水性胶乳固化剂对水泥基弹性灌浆料性能的影响

2019-05-08陈迅捷欧阳幼玲

水利水运工程学报 2019年2期

陈迅捷，欧阳幼玲，韦华

(南京水利科学研究院水利部水工新材料技术研究中心，江苏南京 210029)

近30年来，我国高坝建设众多，为经济建设贡献巨大。但随之而来的坝体混凝土裂缝问题亟待解决。目前针对坝体裂缝主要的解决办法就是根据裂缝形态和展布情况采取不同措施，包括灌浆、并缝钢筋或钢筋网、预应力锚杆或锚索、凿槽浇筑、封口等，另外还有生物修复技术等[1]。其中灌浆是应用最广泛的处理措施[2]。灌浆材料包括水泥基灌浆材料和化学灌浆材料。水泥基灌浆材料起始于20 世纪20 年代，在美国与日本等国家发展较为迅猛，我国起步较晚，自20世纪80年代开始开展水泥基灌浆材料的研究和应用[3]，但在聚合物改性水泥基的灌浆材料研究方面已经取得较为先进的成果。水泥基灌浆料具有来源丰富、价格低廉、结石体强度高和抗渗性能好等优势，是目前灌浆工程中应用最多、使用最广的一种灌浆材料。

一般而言，采用水泥基灌浆材料主要会面临下述几个问题[4]：(1) 浆液的流动性和稳定性；(2) 早期强度低；(3) 收缩开裂；(4) 界面粘结强度不高等。通过在硫铝酸盐水泥砂浆中掺入粉煤灰和减水剂[5]或采用硅酸盐水泥和铝酸盐水泥及石膏复配[6-7]可配制出具有自流平、早强、微膨胀灌浆材料。适量掺加聚合物乳液可以明显改善水泥基灌浆材料的可灌性，有效提高水泥基灌浆材料的粘结性能[8]。

而混凝土高坝由于时常会遭受地壳震动、水位变动、风浪冲击、水流冲刷等作用，不可避免会产生本体震动或细微变形。大坝混凝土裂缝灌浆修补后，灌浆材料固结体还应具有抗冲击韧性和弹性变形能力。然而，普通水泥基灌浆材料不具备上述特性。在灌浆料中掺加适量橡胶细粉并优化配伍能有效降低灌浆料固结体的弹性模量，提高抗冲击韧性和弹性变形能力[9- 10]。

同时，高坝混凝土裂缝灌浆修补成功的关键还在于灌浆料与裂缝界面粘结能够承受高水头渗透压力，且在环境作用条件下具有粘结耐久性。普通水泥基灌浆材料并不能满足这一性能要求。为满足水泥基弹性灌浆材料在深水环境条件下使用性能的要求，本文将对丙烯酸酯乳液和水性胶乳固化剂对水泥基弹性灌浆材料性能的影响进行研究，并对水泥基胶凝材料的配比进行优化，拟实现弹性灌浆料水下粘结抗渗承载压力大于1.2 MPa，满足100 m水深的高坝混凝土裂缝灌浆修补要求。

1 水泥基弹性灌浆料试验原材料

试验所用主要材料如下：水泥，海螺P·O 42.5普通硅酸盐水泥。水泥作为弹性灌浆料基本的胶凝材料，水化产物构筑了灌浆料固结体的结构框架。唐山钢铁厂产S95级磨细矿渣粉和蚌埠产二水石膏。配伍适宜的硅酸盐水泥、磨细矿渣粉和二水石膏，可配制具有微膨胀效果的灌浆料固结体。贵州铁合金厂产硅粉，SiO2含量大于90%。通过硅粉增加胶凝材料与橡胶粉和纤维之间粘结强度，并提高固结体早期强度；还可以提高灌浆料黏度和水下不分散性。邵阳黑宝石橡胶厂产橡胶粉，细度80目。橡胶粉可有效降低灌浆料固结体弹性模量，提高抗冲击韧性和弹性变形能力。海川AV聚酯纤维，直径5 μm，长3 mm，弹性模量6.0 GPa。纤维的作用是提高灌浆料固结体抗冲击韧性。减水剂，FDN萘磺酸盐高效减水剂，减水率大于18%，可提高灌浆料流动性。丙烯酸酯胶乳，胶乳脱水成膜可提高胶凝材料与橡胶粉的粘结强度和粘结韧性，提高灌浆料固结体与混凝土裂缝界面粘结强度，提高抗渗性、抗冻和抗腐蚀耐久性。水性胶乳固化剂，主要成分为酰胺化多胺，可提高灌浆料水下不分散性，并促进丙烯酸酯胶乳在水下固化成膜，提高灌浆料固结体与混凝土裂缝界面水下粘结强度。

2 水性胶乳固化剂对灌浆料本体力学性能的影响

试验研究了丙烯酸酯胶乳和水性胶乳固化剂的不同掺量对灌浆料力学性能的影响，灌浆料试验配合比见表1。其中，P1为不掺胶乳和固化剂的水泥基弹性灌浆料的基准配合比；B1和B2是在基准配比中单掺丙烯酸酯胶乳的配合比，掺量分别为胶材用量的30%和40%；G1，G2，G3和G4是在单掺丙烯酸酯胶乳的配比中再掺加水性胶乳固化剂的配比，掺量分别是丙烯酸酯胶乳用量的10%和20%。灌浆料流动度依据JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》[11]的相关规定测试，流动度控制在15～20 s。在丙烯酸酯胶乳中掺加水性胶乳固化剂再掺入灌浆料后，由于固化剂增加了灌浆料的黏度，为保证灌浆料流动度，增加了拌合用水量。

灌浆料固结体力学性能见表2。力学性能试验依据JTJ 270—1998规程进行，试验砂浆分为标准成型试件和水下成型试件。

表1 灌浆料试验配合比Tab.1 Testing mix proportion of grouting materials

表2 灌浆料固结体力学性能Tab.2 Mechanical properties of grouting material concretions

从表2的力学性能结果可知，当不掺固化剂，单掺丙烯酸酯胶乳，掺量分别为灌浆料无机胶凝材料的30%和40%时，与不掺胶乳的基准配比P1相比，标准成型和水下成型固结体的抗压强度分别降低33%和27%，44%和45%，抗折强度分别降低18%和24%；而灌浆料固结体的韧性却增加了，弹性模量分别降低21%和29%，极限拉伸值分别增加18%和19%。试验结果表明，单掺丙烯酸酯胶乳虽然降低了灌浆料固结体的强度却提高了其韧性，且随着丙烯酸胶乳掺量的增加，灌浆料固结体的强度也随之下降，而韧性随之增加。

在30%掺量的丙烯酸酯胶乳中掺加10%和20%的水性胶乳固化剂后(G1和G2配比)，与不掺固化剂的B1配比相比，固结体强度明显增加，且随着固化剂掺量的增加而增加；特别是水下成型固结体的抗压强度和抗折强度显著增加，甚至比基准配比P1的抗折强度提高22%，水下抗压强度提高5%。当在40%掺量的丙烯酸酯胶乳中掺加10%和20%的水性胶乳固化剂后(G3和G4配比)，与不掺固化剂的B2配比相比，固结体强度也明显增加，但强度并没有随着固化剂掺量的增加而增加。而水中浇筑固结体的抗压强度与标准浇筑固结体的抗压强度的比值即水气强度比，均随固化剂掺量的增加而显著增加。同时，随着固化剂的加入，固结体的弹性模量略有增加，极限拉伸值稍有降低，但与基准配比相比，其韧性明显增加。试验结果表明，掺加适量的丙烯酸酯胶乳和固化剂可以明显提高水泥基弹性灌浆料在水下浇筑的力学性能。

不同灌浆料固结体的微观形貌见图1。可见，掺加水性胶乳固化剂后灌浆料密实性明显增加。这是因为部分丙烯酸酯与水性固化剂中的酰胺基在水泥水化形成的碱性条件下会发生迈克尔加成反应和酰胺化反应，生成聚丙烯酰胺系列化合物[12]，灌浆料的水下不分散性能明显提高，因此水下浇筑灌浆料固结体强度显著提高，固结体抗压强度的水气比明显增加。

图1 灌浆料固结体密实度对比

3 胶凝材料配伍对固结体体积稳定性的影响

弹性灌浆料固结体由于无刚性骨料作为骨架，干缩率相对较大。为提高灌浆料固结体体积稳定性，对无机胶凝材料进行了优化配制，配合比参数见表3。其中，丙烯酸酯胶乳掺量为胶材用量的30%，固化剂掺量为胶材用量的6%，即丙烯酸酯胶乳用量的10%。

表3 灌浆料湿胀干缩试验配合比Tab.3 Mix proportion of grouting materials in wet expansion and dry shrinkage tests

图2 胶凝材料配伍对灌浆料固结体膨胀收缩率的影响Fig.2 Effects of binding materials mix proportion on expansion-shrinkage rate of grouting materials concretions

弹性灌浆料固结体湿胀干缩试验依据DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》[13]进行。试件制作后首先测试在水中3 d和7 d的湿胀率，然后移至干缩室检测14 d和28 d的干缩率。试验结果见图2。

由于橡胶粉对灌浆料干缩无约束作用，因此采用95%普硅水泥和5%硅粉作为胶凝材料配制的弹性灌浆料干缩很严重，在湿度60%的干缩室放置21 d，干缩绝对值接近1 200×10-6。

通过普硅水泥、磨细矿渣粉和二水石膏粉的优化配伍，由于形成大量钙矾石，在水中养护条件下，灌浆料7 d体积膨胀接近600×10-6。虽然干缩速率与普硅水泥灌浆料相同，但28 d干缩率下降接近70%。掺加丙烯酸酯胶乳和水性胶乳固化剂后，胶乳成膜封闭了部分毛细孔洞，降低了干缩速率，28 d干缩率较不掺加水性胶乳灌浆料下降约40%。优化无机胶凝材料配伍并掺加丙烯酸酯胶乳和水性胶乳固化剂后，灌浆料28 d干缩率低于100×10-6，远远小于灌浆料固结体极限拉伸值，灌浆料干缩开裂隐患完全消除。

4 水性胶乳固化剂对裂缝界面水下粘结强度和抗渗承载压强的影响

对于高坝混凝土裂缝深水灌浆修补，由于混凝土裂缝饱水且灌浆后灌浆料与混凝土裂缝界面间存在水膜，粘结强度降低，不能承受100 m水下渗透压力。在灌浆料中掺加聚合物胶乳可明显提高非饱水裂缝界面粘结性能。灌浆料未掺加聚合物胶乳时，灌浆料与旧混凝土的粘结仅靠无机胶凝材料水化产物的粘结渗透，修补材料与旧混凝土不能很好地结合。掺加聚合物胶乳后，浆体中的聚合物会渗透进入旧混凝土的孔隙中并失水成膜，在修补界面形成聚合物结桥，增强了新旧材料的联接作用。同时聚合物良好的粘结性能可显著提高灌浆料固结体与修补材料的粘结强度[14]。

选取水性环氧树脂和丙烯酸酯两种胶乳与水性胶乳固化剂相结合，研究它们对灌浆料水下砂浆粘结强度和水下抗渗压强的影响。弹性灌浆料水下抗渗压强试验，首先预制混凝土抗渗试件，试件中心预留长50 mm×宽10 mm×深150 mm的贯穿孔，水下灌入弹性灌浆料，养护28 d后依据DL/T5150—2001“混凝土抗渗性试验”检测抗渗压强等级。试验结果见表4。

表4 不同胶乳和水性胶乳固化剂组合对水下砂浆粘结强度和水下抗渗承载压强的影响Tab.4 Effects of latex and waterborne latex curing agent combinations on bond strength and seepage resistance bearing pressure

由表4可知，掺加水性环氧树脂和水性胶乳固化剂，由于不能有效消除水膜，因此也不能改善灌浆料与混凝土裂缝界面水下粘结强度。单掺丙烯酸酯胶乳，由于单纯依靠失水固化成膜，灌浆料与混凝土裂缝界面间水膜不能保证完全消除，界面粘结强度提高的保证率降低，水下抗渗承载压强难以达到满意的效果。在丙烯酸酯胶乳中掺加水性胶乳固化剂掺入灌浆料后，一部分丙烯酸酯与水性固化剂中的酰胺基在水泥水化形成的碱性条件下发生迈克尔加成反应和酰胺化反应生成聚丙烯酰胺系列化合物，具有吸水絮凝作用，能够消除灌浆料与混凝土裂缝界面间水膜，同时促进另一部分丙烯酸酯共聚胶乳固化成膜，提高灌浆料水下砂浆粘结强度和水下抗渗压强。掺加30%丙烯酸胶乳和6%水性胶乳固化剂的灌浆料水下砂浆粘结强度与基准弹性灌浆料相比提高194%，大于2.0 MPa；灌浆料与混凝土粘结面水下抗渗压强大于1.2 MPa，完全能满足100 m水深的高坝混凝土裂缝灌浆修补要求。