輸水隧洞混凝土表面噴涂丙乳凈漿性能及其應(yīng)用研究

崔德浩,唐建輝,張 偉,田嘉麟,白 銀

(1.深圳市東江水源工程管理處,廣東 深圳 518036;2.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所, 江蘇 南京 210029)

長距離輸水工程對于緩解城市用水壓力起到了十分重要的作用,如南水北調(diào)工程、東江水源工程等[1-2]。這類輸水工程通常包含渠道、管道、隧洞等多種混凝土建筑物。但在長期高速水流沖刷下,這些混凝土建筑物表面出現(xiàn)了不同程度的剝落、磨損等病害問題[3-4]。如不進行及時修補,會進一步加劇混凝土結(jié)構(gòu)破壞,影響建筑物的正常運行,降低服役時間。

表面修復(fù)材料是一種快速提高既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的有效措施,從化學(xué)成分上看修復(fù)材料可分為無機修復(fù)材料(地聚合物、水泥基滲透結(jié)晶等)、有機修復(fù)材料(環(huán)氧樹脂、聚脲、丙烯酸樹脂等)和有機-無機類修復(fù)材料(環(huán)氧膠泥、聚合物改性水泥等)[5-6]。無機修復(fù)材料具有黏結(jié)強度高、性能穩(wěn)定、環(huán)保、施工方便且成本低的優(yōu)勢;有機修復(fù)材料通過自身成膜的性質(zhì)在混凝土表面形成致密的防護層,但成本較高且存在長期老化問題;有機-無機修復(fù)材料可結(jié)合兩者的優(yōu)勢,滿足不同的工程防護需求,其中聚合物水泥類材料以其優(yōu)異的黏結(jié)性能、良好的力學(xué)性能等特點被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域[7-8]。聚合物水泥修復(fù)材料是指通過摻入一定比例的聚合物對無機材料進行改性,常見的聚合物乳液包括環(huán)氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸系乳液和聚醋酸乙烯酯共聚物乳液等[9],可根據(jù)需求進行性能設(shè)計與應(yīng)用。如李成[10]將丙乳砂漿應(yīng)用在水利工程混凝土修補補強中;邢小光等[11]發(fā)現(xiàn)苯丙乳液的摻入能夠顯著提高改性砂漿的抗折強度;朱建輝等[12]以聚合物改性超細(xì)水泥灌漿材料,制得了具有良好可灌性的修補材料。在實際應(yīng)用中,根據(jù)建筑物表面混凝土缺陷的深度不同、使用的環(huán)境不同、所應(yīng)具備的功能結(jié)構(gòu)不同等應(yīng)匹配其各自相適應(yīng)的修補方法,如刮涂、噴涂、輥涂等[13-15]。就長距離輸水隧洞而言,一方面隧洞襯砌混凝土因水流沖刷而呈現(xiàn)大面積的表面剝蝕,另一方面因停水檢修期短而需要采用具有快速施工特性的修復(fù)材料。綜合來看,易采取噴涂聚合物水泥凈漿的方式進行修復(fù)。然而,現(xiàn)有的研究集中在聚合物改性水泥后的強度、抗?jié)B性及耐久性方面[6,16],缺乏對噴涂聚合物水泥凈漿的性能研究。事實上,若要采用噴涂方式施工,首先要保證材料具有良好的流動性,其次是合理的噴涂時間間隔(可操作時間)。因為聚合物的成膜特性,噴涂時間間隔太久會影響后續(xù)噴涂材料的黏附效果。

基于此,本文以丙烯酸酯共聚乳液改性水泥(丙乳凈漿)為研究對象,通過對其工作(流動度和可操作時間)和力學(xué)性能(抗拉、抗壓和抗折強度)的研究,提出用于輸水隧洞混凝土表面防護噴涂施工的性能要求,并在東江水源工程中進行應(yīng)用,研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

丙乳凈漿由聚合物-丙烯酸酯共聚乳液(丙乳)和P·O 42.5海螺水泥組成,其中采用的丙乳型號為NYS丙烯酸酯共聚乳液,外觀呈現(xiàn)乳白微藍(lán)乳液狀,固含量為(40±1)%,pH為2.0～4.0。

影響丙乳凈漿性能的主要因素為聚灰比P/C(丙乳與水泥的質(zhì)量比)和乳液濃度W(丙乳占丙乳和水的質(zhì)量比),因此試驗設(shè)計了2組試驗,一組固定乳液濃度為100%,聚灰比分別為1.0∶1.5、1∶2、1.0∶2.5和1∶3;另一組固定聚灰比1.0∶2.5,乳液濃度分別為100%、90%、70%、50%、30%、10%、0%。

1.2 試驗方法

丙乳凈漿的力學(xué)性能包括抗壓、抗折和抗拉強度,依據(jù)DL/T 5126—2021《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》的相關(guān)要求,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體模具,制作用于抗折和抗壓強度測試的試件,采用“8”字型砂漿試模測試抗拉強度。丙乳凈漿的工作性能包括流動度和可操作時間,流動度依據(jù)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》截錐圓模法進行?？刹僮鲿r間是在丙乳凈漿配置后至規(guī)定條件下能維持施工性能的時間,這里采用膠結(jié)強度法進行測試,該試驗先在“8”字型試模中澆筑一半丙乳凈漿,然后分別在0.5、1、2、4、8、24、48 h之后澆筑另一半丙乳凈漿。試驗測試見圖1,力學(xué)性能和可操作時間的測試均在試樣養(yǎng)護3、7、14、28 d之后進行。

a)抗折

抗拉

流動度

2 試驗結(jié)果

2.1 流動度

圖2為不同聚灰比和乳液濃度對丙乳凈漿流動度的影響,圖2a中可以看到丙乳凈漿流動度隨著聚灰比的減小而減小。這是因為隨著水泥摻量的增加,丙乳凈漿變得越來越濃稠,黏度逐漸變大,流動性因此減小。圖2b可以看出,隨著乳液濃度的增加,丙乳凈漿的流動度呈現(xiàn)先增大后減小的特征,其中在乳液濃度達(dá)到70%時丙乳凈漿的流動度達(dá)到最高,為23.45 cm。而當(dāng)乳液濃度為0%,也即是無丙乳的水泥凈漿,流動度為最低,僅有10.7 cm。這表明丙乳的加入可以改善水泥凈漿的流動性,并且乳液濃度在50%～70%改善效果較佳,這是因為丙乳是小粒徑的單體共聚乳液,它的加入起到了一定的潤滑作用。

a)聚灰比

2.2 力學(xué)性能

2.2.1抗拉強度

圖3為不同聚灰比和乳液濃度對丙乳凈漿抗拉強度的影響,圖3a中可以看到隨著聚灰比的減小,相同齡期下的丙乳凈漿抗拉強度逐漸增大,這主要是因為丙乳凈漿強度主要取決于水泥強度發(fā)展,水泥相對含量越多,水化產(chǎn)物越多,抗拉強度也就越大。在圖3b中,總體上隨著乳液濃度的增加,各齡期的抗拉強度也隨之升高,表明丙乳的加入提高了水泥凈漿的抗拉性能。

a)聚灰比

a)聚灰比

a)聚灰比

2.2.2抗壓和抗折強度

圖4a為不同聚灰比的丙乳凈漿抗壓強度,抗壓強度隨著聚灰比的減小而增大,規(guī)律和抗拉強度一致。在圖4b的不同乳液濃度下,總體上抗壓強度隨乳液濃度的降低而增大,這在后期(14 d以后)特征更加明顯。此外,還觀察到在乳液濃度高于50%時,抗壓強度變化較為平緩,也就是說在該乳液濃度范圍內(nèi)不會對抗壓強度產(chǎn)生大的影響。對于圖5的抗折強度而言,聚灰比對抗折強度的影響規(guī)律與抗壓強度一致,而乳液濃度與抗折強度的關(guān)系卻與抗壓強度相反。隨著乳液濃度的增加,丙乳凈漿的抗折強度升高,并且這種特征在后期更加明顯。

2.2.3壓拉強度比

衡量材料脆性的另一個重要方面是抗壓強度和抗拉強度的比值,比值更小則脆性更低。為此,繪制了丙乳凈漿在不同齡期的壓拉強度比(圖6)。在圖6a中不同聚灰比下,壓拉強度比隨著聚灰比的減小而增大,這表明水泥摻量的增多使得丙乳凈漿的脆性增加,降低了韌性。對于不同的乳液濃度(圖6b),隨著乳液濃度的降低,丙乳凈漿的壓拉強度比表現(xiàn)出先平穩(wěn)(濃度從50%～100%)后快速上升(0%～50%)的特征。以28 d的曲線為例,乳液濃度在0%、50%和100%時的壓拉強度比分別為15.98、5.48和5.07。濃度從100%下降到50%時,壓拉強度比增幅明顯很小,而從50%下降到0%時,壓拉強度比增加了2.92倍。這個特征說明丙乳的添加有效增強了水泥漿體的韌性,但過高的乳液濃度對韌性的提升效果降低。

a)聚灰比

2.3 可操作時間

為獲得丙乳凈漿合適的施工操作時間,在不同時間間隔下丙乳凈漿層間黏結(jié)強度隨齡期的變化見圖7,總體上可以看出層間黏結(jié)強度隨著澆筑時間間隔的延長而降低。在0.5～1.0 h內(nèi),黏結(jié)強度有顯著的下降;在1～4 h內(nèi),黏結(jié)強度曲線較為平穩(wěn);從4～48 h內(nèi),黏結(jié)強度不斷降低。這表明施工時間間隔對丙乳凈漿的層間黏結(jié)強度具有顯著的影響,這與丙乳乳液失水形成的膜結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。在早期乳膠粒子逐漸聚合形成貫穿水泥漿體間的薄膜,后澆筑的丙乳凈漿因為薄膜的存在而在層間形成微缺陷。澆筑間隔時間越長,聚合物薄膜形成越充分,層間的微缺陷越多,導(dǎo)致宏觀黏結(jié)強度的下降。因此,考慮最終的修復(fù)質(zhì)量,建議丙乳凈漿的層間施工間隔應(yīng)小于1 h。

圖7 丙乳凈漿層間黏結(jié)強度隨時間的變化

3 工程應(yīng)用

通過上述研究,聚灰比、乳液濃度和施工時間對丙乳凈漿的工作和力學(xué)性能影響顯著。若采用噴涂的施工工藝,丙乳凈漿的流動度不低于20 cm,因此選擇聚灰比為1.0∶2.5的配比。乳液濃度低于50%時丙乳凈漿的力學(xué)性能有明顯的降低,考慮到經(jīng)濟性,以50%的乳液濃度作為優(yōu)選濃度。因此,優(yōu)選后的丙乳凈漿防護材料的配比為丙乳∶水∶水泥=0.5∶0.5∶2.5,可操作時間為1 h。

依托于深圳市東江水源工程,對丙乳凈漿防護材料進行了現(xiàn)場應(yīng)用,施工過程見圖8。圖8a為原始基層,覆蓋了一層泥漿,需進行清理;圖8b采用高壓水槍清洗輸水隧洞混凝土基面,使得表面無淤泥附著、無松散骨料,露出堅硬牢固的新基面;圖8c制備丙乳凈漿,根據(jù)優(yōu)選的丙乳凈漿配比,采用手持式雙葉輪攪拌機進行攪拌,攪拌時間約3 min,確保水泥顆粒均勻分散在丙乳中,漿液中無團狀水泥塊;圖8d為噴涂丙乳凈漿底層。采用噴涂機進行施工,共噴涂3層,總厚度約1 mm。第一遍從左至右均勻噴涂,噴涂寬幅約2.5～3.0 m,待第一遍噴涂完畢約20 min由上至下噴涂第二遍,第一遍與第二遍噴涂方向呈“十”字型交叉施工,施工間隔不超過1 h;圖8f丙乳凈漿噴涂完成后,自然養(yǎng)護即可。在養(yǎng)護7 d時在表面進行鉆孔,黏貼拉拔頭,進行直接拉拔試驗,測試?yán)螐姸?評估黏附效果。

a)原始基礎(chǔ)

表1給出了輸水隧洞混凝土基體、經(jīng)丙乳凈漿修復(fù)后7 d和通水運行1 a后的拉拔強度,可見原始基體在長期通水后表面平均拉拔強度僅為0.34 MPa,表現(xiàn)出表面砂漿的破壞。噴涂丙乳凈漿7、1 d后與混凝土的平均黏結(jié)強度分別為0.81、3.20 MPa,并且均表現(xiàn)為基體的破壞,表明采用丙乳凈漿進行隧洞表面防護可以增強混凝土基體,并且形成很高的黏結(jié)強度。

表1 拉拔強度統(tǒng)計

4 結(jié)論

a)丙乳凈漿流動度隨著聚灰比的減小而減小,隨著乳液濃度的降低呈現(xiàn)先增大后減小的特征,其中在乳液濃度達(dá)到70%時丙乳凈漿的流動度達(dá)到最高。

b)隨著聚灰比的減小,丙乳凈漿的力學(xué)性能均增大;但隨著乳液濃度的降低,丙乳凈漿抗壓強度強度升高,抗拉和抗折強度降低。通過壓拉強度比發(fā)現(xiàn),乳液濃度的提高可增加丙乳凈漿的韌性。

c)丙乳凈漿層間黏結(jié)強度隨著澆筑時間間隔的延長而降低,建議施工間隔不超過1 h。綜合考慮下,最佳的丙乳凈漿防護材料的配比為丙乳∶水∶水泥=0.5∶0.5∶2.5。

d)實際工程應(yīng)用表明,采用丙乳凈漿進行隧洞表面防護可以增強混凝土基體,并且形成很高的黏結(jié)強度,可為類似混凝土表面防護提供參考。