输水隧洞混凝土表面喷涂丙乳净浆性能及其应用研究

崔德浩,唐建辉,张 伟,田嘉麟,白 银

(1.深圳市东江水源工程管理处,广东 深圳 518036;2.南京水利科学研究院 材料结构研究所, 江苏 南京 210029)

长距离输水工程对于缓解城市用水压力起到了十分重要的作用,如南水北调工程、东江水源工程等[1-2]。这类输水工程通常包含渠道、管道、隧洞等多种混凝土建筑物。但在长期高速水流冲刷下,这些混凝土建筑物表面出现了不同程度的剥落、磨损等病害问题[3-4]。如不进行及时修补,会进一步加剧混凝土结构破坏,影响建筑物的正常运行,降低服役时间。

表面修复材料是一种快速提高既有混凝土结构耐久性能的有效措施,从化学成分上看修复材料可分为无机修复材料(地聚合物、水泥基渗透结晶等)、有机修复材料(环氧树脂、聚脲、丙烯酸树脂等)和有机-无机类修复材料(环氧胶泥、聚合物改性水泥等)[5-6]。无机修复材料具有黏结强度高、性能稳定、环保、施工方便且成本低的优势;有机修复材料通过自身成膜的性质在混凝土表面形成致密的防护层,但成本较高且存在长期老化问题;有机-无机修复材料可结合两者的优势,满足不同的工程防护需求,其中聚合物水泥类材料以其优异的黏结性能、良好的力学性能等特点被广泛应用于该领域[7-8]。聚合物水泥修复材料是指通过掺入一定比例的聚合物对无机材料进行改性,常见的聚合物乳液包括环氧乳液、丁苯乳液、丙烯酸系乳液和聚醋酸乙烯酯共聚物乳液等[9],可根据需求进行性能设计与应用。如李成[10]将丙乳砂浆应用在水利工程混凝土修补补强中;邢小光等[11]发现苯丙乳液的掺入能够显著提高改性砂浆的抗折强度;朱建辉等[12]以聚合物改性超细水泥灌浆材料,制得了具有良好可灌性的修补材料。在实际应用中,根据建筑物表面混凝土缺陷的深度不同、使用的环境不同、所应具备的功能结构不同等应匹配其各自相适应的修补方法,如刮涂、喷涂、辊涂等[13-15]。就长距离输水隧洞而言,一方面隧洞衬砌混凝土因水流冲刷而呈现大面积的表面剥蚀,另一方面因停水检修期短而需要采用具有快速施工特性的修复材料。综合来看,易采取喷涂聚合物水泥净浆的方式进行修复。然而,现有的研究集中在聚合物改性水泥后的强度、抗渗性及耐久性方面[6,16],缺乏对喷涂聚合物水泥净浆的性能研究。事实上,若要采用喷涂方式施工,首先要保证材料具有良好的流动性,其次是合理的喷涂时间间隔(可操作时间)。因为聚合物的成膜特性,喷涂时间间隔太久会影响后续喷涂材料的黏附效果。

基于此,本文以丙烯酸酯共聚乳液改性水泥(丙乳净浆)为研究对象,通过对其工作(流动度和可操作时间)和力学性能(抗拉、抗压和抗折强度)的研究,提出用于输水隧洞混凝土表面防护喷涂施工的性能要求,并在东江水源工程中进行应用,研究成果可为相关工程提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

丙乳净浆由聚合物-丙烯酸酯共聚乳液(丙乳)和P·O 42.5海螺水泥组成,其中采用的丙乳型号为NYS丙烯酸酯共聚乳液,外观呈现乳白微蓝乳液状,固含量为(40±1)%,pH为2.0～4.0。

影响丙乳净浆性能的主要因素为聚灰比P/C(丙乳与水泥的质量比)和乳液浓度W(丙乳占丙乳和水的质量比),因此试验设计了2组试验,一组固定乳液浓度为100%,聚灰比分别为1.0∶1.5、1∶2、1.0∶2.5和1∶3;另一组固定聚灰比1.0∶2.5,乳液浓度分别为100%、90%、70%、50%、30%、10%、0%。

1.2 试验方法

丙乳净浆的力学性能包括抗压、抗折和抗拉强度,依据DL/T 5126—2021《聚合物改性水泥砂浆试验规程》的相关要求,采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体模具,制作用于抗折和抗压强度测试的试件,采用“8”字型砂浆试模测试抗拉强度。丙乳净浆的工作性能包括流动度和可操作时间,流动度依据GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》截锥圆模法进行。可操作时间是在丙乳净浆配置后至规定条件下能维持施工性能的时间,这里采用胶结强度法进行测试,该试验先在“8”字型试模中浇筑一半丙乳净浆,然后分别在0.5、1、2、4、8、24、48 h之后浇筑另一半丙乳净浆。试验测试见图1,力学性能和可操作时间的测试均在试样养护3、7、14、28 d之后进行。

a)抗折

抗拉

流动度

2 试验结果

2.1 流动度

图2为不同聚灰比和乳液浓度对丙乳净浆流动度的影响,图2a中可以看到丙乳净浆流动度随着聚灰比的减小而减小。这是因为随着水泥掺量的增加,丙乳净浆变得越来越浓稠,黏度逐渐变大,流动性因此减小。图2b可以看出,随着乳液浓度的增加,丙乳净浆的流动度呈现先增大后减小的特征,其中在乳液浓度达到70%时丙乳净浆的流动度达到最高,为23.45 cm。而当乳液浓度为0%,也即是无丙乳的水泥净浆,流动度为最低,仅有10.7 cm。这表明丙乳的加入可以改善水泥净浆的流动性,并且乳液浓度在50%～70%改善效果较佳,这是因为丙乳是小粒径的单体共聚乳液,它的加入起到了一定的润滑作用。

a)聚灰比

2.2 力学性能

2.2.1抗拉强度

图3为不同聚灰比和乳液浓度对丙乳净浆抗拉强度的影响,图3a中可以看到随着聚灰比的减小,相同龄期下的丙乳净浆抗拉强度逐渐增大,这主要是因为丙乳净浆强度主要取决于水泥强度发展,水泥相对含量越多,水化产物越多,抗拉强度也就越大。在图3b中,总体上随着乳液浓度的增加,各龄期的抗拉强度也随之升高,表明丙乳的加入提高了水泥净浆的抗拉性能。

a)聚灰比

a)聚灰比

a)聚灰比

2.2.2抗压和抗折强度

图4a为不同聚灰比的丙乳净浆抗压强度,抗压强度随着聚灰比的减小而增大,规律和抗拉强度一致。在图4b的不同乳液浓度下,总体上抗压强度随乳液浓度的降低而增大,这在后期(14 d以后)特征更加明显。此外,还观察到在乳液浓度高于50%时,抗压强度变化较为平缓,也就是说在该乳液浓度范围内不会对抗压强度产生大的影响。对于图5的抗折强度而言,聚灰比对抗折强度的影响规律与抗压强度一致,而乳液浓度与抗折强度的关系却与抗压强度相反。随着乳液浓度的增加,丙乳净浆的抗折强度升高,并且这种特征在后期更加明显。

2.2.3压拉强度比

衡量材料脆性的另一个重要方面是抗压强度和抗拉强度的比值,比值更小则脆性更低。为此,绘制了丙乳净浆在不同龄期的压拉强度比(图6)。在图6a中不同聚灰比下,压拉强度比随着聚灰比的减小而增大,这表明水泥掺量的增多使得丙乳净浆的脆性增加,降低了韧性。对于不同的乳液浓度(图6b),随着乳液浓度的降低,丙乳净浆的压拉强度比表现出先平稳(浓度从50%～100%)后快速上升(0%～50%)的特征。以28 d的曲线为例,乳液浓度在0%、50%和100%时的压拉强度比分别为15.98、5.48和5.07。浓度从100%下降到50%时,压拉强度比增幅明显很小,而从50%下降到0%时,压拉强度比增加了2.92倍。这个特征说明丙乳的添加有效增强了水泥浆体的韧性,但过高的乳液浓度对韧性的提升效果降低。

a)聚灰比

2.3 可操作时间

为获得丙乳净浆合适的施工操作时间,在不同时间间隔下丙乳净浆层间黏结强度随龄期的变化见图7,总体上可以看出层间黏结强度随着浇筑时间间隔的延长而降低。在0.5～1.0 h内,黏结强度有显著的下降;在1～4 h内,黏结强度曲线较为平稳;从4～48 h内,黏结强度不断降低。这表明施工时间间隔对丙乳净浆的层间黏结强度具有显著的影响,这与丙乳乳液失水形成的膜结构特征有关。在早期乳胶粒子逐渐聚合形成贯穿水泥浆体间的薄膜,后浇筑的丙乳净浆因为薄膜的存在而在层间形成微缺陷。浇筑间隔时间越长,聚合物薄膜形成越充分,层间的微缺陷越多,导致宏观黏结强度的下降。因此,考虑最终的修复质量,建议丙乳净浆的层间施工间隔应小于1 h。

图7 丙乳净浆层间黏结强度随时间的变化

3 工程应用

通过上述研究,聚灰比、乳液浓度和施工时间对丙乳净浆的工作和力学性能影响显著。若采用喷涂的施工工艺,丙乳净浆的流动度不低于20 cm,因此选择聚灰比为1.0∶2.5的配比。乳液浓度低于50%时丙乳净浆的力学性能有明显的降低,考虑到经济性,以50%的乳液浓度作为优选浓度。因此,优选后的丙乳净浆防护材料的配比为丙乳∶水∶水泥=0.5∶0.5∶2.5,可操作时间为1 h。

依托于深圳市东江水源工程,对丙乳净浆防护材料进行了现场应用,施工过程见图8。图8a为原始基层,覆盖了一层泥浆,需进行清理;图8b采用高压水枪清洗输水隧洞混凝土基面,使得表面无淤泥附着、无松散骨料,露出坚硬牢固的新基面;图8c制备丙乳净浆,根据优选的丙乳净浆配比,采用手持式双叶轮搅拌机进行搅拌,搅拌时间约3 min,确保水泥颗粒均匀分散在丙乳中,浆液中无团状水泥块;图8d为喷涂丙乳净浆底层。采用喷涂机进行施工,共喷涂3层,总厚度约1 mm。第一遍从左至右均匀喷涂,喷涂宽幅约2.5～3.0 m,待第一遍喷涂完毕约20 min由上至下喷涂第二遍,第一遍与第二遍喷涂方向呈“十”字型交叉施工,施工间隔不超过1 h;图8f丙乳净浆喷涂完成后,自然养护即可。在养护7 d时在表面进行钻孔,黏贴拉拔头,进行直接拉拔试验,测试拉拔强度,评估黏附效果。

a)原始基础

表1给出了输水隧洞混凝土基体、经丙乳净浆修复后7 d和通水运行1 a后的拉拔强度,可见原始基体在长期通水后表面平均拉拔强度仅为0.34 MPa,表现出表面砂浆的破坏。喷涂丙乳净浆7、1 d后与混凝土的平均黏结强度分别为0.81、3.20 MPa,并且均表现为基体的破坏,表明采用丙乳净浆进行隧洞表面防护可以增强混凝土基体,并且形成很高的黏结强度。

表1 拉拔强度统计

4 结论

a)丙乳净浆流动度随着聚灰比的减小而减小,随着乳液浓度的降低呈现先增大后减小的特征,其中在乳液浓度达到70%时丙乳净浆的流动度达到最高。

b)随着聚灰比的减小,丙乳净浆的力学性能均增大;但随着乳液浓度的降低,丙乳净浆抗压强度强度升高,抗拉和抗折强度降低。通过压拉强度比发现,乳液浓度的提高可增加丙乳净浆的韧性。

c)丙乳净浆层间黏结强度随着浇筑时间间隔的延长而降低,建议施工间隔不超过1 h。综合考虑下,最佳的丙乳净浆防护材料的配比为丙乳∶水∶水泥=0.5∶0.5∶2.5。

d)实际工程应用表明,采用丙乳净浆进行隧洞表面防护可以增强混凝土基体,并且形成很高的黏结强度,可为类似混凝土表面防护提供参考。