寒区水工混凝土耐久性质量控制技术的研究

2018-08-28李向东熊复慧马耀辉周丽娜

水利科学与寒区工程 2018年6期

李向东，熊复慧，马耀辉，张恒，周丽娜

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江哈尔滨 150080)

黑龙江省处于严寒地区，使用条件处于动态和静态荷载复合作用下的水工混凝土建筑物所处的自然环境和应用环境相对比较严酷，对水工混凝土的耐久性要求更为严格。由于水工混凝土建筑物的耐久性不良导致混凝土建筑物破坏现象屡见不鲜，不仅影响了混凝土工程的正常运行，限制了工程效益的发挥，而且每年都耗用大量的维修资金，造成较大损失。

针对如何提高混凝土耐久性质量控制等问题，黑龙江省水利科学研究院开展了寒区混凝土改性掺合料的使用、表面防护材料的处理、裂缝机理分析及处理和新型纤维增强干粉修补砂浆应用等多角度的质量控制技术研究。这些研究的技术成果与产品在寒区水工混凝土中进行了应用，取得了很好的应用效果，不仅显著改善了新拌混凝土的和易性，提高了劳动生产率，改善了混凝土的耐久性，而且减少了工程运行管理单位对工程的维护费用，延长工程的服务年限。

1 复合增钙液态渣粉水工混凝土

1.1 复合增钙液态渣粉

复合增钙液态渣粉来源于以燃煤立式旋风炉为主要炉型的热电厂。热电厂向下排放的呈熔融液态的工业副产品，由于其含有较高的活性潜能组分，被称作增钙液态渣。增钙液态渣在排出时经高压水骤冷而形成水淬渣，其经适当烘干，去除水分，磨细后成为增钙液态渣粉。由于增钙液态渣粉在磨细过程中具有易碎不易细的特性，为了满足混凝土掺合料的性能要求和配制不同等级混凝土的需要，在磨细过程中，加入适量的其他助磨材料或混凝土改性材料，共同构成了复合增钙液态渣粉[1-2]。

1.2 复合增钙液态渣粉对水工混凝土性能的影响

通过对掺加复合增钙液态渣粉的水工混凝土长期力学试验、使用外加剂匹配性能试验、耐久性能测试与评价、耐久性能影响研究及孔结构分析对比，以及SEM照片分析对比研究复合增钙液态渣粉水工混凝土性能。

(1)复合增钙液态渣粉作为一种新型混凝土掺合料，比强度较大，需水比小，化学外加剂匹配性好，水化热低，体积安定性好。可以改善新拌混凝土的和易性，调整混凝土内部结构和界面状态，显著降低了混凝土水化热，提高混凝土的密实度。由于复合增钙液态渣粉的水化滞后于水泥的水化，减缓了水化热释放速率，避免了水化放热峰值的叠加，大大降低了混凝土内部的放热峰值，有效地降低了混凝土中的水泥水化热以及由水化热引起的混凝土缺陷，改善混凝土的耐久性能。

(2)复合增钙液态渣粉替代部分水泥，对混凝土的早期强度具有一定影响，但混凝土在标准养护28 d之后，复合增钙液态渣粉混凝土的强度增长率明显超过基准混凝土，呈快速上升趋势，其后期强度接近甚至超过基准混凝土。

(3)试验表明，复合增钙液态渣粉活性的发挥需要一定的养护龄期，一般应以60 d甚至90 d养护龄期来作为评定标准。复合增钙液态渣粉混凝土的收缩小于基准混凝土，具有很好的抗碳化能力，而渗透系数则低于基准混凝土，抗渗性能出色。

(4)复合增钙液态渣粉水工混凝土的孔结构分析和SEM照片分析表明，虽然复合增钙液态渣粉水工混凝土的早期强度低于基准混凝土，但在混凝土的后期，尤其是60 d之后，复合增钙液态渣粉与Ca(OH)2发生二次水化反应，生成CSH凝胶，并为水泥熟料水化反应提供更多的水化沉淀场所，从而促进未水化水泥熟料的进一步水化，填补混凝土中的孔洞和缺陷，使混凝土孔径分布集中于50～100 nm区间内，改善了孔隙结构，优化了混凝土的性能。

(5)复合增钙液态渣粉的各种组分在混凝土中充分发挥了形态效应、活性效应和微集料填充效应。这些组分的复合，对混凝土的早期强度，尤其是后期强度，形成了叠加效应。

1.3 复合增钙液态渣粉水工混凝土的应用

作为新型矿物掺合料，复合增钙液态渣粉在黑龙江省依兰灌区学兴渠首工程等多个项目中进行了应用。

如在依兰灌区学兴渠首工程中(图1)，增钙液态渣粉作为混凝土掺合料替代水泥，优化混凝土配合比，较大比例降低水泥用量，降低水化热，能够充分利用复合增钙液态渣粉的微集料填充效应和活性效应，其配合外加剂使用能显著提高混凝土的耐久性。该工程混凝土坍落度控制在180～220 mm之间，混凝土拌合物的含气量控制在3.5%～4.5%之间。具体配合比见表1。

表1 C20F200水工混凝土配合比 kg/m3

图1 依兰灌区学兴渠首工程

工程实践发现：复合增钙液态渣粉的使用能有效降低混凝土单方水泥用量和需水量比，提高混凝土的黏聚性、流动性和密实度，改善新拌混凝土的和易性及可泵性，提高泵送效率，减少输送新拌混凝土时的泵送阻力，混凝土不离析，可连续泵送，提高混凝土生产效率。另外复合增钙液态渣粉混凝土内部均匀密实，外观质量良好，物理力学性能满足设计要求，表面光洁，后期抗渗性能、抗冻性能得到提高，可替代水泥用量20%～40%，降低混凝土成本，具有良好的经济性和实用性[3]。

2 寒区水工混凝土无机类耐久性防护剂

2.1 无机类耐久性防护剂研制

研制开发的寒区水工混凝土无机类耐久性防护剂可通过涂刷、喷涂等施工工艺应用于混凝土的表面。防护剂可以渗入到混凝土表面20～40 mm 以上，各组分深入混凝土内部，通过反应结晶固化，其反应产物填充、堵塞和隔断混凝土中的孔隙，提高表层混凝土的密实度和憎水性，降低混凝土表层的吸水性，阻止环境有害介质对水工混凝土的侵害，有效提高水工混凝土的耐久性[4-5]。主要对无机类耐久性防护剂配制技术、主要耐久性指标影响的评估与对比试验测定及应用工艺进行了深入研究。

(1)使用分离大颗粒法解决水工混凝土无机类耐久性防护剂存放稳定性问题，在常温下稳定存放3个月以上；掺加助剂提高防护组分的渗透性，渗透深度提高50%以上。

(2)试验表明，使用水工混凝土无机类耐久性防护剂后，颗粒填充混凝土基层孔隙使混凝土结构密实，混凝土吸水率减小，C20和C30混凝土的24 h吸水率较基准件分别可以降低18.7%和17.5%；C20和C30混凝土试件的抗渗能力至少可以提高0.2 MPa，即一个抗渗等级以上；混凝土的抗碳化能力有很大的改善，标准条件下碳化14 d后，C20和C30混凝土试件的碳化深度分别可以降低21.6%～39.7%和21.2%～37.4%；混凝土强度也有所增加，C20和C30混凝土试件的抗压强度提高了10%～18%。

(3) 试验表明，使用新型水工混凝土无机类耐久性防护剂后涂刷层与混凝土基层材料界面密实、稳定，混凝土试件的12 h磨损质量比基准件的磨损质量小。相同情况下，C30混凝土试件的质量损失至少比基准件少20.3%，C20试件的质量损失至少比基准件少33.3%。

(4)试验表明，使用水工混凝土无机类耐久性防护剂后，防护剂与混凝土中水泥水化产物发生水化反应生成新的产物使原较疏松的混凝土结构密实，混凝土的抗冻效果更加突出，C20和C30混凝土试件的抗水冻循环次数提高了76%和89%,抗盐冻能力(以表面剥蚀量计)可以提高一倍左右[6]。

2.2 无机类耐久性防护剂工程应用

寒区水工混凝土无机类耐久性防护剂研发后，先后在黑龙江省龙头桥水库溢洪道补强修复工程、镜泊湖水库溢流坝裂缝处理工程、大庆洪湖水库泄水闸补强修复工程等多个水利工程中多种界面进行应用，取得了良好的效果。

如在龙头桥水库溢洪道补强修复工程中，水工混凝土无机类耐久性防护剂应用部位为新聚合物砂浆表面，喷涂处理面积236 m2。防护剂通过渗入反应结晶固化，提高表层的密实度和憎水性，降低表层的吸水性，密闭砂浆孔隙提高聚合物砂浆的抗渗、抗冻性能，从而提高聚合物砂浆的耐久性，该工程实施7 a来，多次回访观察处理界面，外观质量良好[7]。

防护剂表面防护处理施工图见图2和图3。

图2 防护剂表面防护处理

图3 防护剂表面防护处理

3 高寒地区水工混凝土裂缝机理及防护措施

3.1 高寒地区水工混凝土裂缝机理的分析

寒冷地区水工混凝土的破坏方式多为综合因素作用下的破坏，尤其是冻融破坏后，渗透性能下降[8-9]。该研究采用冻融与渗透耦合、裂缝与渗透耦合方法分析了高寒地区水工混凝土裂缝机理，揭示了高寒地区水工混凝土的劣化规律。通过冻融后或者预制裂缝后水工混凝土的电通量变化评价水工混凝土渗透性能，并通过计算模拟的方式进行分析，得到寒冷地区水工混凝土的渗透性能随着冻融循环次数的增加而明显增加，说明寒冷地区水工混凝土的内部裂缝也是随着冻融的作用增加的，揭示了水工混凝土的渗透性能和冻融之间的关系，为寒冷地区使用的水工混凝土在实际环境下的耐久性研究提供基础和评价方法。

3.2 水工混凝土的防裂技术研究

采用复合矿物掺合料和超强吸水聚合物(SAP)内养护技术联合的方式克服了水工混凝土施工初期开裂的问题。首先从原材料的角度出发，采用大掺量矿物掺合料和聚羧酸减水剂相结合的方式制备水工混凝土，获得性能良好的水工混凝土，降低水工混凝土的裂缝发生。其次，从养护方法上进行防裂技术研究，在水工混凝土中引入内养护技术。内养护技术是将吸水性材料拌入到混凝土中，通过在配制水工混凝土的初期，吸收水分，在水化后期，内部相对水分不充足的情况下，及时补充水分，使得混凝土内部的水化持续进行，调节混凝土内部湿度分布状态，减少混凝土初期的水分蒸发，缓解内部自收缩以及干燥收缩的问题，达到预防水工混凝土开裂的目的。

3.3 水工混凝土裂缝的地质聚合物修补料

探索了新型的水工混凝土修补料——地质聚合物修补料，并在实际工程中成功应用。该修补料的凝结硬化速度快，流动性良好，可用于细小裂缝的灌注，可以对已经形成的裂缝进行及时修补，起到防止裂缝继续扩展的作用。

4 寒区水工混凝土纤维增强干粉修补砂浆

4.1 纤维增强干粉修补砂浆

通过无机有机多组分高性能材料在砂浆中的协同作用机理研究，获得聚丙烯纤维干粉砂浆、玄武岩纤维干粉砂浆、混合纤维干粉砂浆等新型纤维增强干粉修补砂浆[10]，并结合界面胶、玄武岩纤维棒、无模板施工工艺等形成寒区水工混凝土修补材料技术。解决界面耦合效果不好，克服环境恶劣、施工条件困难，节省工期、资金等多方面作用。

4.2 纤维增强干粉修补砂浆性能研究

针对纤维增强干粉修补砂浆的性能研究，比较聚丙烯纤维干粉砂浆、玄武岩纤维干粉砂浆、混合纤维干粉砂浆的技术特点。

(1)聚丙烯纤维能够提高砂浆的早期和后期的抗压强度，在掺量为0.6 kg/m3时强度提高最大，聚丙烯纤维在一定的掺量范围内对砂浆的后期抗折强度起到很好的提高作用，但是超过这个范围后对砂浆的抗折强度没有帮助甚至降低其抗折强度。

(2)玄武岩纤维能够明显提高砂浆的早期强度，在一定范围内掺量越大强度越高，原因是玄武岩纤维本身的性能在砂浆中能够起到骨架的作用。玄武岩纤维掺量对砂浆的后期强度增长影响减小，最高强度值提高不到7%。

(3)聚丙烯纤维随着掺量的增加，砂浆流动度先升高后降低，掺量超过0.9 kg/m3之后聚丙烯纤维的增稠效果更加明显，流动度降低超过10%；而玄武岩纤维在0.9 kg/m3范围内能够提高砂浆的流动度，超过0.9 kg/m3之后才呈下降趋势。通过比较可以看出聚丙烯纤维对砂浆增稠作用非常明显，而玄武岩纤维在1.2 kg/m3掺量范围内对砂浆的流动度是起到增加的作用的，超过这个值后增稠效果明显，砂浆流动度开始降低。

(4)纤维干粉修补砂浆的28 d抗压强度均高于基准砂浆，其中聚丙烯纤维干粉砂浆强度比基准砂浆提高35.6%，玄武岩纤维干粉砂浆强度比基准砂浆提高30.9%，混合纤维干粉砂浆强度比基准砂浆提高27.2%，并且三种纤维干粉砂浆强度均超过50 MPa。这表明三种纤维干粉砂浆均满足修补砂浆的强度要求，有较高的抗压强度。

(5)三组纤维干粉砂浆28 d龄期抗折强度均高于基准砂浆，其中聚丙烯纤维干粉砂浆抗折强度接近10 MPa，玄武岩纤维干粉砂浆和混合纤维干粉砂浆抗折强度均超过10 MPa。聚丙烯纤维干粉砂浆比基准砂浆抗折强度提高18.7%，玄武岩纤维干粉砂浆比基准砂浆抗折强度提高21.7%，混合纤维干粉砂浆比基准砂浆抗折强度提高27.7%。干粉与混合纤维的共同作用效果最好，玄武岩纤维和干粉的共同作用比聚丙烯纤维与干粉的协调互补能力更好一些。

(6)聚丙烯纤维干粉砂浆、玄武岩纤维干粉砂浆、混合纤维干粉砂浆劈裂强度均高于基准砂浆。聚丙烯纤维干粉砂浆的抗劈裂强度高于基准砂浆72%，达到了3.8 MPa，而玄武岩纤维干粉砂浆的抗劈裂强度高于基准砂浆46%，达到了3.2 MPa以上，混合纤维干粉砂浆抗劈裂强度高于基准砂浆55%，达到了3.4 MPa以上。这说明纤维的三维网状结构与干粉形成的聚合物膜协同作用下修补砂浆的抗劈裂强度大幅提高。

(7)聚丙烯纤维干粉砂浆的黏结强度达到了2.4 MPa，玄武岩纤维干粉砂浆和混合纤维干粉砂浆的黏结强度都达到2.63 MPa，试验证明三种纤维干粉砂浆均有很好的黏结强度，这是新老界面之间耦合效果好坏的必要保证。

(8)三种纤维干粉砂浆的干缩率均小于基准砂浆，聚丙烯纤维干粉砂浆和混合纤维干粉砂浆的干缩率几乎在各个龄期上基本相同，玄武岩纤维干粉砂浆干缩率在各个龄期上最低，这说明三种纤维增强干粉修补砂浆抵抗收缩的性能均高于普通砂浆10%以上，玄武岩纤维干粉砂浆的抗收缩性能更好一些。

(9)试验表明聚丙烯纤维干粉砂浆的抗渗性能最优，玄武岩纤维干粉砂浆和混合纤维干粉砂浆的抗渗性能接近，三种砂浆的抗渗等级均达到了W15以上。这是由于干粉与水泥反应形成聚合物膜和纤维在砂浆中交织形成网络结构相互衬托起到了很好的协同作用，使得砂浆的抗渗性能大幅提高。

(10)三种纤维干粉砂浆抗冻融循环次数均超过300次，抗冻等级超过了F300。纤维干粉砂浆在各个龄期下几乎没有碳化，而同条件下基准砂浆碳化5 mm以上，这说明纤维干粉修补砂浆抗碳化能力非常强，抗碳化能力比基准砂浆提高超过100%。纤维增强干粉修补砂浆的抗冲磨强度高于基准砂浆，抗冲磨强度提高45%以上，其中混合纤维增强干粉修补砂浆的抗冲磨强度提高了97%，这表明纤维增强干粉修补砂浆具有很好的抗冲磨性能，混合纤维增强干粉修补砂浆的抗冲磨性能最为优越。

4.3 纤维增强干粉修补砂浆工程应用

纤维增强干粉修补砂浆是一种新型寒区水工混凝土修补材料技术。修补砂浆的各种组分在砂浆中充分发挥了聚合物膜作用和三维网状结构等作用，对砂浆的早期强度、后期强度，形成了叠加效应，使得砂浆具有了高性能，满足修补工程的各项技术要求[10]。该项修补技术在黑龙江省中部引嫩工程、北部引嫩工程、泥河水库等工程的修补加固中进行了推广应用。

如在北部引嫩翁海桥桩补强修复工程中，解决了新旧混凝土界面黏结、抗渗抗冻耐久性等问题，结合无模板工艺可解决薄臂、桥桩的修补难题，取得了很好的应用效果。桥桩修补前后见图4和图5。