无机微纳米物理改性胶凝材料在混凝土表面修补加固中的应用

崔赫威，史建勋，周继元，张春海

（1.北京中水利德科技发展有限公司吉林省分公司，吉林长春130000；2.吉林省水利科学研究院，吉林 长春130021）

1 概述

东丰县中育水库位于吉林省辽源市东丰县黄河镇境内的大沙河右岸一级支流黄泥河上。水库多年平均温度3.6 ℃，属于温带大陆季风性气候区，根据多年气象材料显示，最高温度达到33.5 ℃，最低极端温度为-38.5 ℃，平均气温1.7～2.9 ℃。春季多风，夏季温热多雨，秋季温和凉爽，冬季寒冷，寒暑温差较大，最大冻土深度为1.6 m。由于冻融的破坏和强度未达到设计要求，使水库迎水坡出现开裂、脱落等问题。2020 年，对东丰县中育水库进行了全面调查，并用取芯试验检测了建筑物的混凝土强度。结果表明，现有混凝土建筑物问题主要表现在：混凝土建筑物表面存在裂缝；迎水混凝土表面冻融、剥落破坏；混凝土表面冲磨破坏等；混凝土强度不均。这些问题已影响到混凝土建筑物寿命和外观，甚至影响到工程的正常安全运行。为了提高混凝土的耐久性，延长建筑物的使用寿命，2020 年6 月，对东丰县中育水库迎水坡模袋混凝土采用无机微纳米物理改性胶凝材料进行修补加固，经过现场检查验收，没有发现因施工或材料原因而出现裂缝、鼓包等现象。经过前期运行，修补部分没有脱落和裂缝等问题出现，说明这种无机微纳米物理改性胶凝材料是一种理想的修补材料。

2 材料的主要性能及适用范围

无机微纳米物理改性胶凝材料是一种新型的混凝土表面修补材料,是以无机聚合物为核心基础的有机/无机杂化材料，属新型微观-介观（微纳米）超细材料。聚合物在微观量级的各种成分均匀融合，使新材料具备了所有成分之间的特性甚至是一些新的特性。由此制备出性能奇特、克服常规材料缺陷的新型功能材料。主要体现在：

1）活性作用。聚合物中有表面活性剂，能够起减水作用。同时对水泥颗粒有分散作用，改善砂浆和易性，降低用水量，从而减少水泥的毛细孔等有害孔, 提高砂浆的密实性和抗渗透能力。

2）桥键作用。聚合物分子中的活性基因与水泥水化中游离的Ca2+，Al3+，Fe2+等离子进行交换,形成特殊的桥键，在水泥颗粒周围发生物理、化学吸附，成连续相，具有高度均一性，降低了整体的弹性模量，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态,使得承受变形能力增加，产生微隙的可能性大大减少。即使产生微裂隙，由于聚合物的桥键作用，也可限制裂缝的发展。

3）充填作用。聚合物乳液迅速凝结，形成坚韧、致密的薄膜，填充于水泥颗粒之间，与水泥水化产物形成连续相填充空隙，隔断了与外界联系的通道。

无机微纳米物理改性胶凝材料与普通水泥性能比较见表1。

表1 无机微纳米物理改性胶凝材料与传统混凝土性能对比表

从表1 可以看出，与普通砂浆相比，无机微纳米物理改性胶凝材料具有抗拉强度高、干缩变、抗冻、抗渗、抗冲耐磨,与混凝土粘结强度高，具有一定的弹性，抗裂性能高；而环氧砂浆虽具有强度高、粘合性好、抗渗效果好等特点，但其材料力学性能与基底混凝土不一致，环氧树脂砂浆的膨胀系数一般在25×10-6～30×10-6/℃，为基底混凝土的2.5～3.0 倍，容易出现开裂脱落情况，而无机微纳米物理改性胶凝材料克服了这些问题。根据无机微纳米物理改性胶凝材料的特性，其适用于水工、海工、高铁等混凝土建筑物因空蚀、冻融破坏而引起的混凝土表层开裂、剥蚀等混凝土表面薄层修补。

3 工程方案确定

根据现场情况东丰中育水库迎水坡模袋混凝修补材料选择拟定3 种方案：

1）第1 种方案，切割并拆除拟处理范围内的模袋砂浆护坡，采用平均厚15 cm 常规C25F250 模袋混凝土重新浇筑。

2）第2 种方案，切割并拆除拟处理范围内的模袋混砂浆护坡，采用平均厚15 cm 常规C25F250 混凝土板护砌，其下依次铺设3 cm 水泥砂浆找平层、15 cm 碎石垫层。

3）第3 种方案，凿除拟处理范围内的模袋砂浆外表面2 cm，清除表面松动骨料后栽植锚固钢筋及面层钢筋网，分块浇筑无机微纳米胶凝改性材料配置的混凝土，平均厚7 cm。

以上3 种方案使用于混凝土补强工程均具备可行性，但第1 种和第2 种方案的工期较长，对完建的原有结构利用率较低，基本为拆除重建；方案2 需破坏拆除部分的护坡底部坝体及无纺布，施工难度较大，稳定性较差；而方案3较大程度利用了原有的护坡结构，在原结构基础上进行补强、加固，施工工艺简便易操作。在经济价值方面来看，东丰中育水库迎水坡模袋混凝土修补面积为2 519 m2，长513 m，第1，2方案需浇筑厚度为15 cm的常规混凝土，用量约为400 m3，其强度等级为C25，包括坝坡拆除、界面处理、浇筑碎石层、拆模、混凝土浇筑等，总概算为351万和501万；而采用第3种无机微纳米物理改性胶凝材料的方案，浇筑厚度为7 cm，用量约为174 m3，其综合造价为328 万，因此最后选择第3 种施工方案。无机微纳米物理改性胶凝材料的应用，不仅减少了施工工序，加快施工进度，而且其施工成本也下降了，具有一定的经济价值。

4 施工及质量控制

采用无机微纳米物理改性胶凝材料进行修补加固处理时，应根据当地的气候特点、工程特点及施工进度合理地组织安排施工。施工流程：凿毛→用高压水枪冲洗饱和→涂刷界面剂→抹无机微纳米物理改性胶凝材料→养护。

4.1 基底处理

1）凿毛为确保无机微纳米物理改性胶凝材料与基底混凝土具有良好的粘结，一般用钢丝刷或喷砂方法清除表面浮层污物。如基面松动严重，应采用人工凿毛方法，凿掉破损的混凝土，使基底露出坚硬、牢固的混凝土面。凿毛必须彻底全面，但也不宜深度过大。

2）对凿除的混凝土表面，采用高压水枪将碎屑、浮尘冲洗干净，使凿完表层混凝土达到饱和状态，且表面无明水。

4.2 材料的配制

根据选用的材料、设计技术及施工和易性的要求进行提前试拌。现场可用搅拌机或人工拌和,将称好的无机微纳米物理改性胶凝材料和水混合后加入，充分搅拌均匀后即可。各组分配比必须严格控制，每次拌和的用量应根据施工的进程确定, 拌和成的存放时间不宜超过30 min。若未及时使用而出现干硬现象，不能再加水重新拌和，以免影响水灰比，应舍弃不用。

4.3 施工

1）无机微纳米物理改性胶凝材料涂抹之前，在工作基面上涂刷聚合物界面改性剂，涂刷时应均匀，不得有漏涂、流淌。

2）抹面施工时，待界面剂用手摸感到似粘非粘时，应立即抹无机微纳米物理改性胶凝材料，且朝一个方向，一次用力抹平，避免反复抹出现开裂问题。

4.4 养护

新材料混凝土固化时间短、强度增长快，在环境温度超过30 ℃时，应考虑采取降温措施。通常无机微纳米物理改性胶凝材料初凝后，在表面覆盖一层塑料薄膜，终凝后持续撒水养护。

4.5 施工控制

在施工过程中，严格执行相关规范，事先安排技术人员等掌握新材料施工工艺流程、性能及特性指标；施工过程中，监理旁站监督,遇到问题及时解决。在新材料混凝土强度达到50%左右时，用铁锤轻敲修补面，检查修补质量，敲击声清脆为合格，反之则需要凿除重新修补。

5 结语

无机纳米胶凝材料作为新型修补材料，具有良好的抗渗、抗冲磨性能，粘结性强，适用于大规模混凝土表层修补，与传统胶凝材料相比施工工艺简单、成本低。东丰中育水库修补完成后，经前期运行来看，其修复面表面光滑、平整，提高了混凝土的耐久性，提高了水工混凝土建筑的使用年限，控制了混凝土病害的进一步扩大。此次修复的质量达到了预想要求，同时也取得了良好的经济效益。同时进一步证明了无机纳米胶凝材料是一种可靠、稳定、经济、耐久的新型修复防护材料。