检查井喷涂砂浆配合比设计及喷涂修复工艺

司金艳 王光明 王灏

北京市市政工程研究院 100037

引言

在城市排水设施中，沿排水管道一般每隔30m ～50m就会设置一口检查井，以便工作人员通过检查井对排水管道进行检查和维护，因此检查井在城市排水系统中占据重要位置。但是由于汽蚀、车辆荷载、土体破坏等原因，检查井不可避免地出现渗漏、腐蚀、砂浆面层脱落、破裂、井周沉降、结构破坏等现象，使得检查井的破坏极为普遍。也正因此，检查井的修复工作十分的必要且艰巨［1］。

目前国内检查井修复主要有四类，原位浇筑内衬法、原位固化法、注浆法和喷涂修复法。原位浇筑内衬一般采用混凝土或无机砂浆类，修复后的内衬层与原井壁粘结性能好，但是强度较低，很难实现结构补强作用；原位固化法，类似于管道的紫外固化，但是由于检查井内有踏步，原位固化很难形成一个整体，从而影响修复后检查井的抗渗性能；注浆法是在井周浇筑混凝土或砂浆类，但是由于土体复杂性，很难保证将检查井全部包裹，修复效果大打折扣［2］。这三类修复方法只能对检查井起到防腐、防渗等功能性修复，无法达到结构补强的作用。

要达到对检查井的结构补强和功能修复，需要一种改性砂浆，具备良好的力学性能和抗渗、抗腐蚀的良好耐久性，同时具备易于施工和操作的特性。粘结强度、回弹量、流变参数都是配制喷涂砂浆的重要参数指标。本文以这三项指标为控制因素，通过分析不同组分对三项指标的影响，调整配合比，确定喷涂砂浆的最优化配合比，并介绍了喷涂修复的相关工艺。

1 喷涂砂浆配合比试验设计思路

喷涂砂浆的配合比以超高性能混凝土材料体系为基础，通过调整集料掺量和减水剂掺量，以粘结强度、回弹量、流变参数为控制指标，复配而成。

回弹量是喷涂砂浆施工中要考虑的因素。影响回弹的主要因素有三个，砂率、硅灰掺量和速凝剂掺量。若要有效减少喷涂砂浆回弹量，需要提高砂率，适当加入硅灰和速凝剂。在超高性能混凝土材料体系中，加入硅灰取代部分水泥，同时采用石英砂或细砂，没有石子，集料比表面积很大，材料均匀连续，可以有效减少回弹，因此可以采用UHPC材料体系中，水泥、级配石英砂和硅灰的掺量比例；另外为了有效控制回弹，需要在材料中加入适当掺量的速凝剂，使喷涂砂浆可以具备良好的保水性，同时可以快速凝结，附着于井壁，有效减少回弹量。

粘结强度决定了喷涂砂浆与原有井壁的贴合度，也是喷涂砂浆的一项重要控制因素。粘结强度与基材表面粗糙度、砂浆本身粘结性能、砂浆与基材相容性有关。超高性能混凝土材料与基材都属于无机材料，相容性很好，且其正拉粘结强度值远远大于基材的粘结抗拉强度，所以超高性能混凝土材料体系的粘结强度符合设计要求。

流变参数是水泥浆体材料流动性能、工作性能的重要指标。水灰比、硅灰掺量、减水剂掺量都会影响水泥浆体的屈服应力和塑性黏度的变化，通过试验可以确定水泥砂浆的最佳配合比及掺合料、外加剂的使用量，从而可以指导水泥砂浆的配合比设计或化学外加剂性能的改进。

综上所述，试验中水泥、硅灰、石英砂含量通过回弹量控制因素，确定其质量比遵循UHPC材料体系比例，为水泥∶硅灰∶石英砂＝29∶5∶39，

速凝剂掺量通过试验确定，此外硅灰掺量还需通过流变参数进一步复核。水灰比、减水剂掺量通过流变参数控制，并由力学性能指标和黏结强度进行复核。通过上述试验可以确定喷涂砂浆的最终配合比。

2 喷涂砂浆配合比各组分的确定

2.1 速凝剂掺量确定

水泥采用混凝土外加剂检测专用P.I 42.5 基准水泥，砂采用标准砂，胶砂比为1∶3，水灰比为0.4，速凝剂为无碱速凝剂，掺量从0 到5%，分别测定砂浆的初凝和终凝时间，以及砂浆的3d和28d 的抗折、抗压强度。其试验结果如图1所示。

图1 速凝剂掺量对砂浆性能的影响Fig.1 Influence of accelerating agent content on material property of mortar

通过图1 可以看出，速凝剂的的掺入可以有效减少水泥砂浆的初凝和终凝时间，当速凝剂掺量在1% ～3%时，降低幅度很大，当速凝剂掺量大于3%时，降低效果不太明显了，这是因为，加入速凝剂后，加速了钙矾石和硫铝酸盐的反应，而随着速凝剂掺量的增多，一方面，有效水化成份逐渐减少，另一方面，水化产物加速凝结，使得一部分水泥未发生水化反应就被水化产生的絮状物包裹，水化反应终止，因此，随着速凝剂掺量的增加，水泥砂浆早期强度逐渐增加，而后期强度先增加后降低，如图2、图3 所示。确定喷射砂浆中速凝剂的掺量为3%。

2.2 流变试验

1.试验方法

试验采用MCMR 可移动式混凝土砂浆流变仪测试机喷水泥砂浆的流变性，将要测试的水泥砂浆按照比例在搅拌机中搅拌均匀，倒入多功能测试釜，水泥砂浆达到测试釜的刻线位置，然后安装精密夹具，并与测试支架系统和流变仪主机相连，控制测试速度和搅拌力度；流变仪主机通过数据线与控制主机相连，利用主机的操作系统可以设置夹具参数，控制试验状态并记录数据。

2.水灰比对水泥砂浆流变性的影响

水泥采用混凝土外加剂检测专用P.I 42.5 基准水泥，砂采用标准砂，胶砂比为1∶3，水灰比分别为0.3、0.35、0.4、0.45、0.5，然后分别测试不同水灰比下，机喷水泥砂浆的流变参数。

表1 不同水灰比下砂浆流变参数Tab.1 Rheological parameters of mortar with different water-cement ratio

通过表2 可以看出，随着水灰比的增大，屈服应力和塑性黏度反而减小，这是因为随着水灰比的变化，浆体中自由水和浆体分散程度不同造成的。水灰比较低时，浆体中自由水较少，絮状结构物没有完全分散开，水泥浆体流动阻力较大，因此屈服应力和塑性黏度都较大，随着水灰比的增加，自由水变多，絮状结构物单元也更加分散，浆体之间的内摩擦力变小，流动阻力变小，所以屈服应力和塑性黏度都随之降低。

砂浆的流变性随着水灰比的增加而增加，良好的流变性是保证水泥砂浆良好施工性的基础，但是水灰比过大，水泥砂浆的力学性能降低，抗渗和耐腐蚀性都降低，而且流动度过大，喷涂砂浆回弹量会增大，会出现表面流浆等现象。

试喷试验中分别选取水灰比为0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 的水泥砂浆进行试喷试验，喷涂面如图2 所示，其回弹量及浆体挂壁情况汇总如表2 所示，水灰比在0.3 ～0.35 左右，喷涂回弹量小，喷涂表面光滑均匀，但是当水灰比为0.3时，塑性黏度过大，砂浆流动性较差，不利于喷浆送浆的连续性，所以确定最终的水灰比为0.35。

表2 不同水灰比试喷试验结果汇总Tab.2 Summary of test spray test results with different water-cement ratio

图2 喷涂面Fig.2 Spraying surface

3.硅灰含量对水泥砂浆流变性的影响

试验时水泥采用混凝土外加剂检测专用P.I 42.5基准水泥，砂采用标准砂，胶砂比为1∶3，固定水胶比0.35，硅灰掺量使用内掺法分别为2%、4%、6%、8%、10%，测试水泥浆体的流变参数。

表3 不同硅灰掺量下砂浆流变参数Tab.3 Rheological parameters of mortar with different silica fume content

由表3 可知，在保证水胶比不变的前提下，随着硅灰掺量的增加，屈服应力呈下降趋势，而塑性黏度反而增长。分析产生这种现象的原因是，硅灰颗粒形状大多为圆球形，表面光滑，在集料中起到滚珠作用，可以使集料表面润滑，所以屈服应力减小。而硅灰的密度比水泥小，当等量代替水泥后，会增加胶体体积，黏度就会增大［3］。

硅灰增加，水泥砂浆流动性增加，黏度增大。水泥浆体黏度过大，喷涂面层容易产生颗粒状鼓包现象，这是因为砂浆黏性过大，分子颗粒间连接性更好，喷涂时颗粒之间的黏聚力对喷涂出浆产生一定的影响，出浆速度不连贯，浆体也不是均匀喷出，另外浆体黏性过大，由于重力因素浆体在井壁未完全粘结时会产生流挂现象。因此硅灰在保证材料性能的前提下，应适当减少比例。当硅灰掺量为水泥掺量的6%时，其塑性黏度和屈服应力与水灰比为0.35 时的指标接近，符合施工需求，所以确定了硅灰的最佳掺量为6%。

4.减水剂掺量对水泥砂浆流变性的影响

聚羧酸减水剂是工程中较常用的外加剂之一，尤其对于流动性较差的水泥混凝土来说，高性能减水剂更是不可或缺的组分之一。本节从流变学角度分析高性能减水剂对水泥砂浆流变性能的影响。选用水灰比为0.5 的水泥砂浆，减水剂掺量分别为水泥质量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

由图3 可以看出，随着减水剂掺量的增加，水泥砂浆的屈服应力和塑性黏度均呈现下降趋势。其中，砂浆塑性黏度的变化较小；砂浆屈服应力的变化幅度随减水剂掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，减水剂掺量为0.2%时，砂浆的屈服应力降低幅度很大，但减水剂掺量达到0.3%后，砂浆屈服应力降低幅度明显减小。

图3 减水剂掺量对砂浆流变性的影响Fig.3 Influence of water reducing agent content on Rheology of mortar

加入减水剂后，砂浆的屈服应力和塑性黏度之所以会降低，一方面是由于减水剂的分散作用；另一方面，水泥颗粒表面吸附减水剂后，会形成具有一定强度的溶剂化水膜，破坏水泥的絮凝结构，释放出包裹在其中的拌合水。这些水释放出来后成为自由水，可以有效增加拌合物的流动性能，增大水泥净浆的流动度［4］。

另外，试验结果也说明了减水剂的掺量对水泥浆体的流动影响有一个临界点，超过临界点后，减水剂对水泥的流变性影响降低，这是因为减水剂在水泥水化过程中，会形成高分子链结构，互相穿插缠绕在水泥水化的絮状结构中，对流变的影响降低。由图3 可以看出，减水剂掺加量超过0.2%后砂浆塑性黏度和屈服应力降低趋势明显减缓。

通过对不同减水剂掺量的水泥砂浆力学性能指标试验，表明减水剂可以有效提高水泥砂浆的强度，但是超过一定范围后，提高效果降低，通过这些试验确定减水剂的掺量为0.2%。

2.3 检查井喷涂砂浆最终配合比

上述试验均为单一变量试配试验，考虑外加剂的协同效应，在上述试验基础上，试配5 组不同配比试验（表4），通过抗折、抗压、正拉粘结强度、凝结时间、塑性粘度等指标综合对比，确定检查井喷涂砂浆的最终配合比。

通过表5 数据显示，随着石英砂的增加，砂浆力学性能指标增加，塑性黏度也会增大；而减水剂得增加，使得砂浆强度增加，但是减水剂有缓凝和增加流动性的作用，塑性黏度过小会出现流浆和挂壁现象；速凝剂的加入会改变砂浆的凝结时间，在考虑尽量提高砂浆强度的前提下，需要保证施工时间和一定塑性黏度指标，综合权衡，确定检查井喷涂砂浆的最优配合比为序号2所列，具体各组分含量如表6 所示。

表4 检查井喷涂砂浆配合比Tab.4 Spray mortar mix ratio of inspection well

表5 不同配合比性能对比Tab.5 Performance comparison of different mix ratios

表6 检查井喷涂砂浆的最佳配合比Tab.6 The best mix ratio of spray mortar for inspection well

3 检查井喷涂砂浆与普通砂浆性能对比

普通砂浆和本文配制的检查井喷涂砂浆做对比，其中普通砂浆水泥采用混凝土外加剂检测专用P.I 42.5 基准水泥，砂采用标准砂，胶砂比为1∶3，水灰比为0.35。

3.1 粘结抗拉强度对比

检查井修复中，砂浆要与原井壁紧密结合，所以粘结抗拉强度是一个重要的力学性能指标。试验选取了普通砂浆和检查井喷涂砂浆作为对比，试验结果见表7。从表7 可以看出，配制的检查井喷涂砂浆比普通砂浆的粘结抗拉强度有显著提升，随着养护龄期的增加，粘结抗拉强度逐渐增大。其原因是由于硅灰与水泥和石英砂形成了级配连续和最优化的结构，有效成为了一个整体，高效减水剂的加入又使得结构更为紧密，很大程度上提高了喷涂砂浆的粘结抗拉强度。

表7 砂浆粘结抗拉强度结果（单位：MPa）Tab.7 Mortar bond tensile strength results（unit：MPa）

3.2 耐腐蚀性能对比

通过检查井的破坏形式可以看出，检查井井壁的汽蚀现象十分严重，这需要喷涂砂浆具备良好的耐腐蚀性能，本试验分别采用PH ＝2、7、13 的强酸、中性和强碱溶液，将制作的70mm ×70mm×70mm的普通砂浆试块和喷涂砂浆试块放到溶液中浸泡，2 个月后观测表面情况有无松散剥落坑槽等现象，观测其耐腐蚀性，并测试抗压强度有无损失，测试结果如表8 所示。从表8 可以看出，养护完后的喷涂砂浆试块抗压强度平均值为72.5MPa，普通砂浆试块抗压强度为42.5MPa，检查井喷涂砂浆的耐腐蚀性优于普通砂浆。这是因为喷涂砂浆致密的内部结构，阻止了水分的浸入，提升了材料的耐腐蚀性。

表8 砂浆防腐性能试验Tab.8 Mortar corrosion resistance test

4 检查井喷涂修复工艺及应用

4.1 检查井喷涂修复工艺

检查井喷涂修复中，通过控制提升下放速度可以控制每回次喷涂厚度为2mm ～3mm，采用多回次往复喷涂可以达到所需的内衬厚度。

在检查井喷涂修复之前要对检查井壁进行预处理，提高喷涂砂浆与原检查井壁的粘结性能。预处理包括：（1）井底铺设网袋，防止高压冲刷清洗产生的杂物掉入排水管道中，造成淤堵；（2）高压水冲刷掉检查井壁的杂物、灰尘等；（3）检查井壁应保证无油渍、污泥等，且检查井壁的松散脱落结构都应清除干净；（4）如果有局部渗漏、裂缝等，应先对局部结构进行修复后再进行喷涂修复；（5）如果检查井有大部分凹陷或结构脱落的话，应先用砂浆抹平，再进行喷涂修复。

预处理合格后，可以对检查井进行喷涂修复，其步骤包括：（1）打开检查井盖，通风；（2）配制修复材料；（3）通过旋喷机将配制好的修复材料多回次喷涂在检查井内壁；（4）24 小时后，用检测设备进行探伤检查，并复查修复后检查井内壁的喷涂层厚度、表面粗糙度、表面平整度和裂缝情况，并进行评估分析；（5）若修复后检查井内壁未达标，重复第三步。

4.2 检查井喷涂修复应用

经有关部门协调，选取北京市5 处检查井进行了喷涂修复试喷试验，经验证喷涂表面光滑平整，厚度均匀，无裂缝产生，28d 监测数据显示喷涂层无脱落、开裂情况，喷涂修复工艺适用于实际工程应用。喷涂修复过程如图4所示。

图4 检查井喷涂修复Fig.4 Spray of inspection well

5 结语

本文以超高性能混凝土材料体系为基础，通过粘结强度、回弹量、流变参数等确定检查井喷涂砂浆的优化配合比，优化后的检查井喷涂砂浆其粘结强度和耐腐蚀性等指标远远高于普通砂浆，并经实际喷涂验证，喷涂材料与检查井壁结合紧密，井壁表面光滑，喷涂修复工艺适用于实际工程应用，操作简便，易于施工。