Doublex高抗裂高抗渗复合材料在水工构筑物中的应用探讨.doc

DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料在水工构筑物中的应用探讨方永浩1 ，朱 瑾2 （1. 河海大学材料科学与工程学院； 2. 南京派尼尔科技实业有限公司）水泥混凝土是世界上使用量最大的人造建筑材料，每年用量均在50亿m3以上。然而，水泥混凝土普遍存在收缩变形大、脆性大而韧性不足、抗裂能力低的弱点，自从有了水泥混凝土以来，裂缝问题一直是困扰建筑工程界的技术难题。混凝土开裂的结果将导致混凝土抗渗能力降低并影响到混凝土的耐久性。开裂越严重，抗渗性越差，有害物质的侵蚀速度就越快，侵蚀程度就越深，混凝土的耐久性就越差。混凝土的开裂和渗漏对建筑结构的使用功能也会产生影响，并导致建筑物维护成本的提高和使用寿命降低，据统计，由于混凝土的开裂和渗漏造成建筑物的维修投资在发达国家逐年增加，有的已达到甚至超过新建工程的投资。以美国为例，20世纪90年代初期用于老旧建筑物维修的投资，已经占到建设投资总额的50%；在德国则已达到80%。因此，如何提高混凝土的抗裂防渗能力，是摆在工程技术人员面前的一个重要问题。南京派尼尔科技实业有限公司研究开发的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料具有显著提高混凝土抗裂抗渗性能的作用，可广泛应用于公路、市政、水利及工民建等领域。本文简要介绍这种材料的主要性能和施工要求，并对该材料在水工构筑物中的应用进行探讨。1. DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的性能DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料由高效膨胀组分、合成纤维、特种保水组分、改性组分等多种功能材料复合而成。产品可显著提高混凝土的抗裂防渗性能，同时可改善混凝土的保水能力，提高混凝土的养护效率，是一种机理完善、性能卓越的复合材料。在普通混凝土中掺入适量的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，可有效地防止混凝土的开裂，使混凝土的整体结构和防水质量得到根本的提高，从而实现混凝土的结构自防水、超长结构无缝施工和大体积混凝土温差裂缝的控制。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料在混凝土中的主要作用如下：（1）显著提高混凝土的抗裂性能。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料可从物理和化学两方面提高混凝土的抗裂能力，为混凝土提供双重保护。一方面，数量众多的聚丙烯纤维产生微细配筋及网状承托的作用，抑制了混凝土的开裂进程；另一方面，膨胀组分与水泥水化产物发生化学反应并产生适度膨胀，可防止混凝土收缩开裂。掺入胶凝材料重量68%的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，可使混凝土表面塑性裂缝完全消除。（2）显著提高混凝土的抗渗性能。混凝土结构自防水即依靠混凝土本体来实现建筑防水，已被证明为最根本的建筑防水技术。由多种功能材料复合而成的DoublexTM高抗裂、高抗渗同时具备补偿收缩、减水密实、抗裂防水三种防水机理，故比单一机理的产品具有更高的抗渗防水能力，掺入胶凝材料重量68%的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的混凝土抗渗等级可达到P30以上。（3）提高混凝土保水能力，提高混凝土养护效率。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料掺入混凝土中时，特种保水组分可吸收保持大量水分并缓慢释放出来，提供水泥、膨胀剂等水化所需的大量水分，提高混凝土养护效率并保证混凝土质量。掺入胶凝材料重量68%的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的混凝土保水能力可提高30%以上。（4）提高混凝土的弯曲韧性。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料含有数量众多的合成纤维，当它均匀分布于混凝土内部时，可形成三维乱向分布的网状结构，使混凝土在硬化初期形成的微裂纹在发展过程中受到阻挡，难以进一步发展。纤维的加入犹如在混凝土中掺入数量巨大的微细筋，抑制了混凝土开裂的进程，提高了混凝土的断裂韧性，从而达到改善混凝土性能的目的。掺入胶凝材料重量68%的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的混凝土的弯曲韧性可提高340%以上。（5）提高混凝土的抗冲击性能。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料可提高混凝土的抗拉强度，阻止混凝土中原有缺陷(微裂缝)的扩展并延缓新裂缝的出现，提高混凝土的变形能力并改善其韧性与抗冲击性。2. DoublexTM高抗裂、高抗渗混凝土施工工艺DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料主要由高效膨胀剂和聚丙烯纤维组成，掺入DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的混凝土的施工工艺也与双掺膨胀剂与聚丙烯纤维混凝土的基本相同，其要点为：(1) 掺 量DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料在混凝土中的掺量一般为内掺胶凝材料的68%，对于填充后浇带或膨胀加强带的大膨胀混凝土，掺量为1012%。(2) 选 型应根据设计要求，选用合适型号的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料。(3) 混凝土设计与普通水泥混凝土相同，掺DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料混凝土的配合比应根据设计要求与原材料情况经试验确定后选用。根据地下工程防水技术规范（GB50108-2001）建议防水混凝土的水泥用量不少于320 kg/m3，掺有其他活性掺和料时，水泥用量不少于280 kg/m3。(4) 搅 拌拌制混凝土时，称量要准确，严格按投料顺序投料，并均匀搅拌。使用时，应紧随水泥加入搅拌机中，不得将其预先溶于水中。搅拌时间较普通混凝土略有延长。(5) 施 工混凝土连续浇注，均匀密捣，在混凝土终凝前加强二次抹面，避免出现表面龟裂现象。对于施工不周出现的个别蜂窝孔洞或裂缝，可用掺DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的1:2砂浆修补。(6) 养 护混凝土硬化后立即浇水养护，养护时间不得少于14 d。冬季浇注的混凝土或大体积混凝土，要进行保温保湿养护；地下室施工时，由于侧墙薄且难以养护，拆模时间过早会使混凝土降温速率加大，易出现收缩裂缝。因此在常温下，要求混凝土浇注1 d后松动模板螺丝，离缝23 cm。然后从下面浇水不少于14 d。3. DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料在水工构筑物中的应用探讨DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料可显著提高混凝土的抗裂抗渗性能，因此可以广泛应用于水利水电工程、港口码头工程和其它水工构筑物中。3.1 水电站主厂房水下部分在水电站主厂房的水下结构中，普通混凝土通常因微裂纹或开裂而降低了防渗能力，使主厂房下层十分潮湿，影响机电设备正常进行。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料具有卓越的抗裂抗渗能力，因此可用以解决水电站主厂房下层潮湿问题。同时也可用于水池、水利工程及海岸工程等对抗裂防渗有较高要求的混凝土构筑物中，对薄壁混凝土结构尤为适宜。3.2 板式混凝土结构如同其它抗裂防渗材料一样，DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料可广泛应用于各种面支承平板结构。水电站的消力池、护坦、船闸底板等都属于这一类。面支承平板结构的底板混凝土由于其厚度大多较薄，常和基岩直接接触，混凝土浇筑后因基岩约束，容易发生裂缝，而掺加DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料的混凝土因其干缩量小，初凝时的塑性收缩微裂纹得到抑制，因此可以减轻这类底板混凝土开裂问题。在常规设计中，为了防止表面收缩裂缝，往往设置表层分布钢筋网。由于钢筋网中间距一般为1520 cm，因各种原因，这种钢筋网实际起不到防止混凝土表面裂缝的目的。而采用一定掺量的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料来替代钢筋网却是一个经济有效的措施，并可大大简化施工，加快进度，很值得进行试验研究。滑模施工的堆石坝面板也是一种板式结构，其长度达数十米至一、二百米，易产生裂纹。堆石坝面板是挡水结构，过多的裂纹引起渗漏水量过大，对工程极具危害。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料能减轻或防止开裂从而提高防渗性能，因此特别适宜应用于面板。目前，堆石坝面板的抗裂防渗措施一般为掺入合成纤维或掺入膨胀剂，其工程效果依然不甚理想。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料具有膨胀剂和合成纤维的共同特点，可为板式混凝土结构的高抗裂、高抗渗提供重要保证。3.3 高速水流作用部位水利水电工程的溢流面、泄洪洞、消力池、泄流槽、闸门门槽以及排沙孔道都有高速水流冲刷、磨损和气蚀问题，特别当水流中掺有泥沙时，问题更为突出。为提高这些部位的混凝土抗冲蚀磨损能力，以往的工程措施是采用高强度混凝土、硅粉混凝土和钢纤维混凝土等，不但工程造价高，而且高强度混凝土、钢纤维混凝土和硅粉混凝土施工都较困难。近年来，合成纤维在抗冲磨工程中的应用越来越多，但合成纤维对混凝土的抗渗能力提高不多，而且不能做到超长结构的无缝施工，这在一定程度上影响了其使用范围；而同时具有膨胀剂和合成纤维双重功能的DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料不仅具有显著的抗裂防渗性能，而且具有良好的抗冲磨性能，是用于上述工程部位的最佳选择。3.4 水利工程、海港工程、桥梁工程等恶劣环境下的混凝土结构水利工程、海港工程、桥梁工程等恶劣环境下的混凝土结构可能遭遇寒冷、大风等恶劣气候，而且经常处于水波冲击或海水硫酸盐腐蚀之下，工作环境比较严酷。因此防止混凝土结构开裂，提高结构的气候耐受性和抗变形能力，一直是水工专家和桥梁专家最关注的技术难题。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料具有优异抗裂、防渗及抗冲击、抗磨蚀、抗冻融能力，可使这些混凝土结构的耐久性大幅度提高。3.5 渡槽输水工程我国目前正在建设中的南水北调的主体工程中存在着大量的渡槽。渡槽是输水建筑物，属于大跨度混凝土薄板结构工程，要求其挡水构件在正常使用极限状态下不出现裂缝。在混凝土薄板结构浇筑中掺加DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料，可以大大提高大跨度输水渡槽混凝土薄板结构的抗裂防渗能力，并提高渡槽工程的运行效果，延长其使用寿命。3.6 港口码头面层港口码头的混凝土构筑物不仅受到水和水中有害离子的侵蚀，而且经常地受到风浪的冲蚀甚至船体的碰撞。这就要求混凝土不但应具有良好的抗裂抗渗性能，还应具有良好的抗腐蚀和冲击性能。DoublexTM高抗裂、高抗渗复合材料既可以显著提高混凝土的抗裂抗渗