沿海水工建筑物修补材料研究现状及发展趋势

陈建国，陈国庆,3，刘鲁强，孙桂山,3，李达春，陈树亮

（1. 广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023；2. 广西水工程材料重点实验室培育基地，广西 南宁 530023；3. 河海大学，江苏 南京 210098）

沿海水工建筑物修补材料研究现状及发展趋势

陈建国1,2，陈国庆1,2,3，刘鲁强1,2，孙桂山1,2,3，李达春1,2，陈树亮1,2

（1. 广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023；2. 广西水工程材料重点实验室培育基地，广西 南宁 530023；3. 河海大学，江苏 南京 210098）

综述了沿海水工修补材料的概况，介绍了无机类、有机类、有机改性类 3 种修补材料的特性，阐述了修补材料的性能要求及研究情况，并提出了有机类改性修补材料发展所存在的问题及相关建议，以期为沿海修补工程提供参考。

沿海水工建筑；修补材料；研究现状；发展趋势

混凝土因其性能优良、造价低廉等优点，被广泛应用于各个领域。混凝土构建物在长期的使用过程中，受到重载荷、冻融循环、氯离子渗透、表面磨蚀、腐蚀介质侵蚀等因素的影响，容易出现开裂、剥落等损坏，造成建筑物的结构与功能失效[1-2]。挡潮闸、海堤等沿海水工建筑物因处于干湿交替、潮流冲击、碳化、微生物腐蚀、氯盐及硫酸盐腐蚀的环境中，更易出现各种缺陷导致功能失效[3]。现有的沿海水工建筑物修补材料按组成可分为无机类修补材料、有机类修补材料和有机改性类修补材料。无机类修补材料的组成绝大部分为无机水硬性胶凝材料，几乎不含有机物质；有机类修补材料以聚合物作为胶结材料；有机改性类修补材料是通过掺入一定比例的聚合物对无机材料进行改性处理[4]。

1 沿海水工建筑物修补材料分类

1.1 无机类修补材料研究现状

最常见的无机类修补材料是以水泥作为胶凝材料，与水、砂、石子，必要时掺入矿物掺合料和纤维，按适当比例配合而成的复合材料。修补工程中常用的水泥有普通硅酸盐水泥、快硬早强水泥、膨胀水泥，常用的掺合料有粉煤灰、硅灰、高炉矿渣，常用的纤维有钢纤维、聚丙烯纤维。

普通硅酸盐水泥因强度高、价格低廉、施工便利而被广泛应用于一般性的混凝土修补工作。但其存在收缩率大、早期强度低等局限性。除普通硅酸盐水泥之外，还有其他品种的水泥应用于无机修补材料。快硬早强水泥[5]可以在较短龄期内凝结并达到较高强度。快硬早强水泥按组成可分为铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等种类。快硬早强水泥存在早期水化热较高等问题，因此不适用于大多数水工建筑的修补。膨胀水泥[6]可以在水化和硬化过程中产生体积膨胀，可以解决混凝土在修补过程中收缩带来的不利影响。膨胀水泥配制的混凝土和易性较差，在实际应用中易出现坍落度损失大等现象，因而对运输与施工的要求较高[7]。

修补混凝土中常常掺入掺合料以改善其各项性能，常用的掺合料有粉煤灰、硅灰、高炉矿渣等。修补混凝土中掺入粉煤灰可以改善混凝土的和易性、干缩性能等，但掺量过高时，会降低其早期强度，影响混凝土的修补效果[8]；硅灰掺入修补混凝土中，细小的硅灰颗粒填充于水泥浆体的孔隙间，增加了混凝土的密实度，使其早期强度大大提高，但混凝土掺硅灰可能会产生自收缩，易出现裂缝，且后期强度增长不明显[9]；修补混凝土中掺入高炉矿渣，可以提高其流动性与后期强度，且能够降低水化放热，但存在会降低早期强度的弊端[10]。

混凝土中掺入纤维可以改善混凝土抗拉强度低、脆性大等缺陷，明显提高混凝土的韧性、抗裂性、抗拉强度等性能，在近年来被广泛应用于修补工程。但纤维修补混凝土存在流动性差、成本高、施工工艺复杂等问题，因而在沿海水工修补工程中具有局限性[11]。

无机类修补材料存在粘结强度低的共性，因此长期耐久性较差，应用于水位变动区修补中易出现老化脱落的现象。

1.2 有机类修补材料研究现状

有机类修补材料是以聚合物替代水泥作为胶结材料，与水、集料、增强材料，掺入固化剂等各种添加剂，通过聚合作用而成的一种复合材料[4]。由于聚合物填充了混凝土中的孔隙和微裂缝，可提高它的密实度，使之具有高强度、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐化学腐蚀等显著优点[2,12]。因此，有机类修补材料以聚合物混凝土或砂浆的形式应用于各类修补工程中，其中包括混凝土结构的裂缝修补、混凝土表面防护与修补、水工混凝土抗冲磨抗气蚀保护、水工混凝土结构的修补等[13]。

有机类修补材料中常用的聚合物主要有环氧树脂、聚氨酯等[14]。环氧树脂、聚氨酯分别为含有环氧基的高分子聚合物与主链含—NHCOO—重复结构单元的聚合物，具有固化快、粘结强度高等特点。

有机类修补材料由于其弹性模量与热膨胀系数与基材相差较大，相容性较差，导致修补工作初期效果较好，而后续易出现修补材料脱落的情况[4]。

1.3 有机改性类修补材料研究现状

有机类改性类修补材料是将水泥和集料混合，并与有机聚合物材料结合所生成的复合材料。聚合物的加入使水泥的结构形态发生了改变，混凝土的孔隙结构与界面过渡区得到改善，减少了硬化水泥浆体中的微裂纹[15]。Ohama[16]认为，聚合物对混凝土的改性分为聚合物分散、薄膜层形成、融合形成网状结构三个阶段。

有机改性修补材料中聚合物一般采用乳液方式掺入，而最常用的聚合物乳液为 EVA 乳液、环氧乳液、丙乳、丁苯乳液，具有粘结强度高、耐久性能好等优点。

有机改性类修补材料的出现，弥补了无机类修补材料粘结强度较低的缺陷，解决了有机类修补材料与基材相容性较差的问题，因此在修补材料中所占比重日渐增大。

2 沿海水工建筑物修补材料性能研究

沿海水工建筑物修补材料在工作性能方面，需要适宜的凝结时间与良好的和易性；在力学性能方面，需要较高的抗压、抗拉、抗折强度，与基材具有良好的粘结强度，且弹性模量与基材接近；在体积稳定性方面，需要有较低的干缩率与较好的抗裂性能；在耐久性能方面，需要有较好的抗渗、抗碳化、抗氯离子渗透性能[17-18]。

2.1 拌合物性能研究

修补材料的拌合物性能对于修补工程的现场施工来说尤为关键。坍落度是衡量修补混凝土拌合物性能的重要指标。通常可以通过调整水灰比、砂率或添加减水剂、掺合料来调整混凝土的坍落度。孙庆巍[19]等人研究了减水剂的种类与掺量对预拌混凝土坍落度、扩展度的影响，结果表明聚羧酸系减水剂较萘系减水剂有更好的水泥适应性，且掺量少、减水率高、混凝土坍落度及扩展度经时损失少（见图1）。

2.2 力学性能研究

关于修补材料的力学性能研究由来已久。修补工程中对材料早期强度与粘结强度的要求较高。梁国彪[20]等人通过掺入 20%～30% 复合功能掺合料（以优质粉煤灰和硅灰复合粉体为基材外掺少量激发剂配制而成），配制出 24h 抗压强度大于 20MPa，24h 抗折强度大于 3.5MPa，28d 抗压强度大于50MPa，28d 抗折强度大于 7.0MPa 的快硬高早强的修补混凝土。为提高修补材料与基材的相容性，修补材料的弹性模量需与基材接近。杨华[21]等人研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律，结果表明：在混凝土的各细观组成成分中，砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大；连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土；孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小（见图2～7）。

图1 减水剂品种对拌合物初始坍落度和扩展度的影响

图2 骨料最大粒径与混凝土弹性模量关系

图3 骨料弹性模量与混凝土弹性模量关系

2.3 体积稳定性研究

修补材料的体积稳定性是保证修补加固后水工建筑物能够正常运行的重要因素。而干缩率和塑性收缩是衡量修补材料体积稳定性的重要指标。洪锦祥[22]等人研究了快速修补混凝土的干缩、早期收缩、自收缩性能以及初长测试时间对混凝土收缩性能评价的影响，结果表明：快速修补混凝土的收缩在 3d 龄期内的发展非常迅速，3d 龄期以后快速修补混凝土的收缩与普通混凝土相当，且快速修补混凝土的收缩是以自收缩为主。王英姿[23]等人研究了不同聚合物乳液掺量对修补砂浆干缩性能的影响，结果表明适量的聚合物乳液能够有效减少砂浆的干燥收缩。刘为[24]等人研究了不同含量、不同长度的聚丙烯单丝纤维对修补混凝土早期收缩开裂的影响，结果表明加入聚丙烯的纤维修补混凝土收缩比普通修补混凝土减少了 12.6%，且早期裂缝的总长与最大宽度明显减少（见图8、图9）。

图4 砂浆弹性模量与混凝土弹性模量关系

图5 界面弹性模量与混凝土弹性模量关系

图6 界面厚度与混凝土弹性模量关系

图7 孔隙率与混凝土弹性模量关系

图8 混凝土 14d 自生收缩随时间变化

图9 混凝土早期裂缝总长随时间变化

2.4 耐久性能研究

在沿海水工建筑物的修补中，混凝土易出现碳化、氯离子侵蚀导致耐久性损伤问题。因此对沿海抗腐蚀性修补材料耐久性的研究，应更着重于抗碳化性能与抗氯离子腐蚀性能方面。刘数华[25]分析了水工混凝土的碳化机理，研究配制了以有机聚合物改性的水工修补混凝土，能有效减少混凝土的碳化破坏。张锦[26]等人结合试验结果，建立针对修补混凝土的修正氯离子渗入模型，提出“强渗比”概念，为工程实际修补混凝土氯离子渗透性能评定提供参考。曾俊杰[27]等人以不同掺量偏高岭土制备混凝土，分别采用浸泡法和 RCM 法测试混凝土氯离子扩散系数，并通过 XRD 法分析其物相组成，结果表明，偏高岭土可显著降低混凝土氯离子扩散系数，促进了含氯水泥浆中 F 盐的生成（见图10～12）。

3 结语

有机改性类修补材料弥补了无机类修补材料粘结强度较低的缺陷，解决了有机类修补材料与基材相容性较差的问题，具有巨大的工程应用潜力。然而有机改性类修补材料存在下列一些问题尚未解决：（1）聚合物的掺入一定程度上会降低材料的抗压强度；（2）受生产成本影响，聚合物乳液的价格偏高；（3）有机改性类修补材料各项性能的系统性研究较少。这些问题阻碍了聚合物改性水泥基修补材料在沿海水工建筑物修补方面的推广。

因此，需要在总结前人的研究基础上，对聚合物改性水泥基修补材料的各项性能进行系统性研究，考虑掺入无机类活性掺合料提高其抗压强度，并完善其在修补工程中的成本预算，发掘其应用于沿海水工建筑物修补工程中的潜力。

图10 掺偏高岭土混凝土氯离子扩散系数测试结果

图11 掺偏高岭土水泥浆相对氯离子固化率

图12 掺偏高岭土对掺 NaCl 水泥浆物相组成影响

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［通讯地址］广西南宁民主路 1-5 号 （530023）

Current research status and development trend of coastal hydraulic architecture repair material

Chen Jianguo1,2, Chen Guoqing1,2,3, Liu Luqiang1,2,3, Sun Guishan1,2,3, Li Dachun1,2, Chen Shuliang1,2
(1. Guangxi Hydraulic Research Institute, Nanning 530023; 2. Guangxi Key Laboratory Cultivation Base of Water EngineeringMaterials, Nanning 530023; 3. Hohai University, Nanjing 210098)

This paper summarizes the general situation of Coastal Hydraulic Architecture repairing materials, introduces characteristics on coastal hydraulic engineering of 3 kinds of repairing materials for the inorganic, organic and organic modification, describes the performance requirements and research situation of the repair materials, puts forward the problems existing in the development of the organic modified patching materials and relevant suggestions, in order to provide reference for coastal repair engineering.

coastal hydraulic architecture; repair materials; research status; development trend

陈建国（1984—），男，高级工程师，从事水利工程新材料研究。