基于混凝土大坝裂缝修补材料的试验研究

刘若华

(昌图县水利事务服务中心，辽宁 昌图 112599)

水工混凝土作为用量最大的建筑材料，对于水利工程长效稳定运行发挥着至关重要的作用[1-2]。为维护水库大坝的安全有效运行及其耐久性能，针对水库大坝最常见的裂缝病害，研制裂缝修补材料的意义重大[3-6]。实践表明，外部侵蚀性介质是造成混凝土自外向内劣化扩展以及水工结构耐久性下降的关键因素之一。受冻融循环、干湿交替、水流冲刷及温度变化等因素作用，混凝土外表面不断被碳化、剥蚀和风化，长期以往危害加剧并危及工程的整体安全[7]。因此，为降低工程使用寿命受混凝土裂化的不利影响，实现工程质量目标和设计使用寿命，必须严格控制裂缝的裂缝[8]。实际上，除优质的施工质量和科学合理的设计外，还要采取特殊材料保护混凝土表面。

近年来，为适应环保需求国外学者研制了一种新型绿色施工的聚脲弹性体技术，该技术集合了涂料、橡胶、玻璃钢和塑料等多种功能，从根本上打破了传统技术的局限，对修补混凝土裂缝具有较强的适用性[9]。近年来，在聚脲工业领域应用了一种聚天门氡氨酸酯聚脲材料，因具有高性能、慢反映、高耐久性等特点，彻底解决了传统的伯胺聚脲原料附着力差、反应速度过快的问题。研究表明，异氰酸酯与聚天门氡氨酸酯发生反应可以获取耐久性更好的聚脲材料。因此，文章利用异氰酸酯和聚天门氡氨酸酯制备混凝土裂缝修补材料，并深入研究了新型材料的耐久性能。

1 材料制备与试验方法

1.1 原材料准备

试验原材料主要有活性稀释剂、硅烷偶联剂、SiO2粒子、脂肪族异氰酸酯(B1、B2)和聚天门氡氨酸酯等。

1.2 复合材料制备

混凝土大坝裂缝修补纳米复合材料的制备流程如下：①采用高速分散机将一定比例的硅烷偶联剂、纳米SiO2和活性稀释剂高速(2000r/min)分散60min；②在高速分散机中将硅烷偶联剂、纳米SiO2、活性稀释剂与聚天门氡氨酸酯的均匀混合物高速(1000r/min)分散30min，然后利用功率4kW、频率80kHz的超声分散机，按间隔5min、每次10min的原则分散3次，静置60min后将混合物记为A组份；③命名B组分为结构不同的脂肪族异氰酸酯，结合异氰酸酯基当量和氨基当量合理设计A组分、B组分的用量比，最终制备成双组分纳米复合材料，纳米复合材料配方，见表1。

表1 纳米复合材料配方

1.3 力学性能试验

根据树脂浇铸体的拉伸试验及其性能试验方法，按照相关要求和流程制作试件，并利用万能试验机测定标养21d后试样的力学性能。

1.4 耐久性试验

采用160mm×40mm×40mm的标准试件测试抗冻性能，抗冻等级F80，试验过程中用滚筒等涂刷工具按照滚筒的方法将复合材料涂刷于试件表面，涂刷厚度约1mm，静置7d后取出，然后利用MIT 683 063型全自动冻融试验机按试验规程规定的流程进行冻融试验[10]。

本试验利用边长70.7mm的标准试件测试抗碳化性能，试验过程中将复合材料涂刷试件表明，厚度厚度约1mm，静置7d后取出，然后采用CCB-70W型碳化试验箱按照试验规程规定的方法进行碳化试验[11]。

制备高100mm、直径300mm的C40标准试件测试抗冲磨性能，试验配合比为砂∶石∶粉煤灰∶水泥∶水=620∶1255∶90∶360∶135，试验过程中将复合材料涂刷试件表明，厚度厚度约1mm，静置7d后取出，然后利用HKS-Ⅱ型抗冲磨试验机按试验规程规定的方法进行抗冲磨试验[12]。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能

依据《树脂浇铸体拉伸性能试验方法》中的相关流程测试裂缝修复纳米复合材料的断裂伸长率、拉伸强度等力学性能，断裂伸长率及拉伸强度受B1与B2比值的影响曲线，不同异氰酸酯比值的影响，见图1。试验表明，随B1含量的增大双组分纳米复合材料的拉伸强度逐渐增加，但其断裂伸长率不断减小；随B2含量的增加双组分纳米复合材料的拉伸强度逐渐减小，但其断裂伸长率不断增大。深入分析，B1分子链短且为刚性链段，所以有利于复合材料拉伸强度的提升，而B2分子链长且为柔性链段，所以有利于复合材料断裂伸张率的提升。因此，在裂缝修补材料制备时应考虑工程现场实际情况，通过复配调整B1、B2及A组分掺量来满足工程实际需求。双组分纳米复合材料的力学性能，见表2。

(a)对断裂伸长率的影响

表2 双组分纳米复合材料的力学性能

2.2 抗冻融性能

冻融循环达到200次时，观察涂刷和未涂刷裂缝修补材料的混凝土试样冻融情况。结果显示，冻融循环达到200次时未涂刷裂缝修补材料的混凝土试样相对动弹性模量减小至54.1%，其重量损失率接近20%；冻融循环达到200次时涂刷裂缝修补材料的混凝土试样相对动弹性模量仅减小了8.5%，试样重量变化不明显。可见，混凝土试样涂覆裂缝修补材料能够明显改善其抗冻融性能。

2.3 抗碳化性能

碳化时间达到28d时，观察涂刷和未涂刷裂缝修补材料的混凝土试样碳化情况。结果显示，碳化时间达到28时未涂刷裂缝修补材料的试样碳化深度达到8.2mm，而涂刷裂缝修补材料的试样未出现碳化。试验表明，将混凝土试样涂覆裂缝修补材料能够明显改善其抗碳化性能。

2.4 抗冲磨性能

冲磨时间达到72h时，观察涂刷和未涂刷裂缝修补材料的混凝土试样冲磨情况。结果显示，冲磨时间达到200次时未涂刷裂缝修补材料的试样质量损失达到1.6kg，而涂刷裂缝修补材料的试样质量损失不足0.01kg。因此，将混凝土试样涂覆裂缝修补材料能够明显改善其抗冲磨性能。

2.5 现场生产试验

在太子河干流某水库除险加固中对裂缝修补材料进行生产性试验，结果显示复合材料的修补效果良好。将聚天门氡氨酸酯纳米复合材料涂刷在输水渠坡和底板裂缝表面，经24h后现场检验该复合材料对底板和渠坡裂缝具有较好的修复效果，为除险加固工程的顺利实施和验收提供了可靠保障[13-20]。

3 结 论

本试验利用分散机和硅烷偶联剂制备了聚天门氡氨酸酯复合材料，并进一步探讨了材料断裂伸长率和拉伸强度受不同异氰酸酯类型的影响。结果显示，将混凝土试样涂刷弹性裂缝修补材料能够明显改善其抗冲磨、抗碳化和抗冻融性能，在水库除险加固工程中这种纳米复合材料取得了显著修复效果，实际工程应用比较成功。