引水隧洞混凝土裂缝修补后抗侵蚀性分析

吕 垚

（江西信江水利电力勘察设计有限公司，江西 上饶 334600）

0 引 言

引水隧洞是工程建设中经常选用的一种施工类型，在建设的过程中，主要依靠钢筋混凝土结构，利用其作为隧洞的永久衬砌。在施工和隧洞后期运行的过程中，混凝土结构上都可能出现裂缝，由其引发的安全事故频繁发生，因此应当引起相关负责人员的高度重视，并将混凝土结构修补作为重点研究内容[1]。当混凝土结构上出现裂缝时，常见的修补材料包括两种，一种为有机物材料类，另一种为无机物材料类[2]。混凝土裂缝的修补效果主要取决于新材料与旧材料临界位置上的粘结力。在利用有机材料完成修补时，通常使用环氧树脂，利用这一材料的强粘结性实现修补[3]。只有在新旧临界面上具备良好的粘结强度，才能够确保混凝土整体承载力的提升。因此，为了进一步提升混凝土结构的抗侵蚀性，本文将开展下述实验研究。

1 实验对象与方法

1.1 实验研究对象

为实现对引水隧洞混凝土结构裂缝在修补完成后抗侵蚀性能的探究，选择以某引水隧洞施工项目为例，针对该工程项目中使用的混凝土材料，对其在修补后的抗侵蚀性进行具体分析[4]。该引水隧洞施工项目中共包含5条输水隧洞，其总长度为135km。在施工过程中，利用全断面挖掘机进行施工，其总长度为117km，纵向坡度为1/3000和1/2130，相应的洞口横截面直径为6.2～7.5m。采用钻爆法进行施工，钻爆施工长度为25km，在钻爆施工时隧洞断面结构表现为标准马蹄形，纵向坡度为1/5600和1/4000，对应的洞口横截面直径为6.2～7.5m。该引水隧洞岩石破碎较为严重，并且在隧洞的周围存在不稳定的围岩，自稳能力较弱，属于IV类型围岩[5]。施工过程中所使用的混凝土材料包含三种不同等级，分别为C50等级、PEC50等级和C60等级，表1为三种等级下混凝土材料的力学性能记录表。

表1 三种等级混凝土材料的力学性能记录表

在对混凝土结构进行修补时，采用NR修补材料，该材料密度为1.13g/cm3；粘度为100～500MPa·s；拉伸强度为20～40MPa；弯曲强度为40～90MPa。

1.2 实验材料与设备

在对上述混凝土结构浇筑材料进行制备时，所需材料包括水泥、粉煤灰、砂、石子、水等，除此之外，根据混凝土制备条件，添加适量减水剂和聚丙烯纤维[6]。选择的水泥材料为52.5MPa硅酸盐水泥，该规格水泥符合混凝土材料配比的基本性能要求，浇筑材料当中的细集料采用细度模数为2.1的河沙；粗集料采用粒径在5.5～25.5mm范围内的玄武岩碎石[7]。上述三种不同等级的混凝土采用的材料配合比均不同，表2为三种等级混凝土配合比对应表。

表2三种等级混凝土配合比对应表 kg/m3

本文实验当中选用的聚丙烯纤维的单丝纤度≤2.2 dtex；燃点为590℃，将其应用到对混凝土浇筑材料的制备当中可以有效提高混凝土的抗裂性、抗渗性以及抗冲模性[8]。同时，材料当中的聚丙烯纤维能够实现均匀分布，以期能够起到良好的微配筋作用，确保混凝土结构的完整性，避免混凝土结构受到冲击时产生分散成许多碎片问题产生[9]。

针对上述实验研究对象，为实现对混凝土抗压强度的测定，选择型号为YAW-30T的非金属材料岩石万能试验机作为实验的测量设备。YAW-30T试验机的电源为220V；重量为500kg；测力精度为1N；测力范围在12～300KN之间；控制方式为微机控制；压板尺寸为125mm；压缩空间为200mm；试验行程为100mm；两个立柱之间的间距为300mm；试验速度为0.05～50mm/min[10]。同时，利用该实验设备在对混凝土的抗压强度进行测量时，其相对误差不超过±1%，充分符合本文实验的实验数据精度要求，也能够使实验最终得出的结论更具备说服力。

1.3 实验分析方法

在实验过程中，通过对氯离子渗透情况的探究可实现对混凝土裂缝修补后氯盐侵蚀性的直观分析。在实验过程中，结合NEL法对混凝土结构上氯离子渗透情况进行测定，在实验开始前对本文实验的研究对象进行真空饱盐处理。在实验开始时，将试件表面的水分擦干，并将其放置在规格为Φ50mm的夹具当中，针对其进行实验探究。对其表面上产生的裂缝结构利用上述选择的NR修补材料进行修补。在完成对混凝土裂缝的修补后，为探究其抗氯盐侵蚀性能，选择将Cl的扩散系数作为评价指标，Cl扩散系数越大，则说明修补后混凝土抗氯盐侵蚀性能越差，反之Cl扩散系数越小，则说明修补后混凝土抗氯盐侵蚀性能越强。Cl扩散系数可通过下述公式计算得出：

上述公式中，D表示为混凝土裂缝修补后受到氯盐侵蚀时Cl的扩散系数；P表示为周围环境中的气体总压，单位为Pa；T表示为周围环境中的气体温度，单位为K；M表示为氯盐中各物质组成的摩尔质量，单位为kg/kmol；v1和v2表示为氯盐当中两种分子的扩散体积。通常情况下，氯盐侵蚀时，在环境温度为272K时，Cl的扩散系数为1.25，将这一数据作为依据，为后续抗氯盐侵蚀性能分析提供依据。

2 实验结果分析与讨论

2.1 修补后混凝土抗氯盐侵蚀性能分析

按照上述实验方法，先针对完成修补后混凝土结构的抗氯盐侵蚀性能进行分析。将通过上述公式计算得出的Cl的扩散系数记录，并将相关数据统计，绘制成如图1所示的混凝土裂缝修补后Cl扩散系数统计图。

图1 混凝土裂缝修补后Cl扩散系数变化图

从图1得出的实验结果可以看出，三种不同强度等级的混凝土材料，其在修补前后基体的Cl扩散系数均超过了1.5×10-8，基体修补前Cl扩散系数按照从大到小的排序依次为：C50＞PFC50＞C60；修补后Cl扩散系数按照从大到小的排序依次为：PFC50＞ C50＞C60。同时，C50混凝土本身修补前的Cl扩散系数与修补后相比更大；PFC50等级混凝土本身修补前的Cl扩散系数与修补后相比更大；C60等级混凝土本身修补前的Cl扩散系数与修补后相比更小。通过上述Cl扩散系数可以进一步分析得出修补后混凝土的抗Cl渗透性能的优劣。结合图1所示内容可以进一步分析得出，采用NR修补材料对混凝土裂缝进行修补时，该材料能够针对C50等级混凝土提供更有效的修补效果，有效降低了Cl离子的扩散。修补材料在完成对混凝土裂缝的修补后，其与混凝土基体之间出现了粘结，而粘结程度会在极大程度上影响到混凝土结构对Cl离子的抗渗透能力。从实验得出的结果可以看出，修补材料能够使其与混凝土基体之间形成良好的粘结效果，并且能够在裂缝修补位置上形成致密的封闭结构。在这一结构的作用下，修补界面上的水分逐渐降低，因此对于材料固化成膜而言具有一定促进作用，实现对微裂缝、毛细孔等结构的封堵，除C60等级混凝土材料以外，NR修补材料针对其他两种混凝土材料均具有良好的抗Cl离子渗透能力的改善作用。2.2 修补后混凝土抗硫酸盐侵蚀性能分析

完成上述对修补后混凝土抗氯盐侵蚀性能分析后，再针对修补后混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能进行探究。将抗压强度作为评价混凝土修补后抗硫酸盐侵蚀性能的量化评价指标。若修补后的抗压强度越高，则说明混凝土修补后抗硫酸盐侵蚀性能越强；反之，混凝土的抗压强度越低，则说明混凝土修补后抗硫酸盐侵蚀性能越弱。根据上述论述，将利用YAW-30T的非金属材料岩石万能试验机测得的混凝土试件抗压强度数据记录如表3所示。

表3 修补后混凝土抗压强度记录表

结合表3中的数据可以看出，在利用NR修补材料完成对三种不同类型混凝土的裂缝修补后，各个混凝土的抗压强度均得到提升，但提升程度不同。其中，混凝土PFC50类型修补前后抗压强度对比差值最大，说明NR修补材料对于这一类型混凝土的裂缝修补具有更强的促进作用。通过上述论述，从混凝土的抗压强度可以实现对其修补后抗硫酸盐侵蚀性能的分析，因此结合上述得出的实验结果可以看出，NR修补材料针对三种混凝土类型对其裂缝进行修补时，针对PFC50类型混凝土的提升程度更明显。进一步分析得出，NR修补材料本身具有良好的抗硫酸盐侵蚀能力，并且在修补的过程中，在修补裂缝位置上形成更加致密且光滑的封闭层结构，能够有效阻止硫酸盐当中SO42-离子进入到混凝土内部结构当中，以此达到提升混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的提升。

3 结 语

通过本文上述论述，选择以某引水隧洞建设工程项目为例，针对该工程中使用的混凝土构件作为实验研究对象，针对其表面产生的裂缝进行修补，并对修补后混凝土的抗侵蚀性进行分析。本文从抗氯盐侵蚀性和抗硫酸盐侵蚀性共两个方面进行探究，从得到的实验结果分析得出NR修补材料的应用可行性方案。结合本文上述论述得出的结论，针对其他相似工程项目中的混凝土裂缝进行修补可针对性地选择能够促进混凝土基体抗压强度和抗Cl扩散的修补材料。

以此确保得到预期的混凝土裂缝修补效果，确保引水隧洞工程的质量和运行的安全性和稳定性。