丙乳沙浆护面防龟裂施工工法应用研究

李庆安，赵宇坤

（1.山东黄河勘测设计研究院，山东 济南 250013；2.山东黄河河务局工程建设中心，山东 济南 250011）

0 引言

山东黄河河务局所辖117 座水闸大部分修建于20 世纪50～80 年代，虽然近几年对部分涵闸进行了改建或者除险加固，但由于运行年限过长，仍然出现老化病害问题，尤其是混凝土碳化和钢筋锈蚀、混凝土表面剥蚀破坏、混凝土开裂、泥沙冲蚀等问题，依旧严重影响着黄河下游涵闸的安全性、实用性和耐久性。

丙乳沙浆作为一种新型混凝土建筑物的修补材料，因其优良的抗渗、抗拉和黏结性能，可以用来解决涵闸混凝土护面老化问题。 但丙乳沙浆在凝结硬化过程中，会由于失水而出现收缩现象。当这种收缩受到基体的约束作用时， 沙浆内部就会产生收缩应力，收缩应力一旦超过沙浆的抗拉强度，沙浆就会出现裂纹，从而给施工质量造成严重影响，加大工程返修率或保修工作量。 这一现象已成为制约该材料在涵闸除险加固工程中使用量不高的重要原因之一。

2015 年，东池闸（北金堤桩号40+552）除险加固工程开工建设。 该工程的主要内容之一是对东池闸边墩混凝土剥蚀、涵洞洞身顶板混凝土脱落进行表面缺陷修复，修复措施为：凿除原混凝土保护层，使用丙乳沙浆进行补强加固。 为了避免丙乳沙浆产生龟裂现象，技术人员对传统的工艺进行了改良。笔者试结合东池闸除险加固工程，对丙乳沙浆护面防龟裂施工工法进行研究。

1 室内试验

1.1 试验流程

试验室试验流程为： 选料→确定配合比→配料→制作沙浆→制模→初期养护成型→后期不同条件下养护→干缩性能测试。

1.2 试验成果

通过前期试验分析，丙乳沙浆配合比为：水泥∶沙子∶聚丙烯酸酯乳液∶水=100∶150∶31∶14。

通过分析干燥前养护温度、养护时间和干燥后养护湿度对丙乳沙浆收缩率的影响，得到不同养护条件下丙乳沙浆干缩率的降低比率，如表1 和表2 所示。

2 现场试验

2.1 试验流程

现场试验流程为： 旧混凝土剥蚀面凿除→高压水冲洗基面→涂甩丙乳细沙浆→整平层铺筑→涂甩丙乳细沙浆→加强罩面层铺筑→控制指标养护。

2.2 施工工艺

2.2.1 东池闸设计施工工艺

采取“凿旧补新”法对东池闸闸墩和涵洞混凝土表面的麻面和脱落部位进行修补， 具体步骤为：（1）对缺陷混凝土进行凿毛， 凿毛深度约等于保护层。（2）用高压水冲洗干净，做到毛、潮、净。（3）采用丙乳净浆打底，做到涂布均匀。（4）人工涂刷丙乳沙浆，并对表面抹平压光。（5）进行养护。（6）丙乳沙浆施工后12～24 h 内，凿毛，然后在全部外露面层上刷一层丙乳水泥浆，以封闭表面空隙［1-2］。

表1 不同养护温度下丙乳沙浆干缩率的降低比率Tab.1 Reduction rate of acrylic emulsion slurry dry shrinkage at different curing temperatures

表2 不同养护时间下丙乳沙浆干缩率的降低比率Tab.2 Reduction rate of acrylic emulsion slurry dry shrinkage at different curing time

表3 不同养护湿度下丙乳沙浆干缩率的降低比率表中数据对齐Tab.3 Data statistics of reduction rate of acrylic emulsion slurry dry shrinkage at different curing moisture

2.2.2 施工中改良的施工工艺［3－5］

根据试验室提供的数据， 在施工细节、 时间节点、施工工艺、施工流程中对设计的修补方法进行改进，具体改良工艺为：

（1）施工前，将旧混凝土剥蚀层凿除，凿除厚度为3 cm。 用高压水将凿毛的旧混凝土表面（简称基面）冲洗干净，待基面无积水呈潮湿状时，在基面甩涂丙乳细沙浆，做到涂布均匀，无漏涂。

（2）甩浆后，立即摊铺搅拌均匀的丙乳沙浆。 沙浆采用沙浆拌和机拌制，连续拌和3～5 min，停顿2 min，再拌和3 min 后才能使用（因配合比不同，搅拌时间也不同，在配合比上尽量采用小水灰比）。 一般情况下， 充分搅拌后的丙乳沙浆应在30～45 min 内使用完，温度在18～28 ℃时，使用时间可控制在1～2 h。

（3）挂浆时，采用分层摊铺法，每层厚度为1.5 cm。每层施工时，均使用木抹子压实抹平（拉毛）。 抹面和收光应从下向上一个方向进行，不应来回反复抹灰。

（4） 施工中， 将整个闸洞划分成多个施工单元块，各小块增设厚度标尺及4 m 长的刮平尺，用于控制挂浆厚度。

（5）抹光操作半小时后，待沙浆表面成膜，立即用塑料薄膜覆盖。 待沙浆终凝后（约4 h），即进行喷雾养护，并覆盖塑料薄膜。

2.3 防裂控制三要素

由室内试验和现场试验数据分析可知， 影响材料干缩性的主要因素是养护时间内的温度、 湿度和养护周期。

2.3.1 养护时间内温度的控制

通过室内试验及现场试验可以发现， 沙浆干缩率在施工后0～14 d 内增长较快， 在施工后28 d 时达到稳定。在不同温度的水热养护条件下，沙浆的干缩性变化明显。 当水热温度为40 ℃时，丙乳沙浆施工后35 d 的干缩率为0.046%， 明显低于20℃的干缩率（0.053%）和10℃的干缩率（0.053%）。

在现场试验中，为使养护时间内温度稳定，采取了以下措施：（1）对施工时的天气进行监测，对养护周期内的气温进行监控；（2）抹面后，及时覆膜保温；（3）在闸洞口悬挂棉帘保温；（4）利用电暖扇进行增温。

2.3.2 养护时间内湿度的控制

通过室内试验及现场试验可以发现， 丙乳沙浆的收缩率在所有龄期随湿度升高而明显减小。 在养护湿度为90%时，35 d 的丙乳沙浆的收缩率为0.037%，且在0～35 d 内，收缩增长比较平缓。与相对湿度为90%时相比， 相对湿度为40%的条件下，丙乳沙浆的收缩率变化规律更为明显。

在现场试验中，为使养护时间内的湿度稳定，试验人员采取了以下措施：（1）抹面4 h 后，表层雾化喷水，并覆膜保湿；（2）在闸上下游洞口覆盖棉帘，以防止过洞风带走水分；（3）每3 h 进行一次雾化喷水；（4）及时检测闸洞内湿度，如有降低，随时喷雾喷水。

2.3.3 养护周期的控制

通过室内试验及现场试验可以发现， 干燥前养护时间1 d、2 d、4 d 对丙乳沙浆收缩率的影响并不明显。 在丙乳沙浆施工后35 d 时，干燥前养护时间为1 d、2 d、4 d 的丙乳沙浆的平均干缩率分别为0.053%、0.053%、0.054%。

2.4 试验结果

（1）养护温度＞20℃后，丙乳沙浆收缩率逐渐下降。鉴于施工条件的许可程度，施工及养护温度应控制在30±5 ℃为宜。

（2）丙乳沙浆养护时间主要集中在干燥前的1～3 d 内，因此，必须在早期采取养护措施，才能有效控制沙浆的早期收缩裂缝。

（3）养护湿度对丙乳沙浆龟裂的影响最大。在丙乳沙浆养护前期，养护湿度对干缩影响较大；在养护后期，养护湿度对干缩率的影响作用逐渐变小。养护湿度在90%以上时，收缩率最小。 在施工过程中，干燥时养护湿度应尽量维持在75%以上。

3 涵闸丙乳沙浆护面修复施工工法

3.1 原材料

（1）水泥。 采用强度等级不低于42.5R 的普通硅酸盐水泥，水泥如有结块，应用0.9 mm 筛将结块筛除。

（2）沙。 宜选用河沙，细度模数为1.6，粒径小于2.5 mm。

（3） 水。 拌和用水选用符合生活饮用水标准的水，用水总量应考虑丙乳中的含水量。

（4）丙乳。 丙乳是外观呈乳白微蓝色的乳状液，固体含量为39%～41%，黏度为11.5～13.5 s，pH 值为2～6，凝聚浓度≥50 g／L。

（5）掺加物。丙乳沙浆不宜使用早强剂、减水剂、抗冻剂等外加剂。为提高丙乳沙浆的抗拉强度，增强断裂韧性，可适当掺入低弹性模量尼龙纤维，纤维单粒＜2 cm，体积掺量控制在0.1%～0.15%。

3.2 配合比

水灰比是影响混凝土收缩变形的重要因素，在选择水灰比时，应尽量选用较小值。按照防水工程常用配比，灰沙比取1∶1～1∶2，灰乳比取1∶0.15～1∶0.3，水灰比取（40±5）%。

混凝土建筑物表面剥蚀、水质侵蚀、钢筋锈蚀修补采用下限配合比；有防渗要求的裂缝、冲磨、空蚀等修补采用上限配合比。 施工前，应根据现场水泥、沙子及施工要求，由专业试验室出具配合比报告，确定具体配合比。

3.3 施工工艺

丙乳沙浆抹面施工工艺流程为： 旧混凝土凿毛→基础面冲洗→基础甩浆结合层→基层抹面→面层抹面→龄期内养护。

（1）旧混凝土面凿毛。先用钢钎冲击钻或多头混凝土钻机将旧混凝土表面的剥落、 麻面及冲坑等缺陷凿除（凿除深度控制在3±0.5 cm），再把因凿除扰动的石子清除。该工序以表面无松动、无明显大的凸凹为宜，并保持深度基本一致。

（2）基础面清理。 先用钢丝刷将凿毛的旧混凝土表面浮层的污物、尘土和松软、脆弱部分刷除，再用高压水进行冲洗，然后将基面晾至无积水，表面呈潮湿状态。 施工前，应使混凝土表面处于饱和面干状态。

（3）沙浆拌和。 采用机械拌和，一次拌和量不宜少于搅拌机容量的20%，不宜大于搅拌机容量的80%。水泥、水和外加剂入仓重量控制系数为±0.3%；沙料入仓重量控制系数为±0.5%。 拌和前，先将搅拌机内部清洗干净并保持润湿，然后拌制少量沙浆，使搅拌机内部挂浆，并将剩余料卸出。 拌和时，先将水泥、沙按照配合比用量倒入沙浆搅拌机，干拌2 min，然后倒入水和乳液，连续搅拌3～5 min，停顿1～2 min，再搅拌3 min，最后出仓。 拌和温度控制在（20±5）℃，所拌制的沙浆应避免阳光直射。 搅拌后的丙乳沙浆应在30～45min 内使用完，温度在18～28℃时，使用时间可控制在1～2h。

（4）网格划分施工。 为便于施工，在涂抹丙乳沙浆前，应将处理后的基面分段、分块。 该工程将基面分成宽1.5 m、长约2.0～3.0 m 的条块。 分块时，涵闸洞内可按照洞身节次划分成块， 洞顶及底板单独划分，不得与立面墙体化为一块，结合部单独划分。

（5）涂浆及甩浆。 原施工工艺中，多采用净浆打底（1 kg 丙乳＋2 kg 水泥搅拌成浆）。此工艺耗费丙乳量大，会增加造价。改良后的工艺用丙乳细沙浆甩浆打底（0.6 kg 丙乳＋1.6 kg 水泥＋0.8 kg 沙搅拌成浆）。甩浆时，采用竹笤帚将丙乳细沙浆均匀甩至涂抹面，甩浆厚度控制在3 mm 内。

（6） 基层抹面。 丙乳细沙浆甩浆打底后15 min左右开始铺筑基层。基层抹面采用倒退抹压法进行，即加压方向与刚建沙浆层前进方向相反。抹面时，要求丙乳沙浆基层密实，进行拍实，并注意控制厚度；拍实中注意用力大小； 为增加整平层和基底的黏结强度，综合抹面压力控制在3～6 kg／cm2，基层厚度控制标准为15 mm。

（7）面层抹面。基层抹面并拍实后，用刮板拉毛，再进行面层抹面。 抹面和收光应从下向上沿一个方向抹平，操作速度要快，要求一次用力抹平，避免反复抹面。 如遇气泡，要挑破压紧，保证表面密实。

3.4 养护

丙乳沙浆抹光操作0.5 h 后， 沙浆表面成膜，立即用塑料薄膜覆盖。4 h 后，进行喷雾养护，并覆盖薄膜。 覆膜3 d 后，进行洒水养护（洒水以保持表面湿润为主）。洒水养护7 d 后，进行自然干燥养护。在养护过程中，应避免忽干忽湿，避免强风过洞，具体控制措施为：（1）温控养护。 养护期内的温度应控制在20～35 ℃，可采用棉帘覆盖上下游洞口保温、暖扇增温等措施控制养护期温度。（2）湿控养护。养护期内的湿度应控制在90%以上，可采用喷雾覆膜手段保湿3 d，同时在闸洞口挂帘，防止过洞风带走水分。在湿度明显下降时，进行洒水。（3）龄期养护。龄期养护要注重时间节点，一是初凝4 h 内的温控、湿控；二是3 d 内每3 h 进行喷雾养护；三是3 d 后、7 d 内的洒水，应保持每6 h 进行洒水一次；四是7 d 后的自然养护时间，要注意不能一次性断水养护，要逐渐减少洒水量，并适当延长洒水间隔期。

4 效益分析

4.1 经济效益

通过单价分析，1 m2丙乳沙浆 （两遍） 单价为154.68 元，罩面45 元，合价为199.68 元。 按照室内试验和现场试验结果， 对丙乳沙浆护面的配合比进行设计，对养护条件进行改进，省略了罩面施工步骤，从而节约45 元／m2，节约率为（45／199.68）×100%=22.54%。

4.2 社会效益

本项目的研究成果可为丙乳沙浆护面施工提供参考数据， 改良的施工工艺及质控措施对今后丙乳沙浆施工具有指导性。更重要的是，丙乳沙浆护面龟裂现象得到了有效解决，在降低成本的同时，提高了涵闸防洪工程的强度，延伸了涵闸的整体使用寿命。因此， 涵闸除险加固中丙乳沙浆护面防龟裂关键技术的社会效益突出。

5 结语

丙乳沙浆护面在施工中易产生龟裂现象， 是因为大多工程采取护面外涂抹丙乳净浆罩面的工艺。本项目根据室内试验和北金堤东池闸现场试验成果，总结出了适用于黄河流域的丙乳沙浆施工工法。该施工方法使丙乳沙浆护面技术更加完善， 各项参数更加准确，也使丙乳沙浆真正发挥出防水、防氯离子渗透、耐磨、耐老化等性能，从而增加了防洪工程强度，延长了涵闸工作寿命，节约了建设资金。

目前， 本项目的研究成果已在2 处涵闸除险加固工程中推广使用。其中，金堤河干流河道治理工程（山东段）东池闸除险加固工程于2017 年1 月11 日通过验收， 被评为优良工程。 丙乳沙浆护面历时一年，未出现龟裂现象。 施工单位对该成果给予了“经济节约、社会效益前景广阔，值得推广”的评价。