丙乳砂浆的水工特性试验研究与工程应用.doc

丙乳砂浆的水工特性试验研究与工程应用刘卫东1, 赵治广2，杨文东2（1.山东省水利科学研究院；2.山东大学 土建与水利学院）摘要：本文根据水工混凝土建筑物的运行条件，对丙乳砂浆材料进行了水工特性试验，分析了其具备良好的抗冻融、抗冲刷和抗渗透性能的细观机理，介绍了喷射丙乳砂浆技术在实际防护修补工程中的应用情况.试验研究和工程实践表明：丙乳砂浆材料具有优良的抗冻融、抗冲刷、抗渗透性能.关键词：丙乳砂浆；冻融；冲刷；渗透；喷射砂浆技术作者简介：刘卫东(1961-)，男，山东济南人，高级工程师，工学硕士，从事新型复合建材和建筑物检测加固与防护的研究。水工混凝土建筑物随着其使用年限的增长，老化病害现象已经非常严重，如何更好地解决这一问题，延长现有混凝土建筑物的使用寿命，使其在节省投资的前提下出色地发挥工程效益，成为目前水利科技上作者比较重视的课题.在水工混凝土建筑物防护修补工程中，选用力学性能优且具有良好水工特性的修补材料，是保证混凝土建筑物正常运行的关键，丙乳砂浆因具有与老混凝土较高的粘接强度，以及较低的弹性模量，而被应用在老混凝土建筑物的修补工程中，然而针对我国北方地区水工混凝土建筑物常见的病害缺陷，笔者着重对丙乳砂浆材料的抗冻融、抗冲刷、抗渗透等水工特性进行了系统试验，阐述了其具备优良水工特性的细观机理，并结合工程实例介绍了喷射丙乳砂浆技术的应用情况，为该项技术今后在水工混凝土建筑物防护修补工程中推广应用，提供了可借鉴的试验数据和参考资料.1 水工特性试验表1 丙乳砂浆配合比砂浆种类聚灰比(%)水灰比(%)灰砂比丙乳/kg水泥/kg空白砂浆0501101丙乳砂浆14.434.4110.311.1原材料和配合比 丙乳砂浆是丙烯酸脂共聚乳液水泥砂浆的简称，属于高分子聚合物乳液改性水泥砂浆.本试验中水泥采用525#普通硅酸盐水泥，砂子为粒径小于2.5mm的标准石英砂，聚合物丙乳的固含量为48%，砂浆用水总量应考虑丙乳中的含水量，养护采用7d潮湿、21d干燥，其配合比如表1所示.1.2冻融循环试验 本试验按GBJ82-85国际执行，采用大试件快冻试验法，成型l00mm100mm400mm的棱柱体试件，以3个试件为1组.试验设备：DR-I冻融试验机，DT-4W自动扫频数字动弹仪.试件冻融试验前在水中浸泡，冻融过程中均处于饱和水状态，其中温度分别控制在-172和82间，每次冻融循环在24h内完成，冻、融之间的转换时间不超过10min，用于融化的时间不少于整个冻融时间的1/4.冻融试验结果见表2.由此可见，丙乳砂浆试件冻融300次后，其动弹模仍未下降至60%，且高达88.3%，说明丙乳砂浆的抗冻融破坏能力很强.表2 丙乳砂浆冻融试验结果冻融次数050150175200225250275300相对动弹模量(%)10089.589.389.389.388.988.688.688.3利用冻融试件进行丙乳砂浆的力学性能测试，进一步分析研究该材料冻融前后动弹模与强度之间的变化关系.抗弯强度测试用冻融试件进行三等分弯曲试验，抗压强度测试用抗弯折断后的试件进行试验，其试验结果见表3.由表3可见：丙乳砂浆试件冻融循环300次后，其抗压强度降低了20.63%，抗弯强度降低了11.56%，这与表2中动弹模的降低11.7%非常接近，尤其是抗弯强度的降低程度.这表明：丙乳砂浆试件在冻融过程中，其强度降低与动弹模降低有很好的相关性，用相对动弹模作为评估丙乳砂浆冻融后强度变化的指标是合理的.表3 丙乳砂浆冻融300次前后强度测试强度试件尺寸/cm冻融前冻融后强度降低(%)抗压/Mpa10101039.431.2720.63抗弯/MPa1010407.186.3511.561.3 冲刷磨损试验 丙乳砂浆的抗含砂水流冲刷试验，按水工混凝土试验规程SD10582执行，冲磨仪叶轮转速14.3m/s，磨损剂为0.50.85mm的标准石英砂与水的混合物，每次加入量为砂150g，水1000ml，冲磨30min后称重.试件制作：在外径322mm，内径202mm，高60mm的标准试件内侧上，均匀喷射丙乳砂浆5mm厚，试件受磨面积0.038m2.冲刷试验结果见表4.由此可见，丙乳砂浆的抗冲刷性能良好.表4 丙乳砂浆冲刷试验结果试验材料抗冲磨强度/(h/kg/m2)磨损率/(kg/hm2)抗压强度/MPa空白砂浆1142.3丙乳砂浆2.850.3542.61.4 渗透性试验 丙乳砂浆的抗渗试验，按砂浆、混凝土防水剂JC4741999标准执行.试验设备为SS15型砂浆渗透试验仪，抗渗透试件的制备参照GB2419确定基准砂浆和受检砂浆的用水量，两者保持相同的流动度，并以基准砂浆在0.30.4MPa压力下透水为准，确定水灰比.用上口直径70mm，下口直径80mm，高30mm的截头圆锥带底金属试模成型基准和受检试件，每组制备6个试件，经过成型、脱模后，放入（202）的水中养护至7d，取出待表面干燥后，密封装入渗透仪中进行透水试验.水压从0.2MPa开始，恒压2h，增至0.3MPa，以后每隔1h增加水压0.1MPa.当6个试件中有3个试件端面呈现渗水现象时，即可停止试验，记下当时水压.若加压至1.5MPa，恒压1h还未透水，应停止升压.砂浆透水压力为每组6个试件中4个未出现渗水时的最大水压力.试验结果表明：在水灰比和流动度相同的情况下，不掺丙乳的砂浆试件透水压力为0.35MPa，掺丙乳的砂浆试件，其水压加至1.5MPa，恒压12h仍未出现渗水现象.可见丙乳砂浆的透水压力在1.5MPa以上，这表明丙乳砂浆具有很高的抗渗透性能.2 细观机理分析在丙乳砂浆中随着水泥水化的进行，以及多余的水被老混凝土的吸收和游离蒸发，聚合物乳液中的水分大部分逐渐失去，聚合物颗粒相互靠近，最终相互连接，在水泥水化物周围和集料表面形成聚合物膜，使水泥水化产物之间以及水化物和集料之间的结合力增强，同时聚合物颗粒对砂浆孔隙的填充作用，提高了砂浆的密实度，从而改善了丙乳砂浆的各项性能.丙乳砂浆抵抗冻融破坏的主要原因是，由于形成聚合物膜后使砂浆抗渗性提高，降低了水的扩散性；另外，丙乳乳液所引起的滚珠润滑和所含表面活性剂的分散作用，使丙乳砂浆用水量大大减少，且大孔洞被聚合物填充，毛细通道被聚合物膜封闭，使孔隙率降低，因而丙乳砂浆抗冻性得到明显改善1.从表2中丙乳砂浆动弹模的变化可以看出：动弹模的降低只在前50次冻融循环中最为明显，而后面250次的冻融循环中动弹模的降低是平缓的，且降低的最大幅度为1.2%，这表明：丙乳砂浆中的聚合物膜阻止冰扩展的能力是一定的，减少冰对砂浆的损伤也是一定的，这种阻冰作用的大小与砂浆中所形成聚合物膜的多少有关，反映了丙乳砂浆动弹模的降低程度.聚合物膜处于水泥水化物之间或水泥水化物与骨料之间，由于聚合物独特的粘结性，使聚合物与水泥水化物及骨料粘结成包裹状的坚硬固体，水泥石更加坚硬致密，因此丙乳砂浆在高速含砂水流连续作用于其表面时，组成复合材料的分子结合力不小于磨损作用力，所以不会出现大部分表面分子脱离母体被流水冲走现象，故丙乳砂浆具有良好的抗冲磨性能.从表4的试验结果可以看出，丙乳砂浆的抗磨损强度比普通砂浆提高23倍，表明了丙乳砂浆抵抗冲刷磨损破坏的能力.丙乳砂浆中的聚合物膜弹性模量较低，它使水泥浆体内部的应力状态得到改善，可以承受变形而使水泥石应力减小，产生裂缝的可能性也减小，同时聚合物纤维越过微裂缝，起到桥架作用，缝间都有聚合物纤维相连，所形成的均质聚合物膜框架，作为填充物跨过已硬化的微裂缝，这样，限制了砂浆微裂缝的扩展，微裂缝常在聚合物膜较多处消失，显示出聚合物的抗裂作用2;另外，聚合物的减水作用，使砂浆的水灰比减小，聚合物膜即填充了水泥浆体的孔隙，又切断了孔隙与外界的通道，起到了密封的作用，这就极大地减少了水的渗透.因此，丙乳砂浆的抗渗透能力得到了有效地改善与提高.3 工程应用山东省南四湖二级坝节制闸建于1958年，经过近40年的运行，工程老化现象严重，经检测混凝土表面碳化深度在1025mm之间，尤其在闸墩水位变化区，冻融剥蚀现象严重，最大剥蚀深度达35mm，属于典型的水工混凝土建筑物老化工程.为防止该节制闸混凝土进一步碳化，以及混凝土闸墩水位变化区的冻融破坏，决定采用喷射丙乳砂浆技术，对其混凝土结构表面进行密封防护处理，共完成老化混凝土表面防护施工面积达13200m2.由于丙乳在砂浆中具有减水效应，使得丙乳砂浆的和易性和流动性非常好，这给采用喷射工艺施工带来了极大的方便，喷射丙乳砂浆是在高速气体喷射中，由水泥浆体和骨料反复连续撞击而使丙乳砂浆更加密实，其粘结强度、抗冻融和抗渗透性能比实验结果更加优良.目前，该工程经过四年的运行，未发现混凝土结构继续碳化、冻融剥蚀及渗漏现象，发挥了很好地工程效益.工程实践证明：喷射丙乳砂浆技术作为防止水工混凝土建筑物冻融和碳化剥蚀破坏的措施，是目前较成功的修补防护材料和行之有效的施工技术，该项技术具有施工方便、工期短的特点，有利于在水工硅建筑物老化工程修补中推广应用.4 结束语针对水工混凝土建筑物老化工程的运行工况，对现有修补防护材料进行各种水工特性试验研究，使其能够更好地适应各种老化混凝土建筑物的防护修补工程，对于进一步开发、推广应用新型修补及防护材料具有十分重要的意义.丙乳砂浆作为防护