黄河涵闸加固中丙乳砂浆抗裂性能研究及应用

段淑倩，曹 备，史立明，张 甲，李 儒

（1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；2.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，河南 郑州 450044；3.陕西省公共资源交易中心，陕西 西安 710000；4.聊城黄河河务局 莘县黄河河务局，山东 莘县 252400；5.聊城市安泰黄河水利工程维修养护有限公司，山东 聊城 252000）

1 引 言

黄河涵闸工程在水资源优化配置与防洪减灾中有着举足轻重的地位和作用，然而大部分涵闸建成年代相对较早，且鉴于历史原因，某些涵闸存在老化失修严重和工程管理落后等问题，使其出现混凝土表面劣化开裂、结构整体变位等安全隐患，严重威胁黄河防洪安全，这使得涵闸除险加固的重要性日益凸显，并成为减轻涵闸病害、恢复其功能的重要手段［1］。目前涵闸除险加固重点之一是涵闸护面老化混凝土开裂修复，虽已有成效，但仍存在工法欠缺、技术不全面、参考数据较少的问题［1-2］，尤其是在黄河流域水沙环境及华东地区不确定气候因素的双重影响下，需进一步探究。

近年来，丙乳砂浆作为新型水泥砂浆的一种，无毒、无害、无污染，以其优良的抗渗性、黏结能力和抗拉性能，被广泛应用于老化混凝土工程修补和水工建筑物渗漏防治中。然而，在施工中发现，丙乳砂浆作为刚性防水层，在丙乳成膜固化和水泥水化硬化过程中会产生较大收缩变形，使得收缩拉应力超过其抗拉强度，加之养护条件控制的缺失及标准施工工法的缺乏，护面加固后仍会出现龟裂现象。如何提高丙乳砂浆的抗裂性能，并进一步规范其施工工法标准，最大限度地减少涵闸除险加固中丙乳砂浆护面的干缩龟裂，成为亟待解决的关键问题。

目前，关于丙乳砂浆抗裂性能和护面龟裂主要原因的研究已取得一定进展，认为丙乳砂浆龟裂主要是凝结收缩应力超过其抗拉强度所致，研究主要集中于水灰比、聚灰比、细集料种类等变化对丙乳砂浆力学性能（如自由收缩变形、抗压强度、抗折强度等）的影响［3-13］，或仅涉及水泥品种、纤维掺量、相对湿度、养护龄期和温度的某一种对砂浆干缩性能的影响［9，14-18］。然而，工程实际中，丙乳砂浆所处环境不尽相同，存在其特殊性，而不同研究中各因素对其抗裂性能的影响并不统一，且未针对特定工程给出特定影响关系，比如丙乳砂浆施工（养护）的温度、湿度、时间周期的控制范围等。在丙乳砂浆应用于水工混凝土建筑物护面的除险加固和开裂控制措施研究方面，虽然学者们已给出水库、大坝、涵闸等水工混凝土建筑物老化加固处理的相关工程实例［19-33］，但研究内容多涉及丙乳砂浆加固的具体施工，介绍相对简单，且未结合室内和现场试验结果给出更加定量化的丙乳砂浆防龟裂建议方法和施工工艺基准。

虽然前人研究成果可为黄河涵闸加固中丙乳砂浆抗裂性能研究及应用提供借鉴，但鉴于黄河涵闸加固工程水沙环境和气候条件的特殊性，丙乳砂浆护面施工工艺并无大量相对成熟经验可循，丙乳砂浆抗裂性能尚不清晰，从而限制了黄河涵闸丙乳砂浆护面加固措施的研究与推广。笔者以上述问题为切入点，以金堤河干流治理工程（山东段）东池闸除险加固工程为依托，通过试验，揭示配合比和施工养护条件（养护温度、湿度和时间）对丙乳砂浆抗裂性能的影响规律，并结合现场施工探究合理的抗裂措施，对丙乳砂浆护面防龟裂施工工艺及抗裂参数进行规律性总结和分析，为今后涵闸丙乳砂浆护面施工提供参考数据和依据。

2 东池闸概况及其工程病害

山东省聊城市莘县河务局所辖的东池闸始建于1979年3月，为单孔混凝土涵洞式涵闸，运行至今已近40 a，在空气、负荷、冻融、风、雨和雪的长期作用下，已呈现出各种老化病害，严重影响其安全性、适用性和耐久性。特别地，鉴于水流冲击力强、水流含沙量大、风浪、冰凌撞击及水中有机物侵蚀等，闸墩墩头及洞身表面出现了混凝土碳化和钢筋锈蚀、混凝土表面剥蚀破坏、开裂和泥沙淤积等问题。此涵闸被评定为三类闸，须立即采取除险加固措施对涵闸护面修复加固。值得注意的是，该加固工程涉及的泄洪洞泄流量较大，最大流速达到25 m／s，水流冲击力强，对混凝土磨蚀严重，这对修复材料的黏结、抗裂、耐磨、耐老化和环保等性能有更高要求。因此，在采用丙乳砂浆进行涵闸病害部位修复处理时，应避免出现局部开裂和龟裂现象，而这应建立于对丙乳砂浆抗裂性能及修复控制的深刻理解之上。

3 室内试验原料和方法

3.1 试验原料和配合比

原材料包括莘县山水水泥有限公司生产的P.O42.5水泥、东平湖的偏细砂、上海科凝新材料科技有限公司生产的聚丙烯酸酯乳液和地下水。基于防水工程常用配合比，并结合现场施工条件进行试配，初步选定满足要求的3种配合比用于力学性能的对比分析，流动度的测定基于《水泥胶砂流动度测定方法》（GB／T 2419—2005）进行。配合比见表1。

3.2 试验方法

将制备并标准养护后的不同配合比丙乳砂浆试件进行力学强度测定，其中抗折、抗压强度按《水泥胶砂强度检验方法》（GB／T 17671—1999）测定，黏结强度依据《聚合物改性水泥砂浆试验规程》（DL／T 5126—2001）测定，对比分析后，确定适用于东池闸护面修复的具有良好工作性能的配合比。

将选定配合比的丙乳砂浆制模成型，置于标准养护箱（温度控制在20℃±3℃，相对湿度为95%以上）养护，48 h后脱模。研究不同养护温度、时间和湿度对丙乳砂浆抗裂性能的影响，每个影响因素制备3个试件。养护试验后参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ／T 70—2009）确定平均干缩率，具体如下。

（1）不同养护温度。对脱模后的试件测定初始长度后，分别置于10、20、40℃温度下进行养护，分别测定龄期7、14、21、28、35 d试件的长度，并计算干缩率。

（2）不同养护龄期。对脱模后的试件置于水中分别养护1、2、4 d后取出，将试件表面擦拭干净并测量初始长度，然后放入温度为20℃、相对湿度为（60±5）%的恒温养护箱中养护35 d，计算干缩率。

（3）不同养护湿度。测定脱模后试件的初始长度后，将试件置于温度为20℃，相对湿度分别为40%、75%、90%的恒温恒湿控制箱中养护35 d，计算干缩率。

4 室内试验结果

4.1 力学参数

表2给出了不同配合比丙乳砂浆的抗压强度、抗折强度、压折比和黏结强度。抗压强度可反映砂浆承载能力；抗折强度可反映砂浆单位面积承受弯矩的极限折断应力，其测试比抗拉强度的便捷，可间接反映砂浆的抗拉强度；压折比可反映丙乳砂浆的韧性，压折比越小，表明韧性越好、抗裂性能愈佳。丙乳砂浆黏结界面两侧不协调的收缩变形和水膜层的存在，往往导致界面结构疏松并产生内应力，因而修补材料与原护面的黏结强度也是涵闸修复加固的关键。从表2可知：

表2 不同配合比丙乳砂浆力学强度

（1）砂浆的抗压强度随着丙乳掺量的增大而降低，聚灰比为14%和19%的砂浆抗压强度分别比聚灰比为10%的砂浆抗压强度降低了7%和18%。而此时随着聚灰比的增大，水灰比逐渐减小，可见二者变化对抗压强度的影响是相反的。由于丙乳本身韧性较好，且具有引气效应和成膜效应，丙乳掺量的增大在一定程度上造成砂浆密实性、原有离子键力和刚性减小，因此对抗压强度没有改善［6］。

（2）砂浆的抗折强度均随丙乳掺量的增加而提高，而压折比逐步降低，聚灰比为14%和19%的砂浆抗折强度分别比聚灰比为10%的砂浆抗折强度提高了9%和13%，压折比则分别降低了约14%和28%。这说明丙乳掺量的增大能有效改善砂浆的抗折强度，原因主要是掺入丙乳具有显著的减水效果，而形成的连续丙乳膜与水泥水化物交织形成“微纤维”［10］，有利于砂浆抗裂性能的提高。

（3）在丙乳掺量10%～20%范围内，随着聚灰比增大，砂浆黏结强度提高。原因是丙乳本身有黏性，且分子扩散能力强，可有效渗入原混凝土护面孔隙中，在修补界面处形成较好的连接柔性层［8］，从而增强了黏结性能。

因此，丙乳掺量的增大和水灰比的减小可显著改善丙乳砂浆的抗裂性能。综合考虑丙乳砂浆的和易性、韧性、黏结强度、抗压强度及现场施工条件，选定2号配合比（聚灰比14%、水灰比31%）作为现场试验和后续养护试验的配合比。

4.2 养护条件对丙乳砂浆干缩率的影响

（1）养护温度T对干缩率的影响。图1为不同养护温度下丙乳砂浆干缩率随龄期的变化曲线。不同养护温度下砂浆干缩率皆在0～14 d龄期内增长迅速，在28 d时基本达到稳定，呈二项式增长趋势。养护温度对丙乳砂浆干缩性能影响较大，40℃养护温度下，干缩率明显降低，在28 d和35 d龄期时，其干缩率比10℃养护干缩率降低近17%。原因是较高温养护条件下，丙乳砂浆中丙乳和硅酸盐聚合度提高，使得砂浆中氢键以自由水形式释放，凝胶泥石抵抗变形能力增强，相应干缩率降低［34-35］。

图1 不同养护温度T下丙乳砂浆干缩率随龄期的变化曲线

（2）初始养护时间t对干缩率的影响。图2为不同初始养护时间下丙乳砂浆的干缩率随龄期的变化曲线。可知，初始养护时间的延长会导致丙乳砂浆收缩率小幅增大，但增幅不明显，1、2、4 d初始养护时间下砂浆干缩率随龄期的增长趋势基本一致。虽然初始养护时间对干缩率影响不显著，但初始养护时间过度延长，会促使水泥水化程度提高和水化产物增多，从而导致干缩率增大，因此丙乳砂浆的初期养护时间仍需控制。

图2 不同初始养护时间t下丙乳砂浆的干缩率随龄期的变化曲线

（3）养护湿度ρ对干缩率的影响。图3为不同养护湿度下丙乳砂浆的干缩率随龄期的变化曲线。可知，不同养护湿度下砂浆干缩率随龄期的增加趋势与养护温度基本一致（二项式增长），且丙乳砂浆的干缩率在各龄期随湿度升高均明显减小，湿度对前期干缩率影响程度更大。相对于养护湿度为40%时的干缩率，养护湿度为90%时干缩率降幅较大，龄期7、14、21、28、35 d时砂浆干缩率分别降低约60%、47%、43%、41%、38%。

图3 不同养护湿度ρ下丙乳砂浆的干缩率随龄期的变化曲线

5 现场试验及应用

5.1 抗裂性能试验对涵闸护面修复的指导意义

由上文可知，配合比和养护条件对丙乳砂浆干缩开裂影响显著，影响程度依次为养护湿度、养护温度和初始养护时间。进行涵闸护面修复时，丙乳砂浆配合比可参照试验所得最佳配合比，施工养护可按如下措施控制：①湿度控制。养护湿度增大造成干缩率减小，建议施工中养护湿度尽量控制在80%以上，尤其是前期应考虑采用多种保湿措施。②温度控制。丙乳砂浆养护温度＞20℃后，收缩率随养护温度上升逐渐减小，建议结合施工许可程度，将施工及养护温度控制在30℃±5℃。③时间控制。干燥前养护时间增加造成的干缩影响不太明显，建议施工过程中，初始养护时间维持在1～3 d。

各养护条件下养护前期对丙乳砂浆的干缩影响程度皆大于后期的，因此对丙乳砂浆的早期养护极为重要，可有效控制其早期收缩裂缝。

5.2 东池闸护面加固施工工艺改良

结合试验结果和现场施工遇到的问题，在对东池闸现场护面加固过程中，对丙乳砂浆施工工艺进行动态调控与改良，主要措施如下。

（1）原材料改良。结合防水工程要求和试验结果对丙乳砂浆配合比进一步优化（聚灰比14%，水灰比31%），控制砂浆搅拌时间（5～8 min）和使用时间（1～2 h），使砂浆具有良好的和易性及强度，以最大程度降低原材料自身对砂浆抗裂性能的影响。

（2）刷浆方式改良。病害混凝土基面原净浆涂抹打底改为甩浆法，且挂浆由一次性施工改为分两层（整平层和加强罩面层）施工，以增强丙乳砂浆与结合面的附着力和黏结力。

（3）施工工序改良。由大面积施工改为对每节闸洞进行施工单元块划分，以免因施工凝结时间的不一致而造成收缩裂缝。

（4）养护改良。采用5.1节建议的施工养护措施，对于温度控制，加强养护周期内气温的监控，抹面后及时覆膜，闸洞口悬挂棉帘并利用电暖扇进行增温；对于湿度控制，采用喷雾覆膜手段保湿3 d，同时闸洞口挂帘保湿，3 d后洒水保湿，7 d后定时洒水自然干燥，避免忽干忽湿和强风过洞。

（5）加强动态观测。对施工期、标准养护期和干燥养护期的温度、湿度和丙乳砂浆护面潮湿情况进行动态监测，以实现施工工艺的适时调整。

改良后的丙乳砂浆护面关键施工工艺和参数可控度高，操作性强，在东池闸除险加固工程中应用效果显著，自2016年年底至今（含冬季）观测护面无明显龟裂现象。2017年改良后的丙乳砂浆护面施工工艺再次成功应用于山东东平湖林辛分洪闸除险加固工程，应用面积9 700 m2，取得了显著的社会经济效益。

6 结 论

（1）丙乳掺量的增大和水灰比的减小可显著改善丙乳砂浆的抗裂性能，表现为丙乳砂浆抗折强度增大、压折比减小、韧性和黏结强度增大，但抗压强度没有明显提高。基于此并结合防水工程要求，实现了对丙乳砂浆配合比的进一步优化（聚灰比14%，水灰比31%）。

（2）养护湿度和养护温度的提高对丙乳砂浆抗干裂性能影响显著，而初始养护时间对其影响不明显。不同养护条件下丙乳砂浆干缩率皆在0～14 d龄期内迅速增大，在28 d龄期时基本达到稳定，因此对丙乳砂浆的早期养护极为重要。

（3）基于室内抗裂性能试验，给出黄河水沙条件下涵闸护面加固过程中温度、湿度和龄期施工参数的控制范围和限值。

（4）实现了适用于黄河涵闸护面丙乳砂浆施工工艺的动态改良与实时调控，规范了丙乳砂浆的施工顺序、工艺和参数选取，使丙乳砂浆护面龟裂问题得到了有效解决，延长了涵闸使用寿命。