引水隧洞混凝土裂縫修補(bǔ)后抗侵蝕性分析

夏侯唐鵬，張金海，魏東風(fēng)

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000)

1 概 述

目前，水工隧洞建設(shè)主要采用盾構(gòu)法施工、混凝土管片拼接的方式進(jìn)行。但混凝土管片在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中會(huì)產(chǎn)生裂縫，因而對(duì)裂縫的修復(fù)需要進(jìn)一步的研究，以探究修復(fù)后的材料性能。

修復(fù)材料分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩種[1]，其中有機(jī)材料主要采用環(huán)氧樹脂，可以有效提高修復(fù)性能[2]。許多學(xué)者對(duì)修復(fù)材料進(jìn)行了研究。如王建輝等[3]使用聚氨酯修補(bǔ)混凝土，對(duì)比了修復(fù)體與原混凝土材料的抗壓、抗拉性能，研究結(jié)果表明聚氨酯具有較好的修復(fù)效果。葉嬌鳳[4]使用新的材料配比得到一種力學(xué)性能、化學(xué)性能均較好的有機(jī)混凝土修復(fù)材料，并將該材料運(yùn)用于實(shí)際工程中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該材料力學(xué)性能較好。馮英杰、張澤洲[5]以混凝土黏結(jié)理論為基礎(chǔ)，分析了壓力注漿在混凝土修復(fù)之后，對(duì)混凝土力學(xué)性能影響。李軍等[6]分析了水下混凝土裂縫的修復(fù)，闡述了表面修復(fù)性能、裂縫內(nèi)部修復(fù)的兩種修復(fù)效果，并進(jìn)一步提出水下仿生自愈合混凝土修復(fù)的修復(fù)效果。曹征良等[7]闡述了混凝土材料受硫酸鹽侵蝕過程與破壞機(jī)理，通過試驗(yàn)，研究了浸泡、干濕交替、溶液pH值、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度對(duì)侵蝕過程的影響，進(jìn)一步提出了混凝土材料的修復(fù)。唐春平[8]結(jié)合試驗(yàn)，研究了混凝土表面不同濕態(tài)、養(yǎng)護(hù)條件、基材種類、界面處理4種環(huán)境因素對(duì)磷酸鹽修補(bǔ)材料黏結(jié)強(qiáng)度的影響。

基于已有的研究成果，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，探究不同修復(fù)材料、不同混凝土結(jié)構(gòu)組合體系在不同侵蝕環(huán)境下的抗劣化性能。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中使用的材料主要包括：普通硅酸鹽水泥、粗骨料(粒徑范圍為5.0～20.0 mm的碎石)、細(xì)骨料(細(xì)度模數(shù)為2.30的河沙)、Ⅰ級(jí)抗裂纖維、聚羧酸高效減水劑、Ⅰ級(jí)粉煤灰、自來水。

本研究中使用的修補(bǔ)材料主要為自制研發(fā)的R型修補(bǔ)材料，其力學(xué)性能見表1。并對(duì)比修復(fù)材料采用E-51環(huán)氧樹脂(簡稱E型材料)。

表1 R型修補(bǔ)材料的力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)配比

本研究中，混凝土管片共有3種類型，分別為C50混凝土管片(混凝土材料為C50等級(jí))、PFC50混凝土管片(混凝土材料為C50等級(jí)并摻加聚丙烯纖維)、C60混凝土管片(混凝土材料為C60等級(jí))，不同類型混凝土管片材料配比見表2，不同類型混凝土管片力學(xué)性能見表3。修補(bǔ)材料中，添加固化劑、稀釋劑、流化劑，混合材料中4種材料配比為1∶0.13∶0.1∶0.05，修補(bǔ)材料及混凝土原材料示意圖見圖1。圖1中，混凝土材料為Φ100 mm×50 mm。試驗(yàn)分為兩組，一組采用5%的Na2SO4浸泡，另一組采用未浸泡的試件。

表2 不同類型混凝土管片材料配比 /kg·m-3

表3 不同類型混凝土管片力學(xué)性能

圖1 修復(fù)材料示意圖(單位：mm)

3 結(jié)果與分析

3.1 抗氯侵蝕

混凝土抗氯侵蝕主要是通過NEL型氯離子測試系統(tǒng)，測量用電通量、擴(kuò)散系數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)而確定混凝土的抗氯鹽侵蝕的性能。通過測試，得到不同修復(fù)材料(R型修補(bǔ)材料、E型材料)、不同混凝土(C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片)組合下的用電通量、擴(kuò)散系數(shù)。圖2為用電通量的變化圖，圖3為擴(kuò)散系數(shù)的變化圖。

圖2 用電通量變化圖

圖3 擴(kuò)散系數(shù)變化圖

分析圖2、圖3中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同修復(fù)材料、不同混凝土組合下的體系用電通量、擴(kuò)散系數(shù)有所不同。

對(duì)于使用R型修補(bǔ)材料修補(bǔ)的混凝土，C50混凝土管片的擴(kuò)散系數(shù)相較于原混凝土管片降低7.64%，PFC 50混凝土管片的擴(kuò)散系數(shù)相較于原混凝土管片降低9.35%，C60混凝土管片的擴(kuò)散系數(shù)相較于原混凝土管片降低10.10%。對(duì)于使用E型修補(bǔ)材料修補(bǔ)的混凝土，C50混凝土管片的擴(kuò)散系數(shù)相較于原混凝土管片降低15.62%，PFC 50混凝土管片的擴(kuò)散系數(shù)相較于原混凝土管片降低2.77%，C60混凝土管片的擴(kuò)散系數(shù)相較于原混凝土管片降低8.67%。

對(duì)于使用新型R型材料的修復(fù)混凝土管片，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，修復(fù)后的混凝土抗氯離子滲透性能越好；混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，添加聚丙烯纖維可以有效提高抗氯離子滲透性能。而對(duì)于使用E型材料的修復(fù)混凝土管片，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，修復(fù)后的混凝土抗氯離子滲透性能反而越差；混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，不添加聚丙烯纖維的修復(fù)材料抗氯離子滲透性能較好。

綜合分析，C50混凝土管片使用E型材料修復(fù)后抗氯離子滲透性能較好，PFC50混凝土管片及C60混凝土管片使用R型材料修復(fù)后抗氯離子滲透性能較好。對(duì)于修復(fù)材料對(duì)混凝土管片修復(fù)的微觀機(jī)理，GAO等[9]進(jìn)行了研究，當(dāng)修復(fù)材料與原材料的黏合性能、毛細(xì)孔的封堵作用越好時(shí)，抗氯離子滲透性能越好。本研究中使用的R型修復(fù)材料與原混凝土有較好的黏結(jié)性能，當(dāng)修復(fù)材料貼補(bǔ)于混凝土表面時(shí)，可以形成較為致密的封閉層，進(jìn)而阻止氯離子的通過。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕

將不同修復(fù)材料、不同混凝土組合體系浸泡在硫酸鹽溶液中，測量其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度值，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 硫酸鹽侵蝕后的混凝土管片抗壓強(qiáng)度

圖5 硫酸鹽侵蝕后的混凝土管片抗折強(qiáng)度

分析圖4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于使用R型修復(fù)材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的80.2%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的93.2%，浸泡后的C60混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的88.2%。

對(duì)于使用E型修復(fù)材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的70.2%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的84.4%，浸泡后的C60混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的95.6%。

綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)使用R型修復(fù)材料修復(fù)時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，抗壓強(qiáng)度降低幅度越小，混凝土中摻加聚丙烯纖維可以有效降低混凝土抗壓強(qiáng)度的損失。當(dāng)使用E型修復(fù)材料修復(fù)時(shí)，其變化規(guī)律與使用R型修復(fù)材料類似。綜合對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于試件的抗壓強(qiáng)度，C60混凝土管片使用E型材料修復(fù)后抗硫酸鹽侵蝕性能較好，PFC50混凝土管片及C50混凝土管片使用R型材料修復(fù)后抗硫酸鹽侵蝕性能較好。

分析圖5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于使用R型修復(fù)材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗折強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的68.6%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗折強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的80.8%，浸泡后的C60混凝土管片的抗折強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的83.5%。

對(duì)于使用E型修復(fù)材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗折強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的59.0%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的77.2%，浸泡后的C60混凝土管片的抗壓強(qiáng)度為試驗(yàn)對(duì)照組混凝土管片的59.3%。

綜合分析試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于浸泡在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的混凝土管片，當(dāng)使用R型修復(fù)材料修復(fù)時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，抗折強(qiáng)度降低幅度越小，混凝土中摻加聚丙烯纖維可以有效降低混凝土抗折強(qiáng)度的損失。當(dāng)使用E型修復(fù)材料修復(fù)時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗折強(qiáng)度降低幅度均較大。因而，對(duì)于試件的抗折強(qiáng)度的損失，R型材料修復(fù)后的C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片抗硫酸鹽侵蝕性能均優(yōu)于E型材料。

對(duì)于修補(bǔ)材料，其自身抗氯離子、硫酸鹽性能侵蝕性能越好，與混凝土管片原機(jī)體黏結(jié)性能越好，黏結(jié)后表面越致密光滑，則抵抗氯離子、硫酸鹽侵入混凝土管片內(nèi)部的性能越好。

4 結(jié) 論

本文采用試驗(yàn)研究的方法，探究了不同修復(fù)材料、不同混凝土組合體系的抗氯離子、硫酸鹽性能侵蝕的性能。通過測量用電通量、擴(kuò)散系數(shù)，表征組合體系的抗氯離子滲透性能；通過測量對(duì)比試驗(yàn)試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度值，表征組合體系的抗硫酸鹽滲透性能。結(jié)論如下：

1) C50混凝土管片使用E型材料修復(fù)后，抗氯離子滲透性能較好；PFC50混凝土管片及C60混凝土管片使用R型材料修復(fù)后，抗氯離子滲透性能較好。

2) 對(duì)于試件的抗壓強(qiáng)度，C60混凝土管片使用E型材料修復(fù)后，抗硫酸鹽侵蝕性能較好；PFC50混凝土管片及C50混凝土管片使用R型材料修復(fù)后，抗硫酸鹽侵蝕性能較好。

3) 對(duì)于試件的抗折強(qiáng)度的損失，R型材料修復(fù)后的C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片抗硫酸鹽侵蝕性能均優(yōu)于E型材料。

4) R型修復(fù)材料總體修復(fù)性能較好，加入聚丙烯纖維可以有效提高混凝土管片的抗氯離子、硫酸鹽性能。