新型裂缝修补材料在大西海子水库除险加固工程的应用研究

周 翔

(塔里木河流域工程建设处，新疆 库尔勒 841000)

1 工程概况

大西海子水库位于新疆巴音郭楞蒙古自治州尉犁县境内的塔里木河下游，水库设计洪水位849.57m，校核洪水位849.60m，汛限水位848.76m，调洪库容3999.70万m3，正常蓄水位849.25m，兴利库容7431.12万m3，死水位846.61m，死库容为600万m3，总库容为9870万m3。大西海子水库是一座以向塔里木河下游生态供水为主的平原区中型水库工程。水库大坝为土石坝，通过对水库现场检测、地质勘察及必要的计算，对大坝坝体工程质量、运行管理、渗流安全、结构安全，抗震安全等方面进行了复核，综合评价后，鉴定大西海子水库为三类坝，需采取合理措施消除大坝安全隐患，保障水库大坝安全。

除险加固工程主要建设内容包括大西海子水库大坝坝体加固、老泄洪闸和新放水闸加固、水库进水渠清淤、新建水库运行管理道路、新建跨渠交通桥、新建管理站房及附属设施以及完善大坝安全监测设施等。其中，水闸加固内容包括对原闸室及配套建筑物混凝土的裂缝，骨料、钢筋外露及冻融破坏的情况进行加固处理及配套下游海漫段及连接段，在处理混凝土裂缝时，考虑到新疆地区特殊的水文地质条件，水工建筑处于冻融循环、离子侵蚀、干湿条件变化等复杂环境，因此采用了一种新型裂缝修补材料，来提升混凝土的耐久性能。

2 试验原材料

众多研究表明，采用无机胶凝材料和有机物质混合拌制的裂缝修补材料在控制工程成本上更加有利[1-3]。因此，本工程借鉴此类方法，采用硫铝酸盐水泥、石英石粉、可分散性乳胶粉、玄武岩纤维、消泡剂、憎水剂、减水剂等材料配制一种裂缝修补材料。

硫铝酸盐水泥为低碱型水泥，标准稠度用水量为40%，初凝和终凝时间为40min和150min，28d抗折和抗压强度为7.5MPa和73.3MPa。石英石粉粒径大小为80～120目，密度为2650kg/m3，SiO2含量为95%，莫氏硬度为7，熔点为1750℃。可分散性乳胶粉为国外进口瓦克5044N型胶粉，主要化学成分为醋酸-乙烯共聚物，呈白色粉末状，平均堆积密度为500kg/m3，平均灰分为10%，主要用于黏结砂浆、抹面浆、瓷砖黏结砂浆等。玄武岩纤维长度为7～10mm，弹性模量为105GPa，抗拉强度为3900MPa，断裂伸长率为2.7%，密度为2700kg/m3。消泡剂为AXILAT DF 770型消泡剂，主要化学成分为液态碳氢化合物、聚乙二醇，平均颗粒大小为750μm，堆积密度为600kg/m3。憎水剂为SHP50型硅烷基憎水剂，粒径小于500μm，平均颗粒大小为300μm，密度为600g/L。减水剂为液态聚羧酸减水剂，平均密度为1.15g/mL，固体含量为26%，减水率为20%。缓凝剂为柠檬酸，白色结晶型粉末，易溶于水。

3 试验方案及内容

3.1 试验方案

以硫铝酸盐水泥为主要基材，探讨不同胶粉掺量下裂缝修补材料的性能，胶粉掺量分别为胶凝材料用量的0、0.5%、1%、1.5%和2%，石英石粉掺量为11%，玄武岩纤维掺量为1%，消泡剂掺量为2%，憎水剂掺量为1%，减水剂掺量为0.4%。具体试验配比方案见表1。

表1 试验配比方案

3.2 试验内容

试验主要包括工作性能试验(凝结时间和流动度)、强度试验(抗压强度和抗折强度)、干缩变形试验、耐磨性试验、抗氯离子渗透试验、抗盐冻试验。

4 试验结果分析

4.1 对工作性能的影响

由不同胶粉掺量下裂缝修补材料的工作性能参数(见表2)可知：当掺入胶粉后，对裂缝修补材料的凝结时间和流动度有较大影响，相比空白试验组，掺入胶粉后，初凝时间从30～35min提升至48～57min，终凝时间从60～70min提升至100min以上，而初始流动度则从230～240mm减少至150mm以下，30min后流动度也从100～110mm减少至80min以下。这是因为胶粉作为共聚物，具有很强的保水性和水下分散性，当掺入到水泥中后，可以起到与水泥争夺水分的效果，因而可以延长水泥的凝结时间，特别是在硫铝酸盐这种快硬性水泥拌和物中，可以显著改善材料的工作性能。虽然胶粉延长了水泥的凝结时间，但由于其本身对于水分的亲和性很强，会导致浆体的稠度大大增加，因而浆体的流动度是会降低的[4-5]。

表2 胶粉掺量对工作性能影响

4.2 对强度的影响

从不同胶粉掺量下裂缝修补材料强度试验结果(见图1)可知：随着胶粉掺量的增加，裂缝修补材料的抗折强度呈先增大后减小的变化特征，当胶粉掺量为1%时，裂缝修补材料的28d抗折强度最大，达到11.3MPa，相比不掺入胶粉试验组，抗折强度提升50.7%，这是因为胶粉遇水可再分散成乳液，乳液与水泥混合后形成网格结构从而弥补水泥石的缝隙，且胶粉本身作为一种有机材料，其抗拉延展性比水泥颗粒强得多，因而当胶粉掺量合适时，抗折强度会增大，但胶粉掺量过大后，会存在过大的引气作用，导致大量空气进入水泥石中，反而对密实性不利，因而抗折强度降低；掺入胶粉后，会在一定程度上降低裂缝修补材料的抗压强度，特别是当胶粉掺量超过1.5%后，抗压强度的下降幅度较大，当胶粉掺量为0.5%～1.5%时，抗压强度变化不大，这是因为胶粉颗粒较水泥颗粒的弹性模量更小，不能提供足够的刚性支撑作用，特别是胶粉掺量过多后，导致硫铝酸盐水泥所需的水化反应水分减少，因而影响了强度发展，同时胶粉掺量过大还会导致团聚现象，使水泥石内部存在薄弱位置，故而抗压强度随胶粉掺量增加而逐渐降低，但在0.5%～1.5%掺量时，28d抗压强度仍大于60MPa[6]。

图1 强度随胶粉掺量变化曲线

4.3 对干缩变形的影响

由不同胶粉掺量下裂缝修补材料干缩变形试验结果(见图2)可知：随着龄期的增加，不掺入胶粉的裂缝修补材料单位伸长率为负数，且随着龄期增长而增大，表明其处于收缩状态，28d龄期后，单位长度收缩量达到0.12%，当掺入胶粉后，裂缝修补材料从收缩状态转变为膨胀状态，胶粉掺量越大，单位长度的膨胀变形量越大，龄期1d和3d时的膨胀变形相差不大，当龄期达到28d后，膨胀变形量显著增大。出现上述情况的原因在于：胶粉遇水乳化后覆盖在水泥颗粒表面，对硅酸二钙的水化缓凝作用比较明显，在前期主要以硫铝酸钙水化反应为主，因而出现基本一致的微膨胀，随着龄期增加，硅酸二钙开始大量反应，但其产生的收缩应力会被胶粉乳液的塑性形变所消耗，因而整体上呈现膨胀效应。

图2 单位长度变形率随胶粉掺量的变化曲线

4.4 对耐磨性的影响

由不同胶粉掺量下裂缝修补材料耐磨试验结果(见图3)可知：随着胶粉掺量的增加，裂缝修补材料的单位面积磨损量逐渐减小，未掺入胶粉试验组，单位面积磨损量为2.55kg/m2，当掺入0.5%、1%、1.5%和2%胶粉后，裂缝修补材料的单位面积磨损量分别为1.95kg/m2、1.88kg/m2、1.83kg/m2和1.80kg/m2。这说明，掺入胶粉后可以提升裂缝修补材料的抗冲刷耐磨性能，这主要得益于胶粉乳液与水泥颗粒形成的网格结构可以极大提升水泥—乳胶复合浆体的耐磨程度。

图3 单位面积磨损量随胶粉掺量的变化曲线

4.5 对抗氯离子侵蚀的影响

由不同胶粉掺量下裂缝修补材料抗氯离子渗透试验结果(见图4)可知：胶粉掺入可以在一定程度上提升裂缝修补材料的抗氯离子渗透性能，电通量随着胶粉掺量的增加呈先减小后增大再减小的变化特征，当胶粉掺量为0.5%时，电通量最小。表明在此掺量下裂缝修补材料抗氯离子侵蚀性能最佳，由于当胶粉材料掺量不大于1%时，结构内部的密实度最高，氯离子很难通过水分的渗透进入水泥浆体试件内部，因而可以抵抗水中氯离子对水工建筑物带来的持久性侵蚀伤害。

图4 电通量随胶粉掺量的变化曲线

4.6 对抗盐冻性能影响

由不同胶粉掺量下裂缝修补材料抗盐冻试验结果(见图5)可知：随着单面盐冻融循环次数的增加，裂缝修补材料构件的单位面积质量损失逐渐增加，胶粉掺量为0、0.5%、1%、1.5%和2%时，在经历28次单面盐冻循环后的质量损失分别为89g/m2、57g/m2、54g/m2、68g/m2和73g/m2，当胶粉掺量为1%时，单位面积质量损失最小，相比不掺入胶粉试验组，降低39.3%。这说明掺入胶粉后，可显著提升修补材料的密实性，从而使抗水渗、抗离子侵蚀性能得到明显增强，故而能够抵抗单面盐冻试验中冻融环境和氯离子侵蚀环境的双重破坏。

图5 质量损失随胶粉掺量的变化关系

5 结 论

通过对不同胶粉掺量下水工建筑物裂缝修补材料各项性能进行试验，得出如下结论：随着可分散性胶粉材料掺量的增加，裂缝修补材料的初凝和终凝时间会延长，但会增加浆体稠度，从而导致流动度减小；随着胶粉掺量的增加，裂缝修补材料的抗折强度呈先增大后减小的变化特征，当胶粉掺量为1%时，抗折强度最大；抗压强度和单位面积磨损量呈逐渐减小变化特征；掺入胶粉可将早期的干燥收缩变形转变为膨胀变形，从而减少早期裂缝的产生。同时胶粉可提升裂缝修补材料的抗水渗、抗氯离子侵蚀和抗盐冻侵蚀性能，当胶粉掺量为0.5%～1%时，改善效果最佳。综合胶粉对裂缝修补材料各项性能的影响，认为当胶粉掺量为1%时，裂缝修补材料的综合性能最佳，可在类似地区水工建筑物裂缝修补工程中推广应用。