不引起黏結(jié)強(qiáng)度下降的收縮；②當(dāng)采用混合后體積膨脹的混凝土修補(bǔ)老的裂縫混凝土?xí)r，要選擇完全能夠限制膨脹過(guò)多的材料即要事先確定膨脹反應(yīng)何時(shí)發(fā)生，并在其膨脹發(fā)生前修補(bǔ)完畢；③修補(bǔ)大體積或大面積裂縫混凝土?xí)r，熱膨脹系數(shù)在新老混凝土之間相類似；④當(dāng)采用高彈模材料修補(bǔ)時(shí)，被修補(bǔ)材料也應(yīng)是高彈模材料，否則，在荷載平行于黏結(jié)面時(shí)，低彈模材料的變形將導(dǎo)致荷載轉(zhuǎn)移到高彈模一側(cè)使其破裂；⑤液體和蒸汽能夠被材料滲透的程度表示為滲透性，一般而言液體不會(huì)從質(zhì)量好的混凝土進(jìn)行滲透，而蒸汽可以從混凝土內(nèi)部孔隙進(jìn)行滲透，滲透能力較弱的材料用于混凝土表層結(jié)構(gòu)防護(hù)時(shí)會(huì)存留在混凝土頂層和表層之間的黏結(jié)面，或者不同材料之間的薄弱面，造成對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)性能的破壞；⑥對(duì)由鋼筋銹蝕引起的損害而要求修補(bǔ)的材料也要避免使用非滲透性的材料，影響銹蝕率的一個(gè)因素是混凝土導(dǎo)電的能力，這和混凝土的滲透性有直接的關(guān)系，所有混凝土，除非是在爐中干燥的，都有一定的導(dǎo)電性，由于該混凝土一部分被沒(méi)有導(dǎo)電能力的修補(bǔ)材料所代替，通過(guò)混凝土的電流將集中在較小的斷面上，因此加速了腐蝕過(guò)程；⑦在選擇裂縫內(nèi)部封堵材料時(shí)，應(yīng)以先水泥漿(即顆粒漿)后化學(xué)漿(真調(diào)液漿)作為選擇次序。

2 表層代表性修補(bǔ)材料選擇

依照選用新型研發(fā)產(chǎn)品、引進(jìn)其他行業(yè)使用廣泛且效果良好的材料和目前水利行業(yè)應(yīng)用較為成熟的材料這3個(gè)方面的思路，篩選了1種界面劑和5種表面修補(bǔ)防護(hù)材料進(jìn)行性能對(duì)比。具體如下。

(1)界面劑。該界面劑是以環(huán)氧樹(shù)脂為基本原料，加入一定數(shù)量的化學(xué)助劑和填料，經(jīng)過(guò)科學(xué)配制而成，可以作為其他表面防護(hù)材料的界面粘結(jié)劑。該界面劑首次被引進(jìn)到遼寧地區(qū)水利水電樞紐工程上應(yīng)用。

(2)硅烷浸漬劑。硅烷浸漬劑為小分子結(jié)構(gòu)，可滲透到混凝土內(nèi)部與暴露在酸性或堿性環(huán)境中的空氣及混凝土內(nèi)部水分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成憎水保護(hù)層，從而抑制水分進(jìn)入到基層中。硅烷浸漬技術(shù)首先在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家得到了成功的實(shí)踐應(yīng)用，但多數(shù)是應(yīng)用于道橋、碼頭、機(jī)場(chǎng)等混凝土結(jié)構(gòu)的防水防腐工程中，水利水電樞紐工程的混凝土結(jié)構(gòu)并未引進(jìn)使用。我國(guó)在2000年后相繼將硅烷浸漬處理技術(shù)納入海港工程、公路混凝土工程、鐵路混凝土工程的防腐規(guī)范中，近些年，硅烷浸漬技術(shù)被引進(jìn)到了水利水電樞紐工程中，作為防水、防氯離子侵蝕和防止凍融破壞的措施。

(3)甲基丙烯酸甲酯防水涂料。該防水涂料是由甲基丙烯酸甲酯和引發(fā)劑、增塑劑等合成的高分子聚合物，黏度小且可以通過(guò)聚合度的控制進(jìn)行調(diào)整，適宜于細(xì)裂紋的修復(fù)與修補(bǔ)。該材料多應(yīng)用于民用建筑、路橋等工程的細(xì)裂縫修補(bǔ)和防水工程中，在水利水電工程中的應(yīng)用較少。

(4)彈性涂料。環(huán)氧基團(tuán)為彈性涂料主要材料，黏接性能良好，且具有較高的抗沖磨及抗老化性能。

(5)慢固化脂肪族聚脲類涂料。通過(guò)改變活性基團(tuán)的反應(yīng)活性慢固化脂肪族聚脲類涂料可以提高操作涂料的時(shí)間，高彈性、耐低溫、抗紫外線等特點(diǎn)使得慢固化脂肪族聚脲類涂料的黏結(jié)效果更強(qiáng)，混凝土保護(hù)涂層使用該材料后其抗凍、抗紫外、抗沖磨效果得到顯著增強(qiáng)。

(6)手刮聚脲。手刮聚脲由含多異氰酸酯的高分子預(yù)聚體(簡(jiǎn)稱A組份)與經(jīng)封端的多元胺(簡(jiǎn)稱B組份)混合，并加入其他功能性助劑所組成。被視為一種新型無(wú)溶劑、無(wú)污染的綠色涂料，其優(yōu)異的防水、防腐、防沖磨的物理力學(xué)性能及適用性在全國(guó)各類水利水電工程的大壩、電站、水閘、隧洞、溢洪道等水工混凝土建筑物中得到廣泛的應(yīng)用。

3 表面修補(bǔ)防護(hù)材料性能綜合分析

針對(duì)篩選出的5種代表性表面修補(bǔ)防護(hù)材料，從耐老化性、抗凍性等7個(gè)方面對(duì)其性能特點(diǎn)，以遼寧某水利工程為試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，從而提出不同材料的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 耐老化性對(duì)比試驗(yàn)

分別采用3種試驗(yàn)方法結(jié)合彈性涂料、慢固化脂肪族聚脲類涂料和手刮聚脲的特點(diǎn)及試驗(yàn)條件進(jìn)行耐久性試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)耐久性試驗(yàn)分析，水工混凝土表面在高溫酷熱天氣進(jìn)行修補(bǔ)防護(hù)時(shí)，慢固化脂肪族聚脲類涂料要盡量不在烈日爆曬下使用，或者提前到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)確定修復(fù)材料是否可以滿足修補(bǔ)要求。

3.2 抗凍性能對(duì)比試驗(yàn)

寒區(qū)季節(jié)溫差和晝夜溫差大，臨水或潮濕的混凝土結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生凍融破壞。根據(jù)彈性涂料、慢固化脂肪族聚脲類涂料等材料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，從而有針對(duì)性選用抗凍性能較高的修補(bǔ)材料。各類材料凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 彈性涂料、慢固化脂肪族聚脲類涂料和手刮聚脲耐久性能對(duì)照表

表2 不同修補(bǔ)材料的凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

混凝土抗凍性能最為明顯的為硅烷浸漬劑，對(duì)于混凝土抗凍具有較好的保護(hù)作用。其他材料可形成一定厚度涂層在混凝土表面，可用于表面裂縫的封堵，也可以形成密實(shí)度較高的保護(hù)涂層來(lái)提高抗沖磨性能?；炷粱婧吐袒咀寰垭孱愅苛显趦鋈谘h(huán)破壞過(guò)程中可形成相對(duì)較高的黏結(jié)強(qiáng)度。性能相對(duì)優(yōu)異的材料可在裂縫、沖磨、空蝕等病害缺陷集中的區(qū)域采用，其他材料可用于其他部位的修補(bǔ)，從而進(jìn)行修補(bǔ)方式的組合應(yīng)用。

3.3 抗沖磨性能對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)遼寧地區(qū)某水利工程實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)了4種表面修補(bǔ)防護(hù)材料的抗沖磨性能，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 4種試驗(yàn)材料的抗沖磨性能對(duì)照

由表3可知，4種材料中，手刮聚脲材料的抗沖磨性最好，防水涂料的抗沖磨性良好的為彈性涂料和甲基丙烯酸甲酯，尚未見(jiàn)到這2種材料在極高速水流沖刷的區(qū)域使用的實(shí)例，彈性涂料作為水閘溢流面的表面防護(hù)涂層在遼寧地區(qū)水利工程中曾使用過(guò)，應(yīng)用部位的水流速度為2m/s。

3.4 表面密封性能對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)和工程實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)了5種修補(bǔ)防護(hù)材料的表面密封性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 修補(bǔ)材料的封閉效果對(duì)比

由表4可知，5種材料的封閉性均較好，其中，手刮聚脲、彈性涂料、甲基丙烯酸甲酯防水涂料均具有極佳的封閉作用，適用于表面防護(hù)。硅烷浸漬劑作用機(jī)理為滲透性結(jié)晶封閉，具有單向透氣性；致密涂層封閉效果在涂覆慢固化脂肪族聚脲類后也可形成，但材料狀態(tài)在溫度發(fā)生變化時(shí)容易發(fā)黏，流淌性能在高溫時(shí)恢復(fù)。

3.5 施工操作性對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)和工程實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)比，彈性涂料、甲基丙烯酸甲酯防水涂料和甲基丙烯酸甲酯防水涂料都屬于雙組份材料，按規(guī)定進(jìn)行均勻混合。因此要根據(jù)修補(bǔ)面積大小對(duì)此類雙組分材料進(jìn)行用量控制。施工中單組份的手刮聚不需要現(xiàn)場(chǎng)配比，可有效減少現(xiàn)場(chǎng)人工配比產(chǎn)生的修補(bǔ)材料質(zhì)量問(wèn)題，專門(mén)的施工設(shè)備無(wú)需在涂刮過(guò)程中使用，涂層的均勻性可通過(guò)分層涂刮施工來(lái)實(shí)現(xiàn)，有效保證施工質(zhì)量。單組份膏體狀的硅烷浸漬劑材料的施工方法可以為刷涂、滾涂等，垂直立面和天花板面施工尤其適用，流失損失較低，且不改變?cè)薪ㄖ锿庥^。

4 水工混凝土內(nèi)部封堵材料性能對(duì)比

本文在水工混凝土表層防護(hù)材料分析的基礎(chǔ)上，還篩選出實(shí)際水利工程中常用的、具有良好的施工性能的親水性、親油性、環(huán)氧類、水玻璃等6種主要內(nèi)部封堵材料，從關(guān)鍵性能、環(huán)保性、耐久性、適用性等4個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)了這些材料的共性與區(qū)別，結(jié)果見(jiàn)表5。

從對(duì)比結(jié)果可看出，于大規(guī)?；瘜W(xué)灌漿止水工程較適用采用親水性和親油性的聚氨酯類灌漿材料，裂縫開(kāi)度變化較大不適用脆性較大的環(huán)氧類材料，而水玻璃材料耐久性不足。

5 修補(bǔ)防護(hù)材料綜合優(yōu)選

綜上，通過(guò)對(duì)5種表面修補(bǔ)防護(hù)材料以及7種內(nèi)部處理材料性能對(duì)比，確定長(zhǎng)距離引調(diào)水混凝土主要缺陷的修補(bǔ)防護(hù)材料優(yōu)選順序，見(jiàn)表6。

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程，水工混凝土表層若出現(xiàn)≥0.2mm的裂縫，首選手刮聚脲進(jìn)行表面修補(bǔ)防護(hù)，其次可選用彈性涂料，選用水性聚氨酯灌漿材料作為此類缺陷的內(nèi)部處理材料。對(duì)于裂縫<0.2mm的缺陷類型，其表面修補(bǔ)防護(hù)材料優(yōu)選順序分別為硅烷浸漬劑、手刮聚脲、甲基丙烯酸甲酯防水涂料，環(huán)氧類灌漿料、水性聚氨酯灌漿材料可作為此類缺陷類型的內(nèi)部處理材料。對(duì)于伸縮縫及滲漏缺陷類型，其表面修補(bǔ)防護(hù)材料優(yōu)選順序?yàn)槭止尉垭濉椥酝苛?，選用水性聚氨酯灌漿材料作為伸縮縫缺陷類型的水工混凝土內(nèi)部處理材料。對(duì)于滲漏缺陷類型，其內(nèi)部處理材料可優(yōu)先選用疏水性單液型PU發(fā)泡堵漏劑。對(duì)于剝蝕缺陷類型，其表面修補(bǔ)防護(hù)材料優(yōu)選順序分別為手刮聚脲、甲基丙烯酸甲酯防水涂料，其內(nèi)部處理材料優(yōu)選順序分別為環(huán)氧灌漿材料、水玻璃。對(duì)于碳化缺陷類型，其表面修補(bǔ)防護(hù)材料優(yōu)選順序分別為硅烷浸漬劑、手刮聚脲、彈性涂料。

表5 7種內(nèi)部封堵材料的性能對(duì)比

表6 水工混凝土主要缺陷的修補(bǔ)防護(hù)材料優(yōu)選

6 結(jié)論

(1)硅烷浸漬劑施工方便靈活，特別適用于垂直立面和天花板面的水工混凝土表層防護(hù)施工，由于不流淌，可有效減少流失損失，且不改變建筑物原有外觀狀態(tài)，可作為水工混凝土表面裂縫<0.2mm及碳化缺陷類型的首選修補(bǔ)材料。

(2)手刮聚脲、彈性涂料、甲基丙烯酸甲酯防水涂料均具有極佳的封閉作用，適用于表面防護(hù)。慢固化脂肪族聚脲類涂料施工后也能形成致密涂層封閉效果，但材料在溫度變化時(shí)較容易發(fā)黏。

(3)本文對(duì)各類修復(fù)材料的環(huán)保性能還未行分析，有所不足，尤其對(duì)于飲水工程而言，其環(huán)保性能的適用性還需要進(jìn)行深入探討。