引水隧洞混凝土裂缝修补后抗侵蚀性分析

2022-12-02夏侯唐鹏张金海魏东风

水利科技与经济 2022年11期

夏侯唐鹏，张金海，魏东风

(中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450000)

1 概述

目前，水工隧洞建设主要采用盾构法施工、混凝土管片拼接的方式进行。但混凝土管片在生产、运输、使用过程中会产生裂缝，因而对裂缝的修复需要进一步的研究，以探究修复后的材料性能。

修复材料分为有机材料和无机材料两种[1]，其中有机材料主要采用环氧树脂，可以有效提高修复性能[2]。许多学者对修复材料进行了研究。如王建辉等[3]使用聚氨酯修补混凝土，对比了修复体与原混凝土材料的抗压、抗拉性能，研究结果表明聚氨酯具有较好的修复效果。叶娇凤[4]使用新的材料配比得到一种力学性能、化学性能均较好的有机混凝土修复材料，并将该材料运用于实际工程中进行验证，结果表明该材料力学性能较好。冯英杰、张泽洲[5]以混凝土黏结理论为基础，分析了压力注浆在混凝土修复之后，对混凝土力学性能影响。李军等[6]分析了水下混凝土裂缝的修复，阐述了表面修复性能、裂缝内部修复的两种修复效果，并进一步提出水下仿生自愈合混凝土修复的修复效果。曹征良等[7]阐述了混凝土材料受硫酸盐侵蚀过程与破坏机理，通过试验，研究了浸泡、干湿交替、溶液pH值、质量分数和温度对侵蚀过程的影响，进一步提出了混凝土材料的修复。唐春平[8]结合试验，研究了混凝土表面不同湿态、养护条件、基材种类、界面处理4种环境因素对磷酸盐修补材料黏结强度的影响。

基于已有的研究成果，本文采用室内试验的方法，探究不同修复材料、不同混凝土结构组合体系在不同侵蚀环境下的抗劣化性能。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

本试验中使用的材料主要包括：普通硅酸盐水泥、粗骨料(粒径范围为5.0～20.0 mm的碎石)、细骨料(细度模数为2.30的河沙)、Ⅰ级抗裂纤维、聚羧酸高效减水剂、Ⅰ级粉煤灰、自来水。

本研究中使用的修补材料主要为自制研发的R型修补材料，其力学性能见表1。并对比修复材料采用E-51环氧树脂(简称E型材料)。

表1 R型修补材料的力学性能

2.2 试验配比

本研究中，混凝土管片共有3种类型，分别为C50混凝土管片(混凝土材料为C50等级)、PFC50混凝土管片(混凝土材料为C50等级并掺加聚丙烯纤维)、C60混凝土管片(混凝土材料为C60等级)，不同类型混凝土管片材料配比见表2，不同类型混凝土管片力学性能见表3。修补材料中，添加固化剂、稀释剂、流化剂，混合材料中4种材料配比为1∶0.13∶0.1∶0.05，修补材料及混凝土原材料示意图见图1。图1中，混凝土材料为Φ100 mm×50 mm。试验分为两组，一组采用5%的Na2SO4浸泡，另一组采用未浸泡的试件。

表2 不同类型混凝土管片材料配比 /kg·m-3

表3 不同类型混凝土管片力学性能

图1 修复材料示意图(单位：mm)

3 结果与分析

3.1 抗氯侵蚀

混凝土抗氯侵蚀主要是通过NEL型氯离子测试系统，测量用电通量、扩散系数两项指标，进而确定混凝土的抗氯盐侵蚀的性能。通过测试，得到不同修复材料(R型修补材料、E型材料)、不同混凝土(C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片)组合下的用电通量、扩散系数。图2为用电通量的变化图，图3为扩散系数的变化图。

图2 用电通量变化图

图3 扩散系数变化图

分析图2、图3中的数据可以发现，不同修复材料、不同混凝土组合下的体系用电通量、扩散系数有所不同。

对于使用R型修补材料修补的混凝土，C50混凝土管片的扩散系数相较于原混凝土管片降低7.64%，PFC 50混凝土管片的扩散系数相较于原混凝土管片降低9.35%，C60混凝土管片的扩散系数相较于原混凝土管片降低10.10%。对于使用E型修补材料修补的混凝土，C50混凝土管片的扩散系数相较于原混凝土管片降低15.62%，PFC 50混凝土管片的扩散系数相较于原混凝土管片降低2.77%，C60混凝土管片的扩散系数相较于原混凝土管片降低8.67%。

对于使用新型R型材料的修复混凝土管片，混凝土强度等级越高，修复后的混凝土抗氯离子渗透性能越好；混凝土强度等级相同时，添加聚丙烯纤维可以有效提高抗氯离子渗透性能。而对于使用E型材料的修复混凝土管片，混凝土强度等级越高，修复后的混凝土抗氯离子渗透性能反而越差；混凝土强度等级相同时，不添加聚丙烯纤维的修复材料抗氯离子渗透性能较好。

综合分析，C50混凝土管片使用E型材料修复后抗氯离子渗透性能较好，PFC50混凝土管片及C60混凝土管片使用R型材料修复后抗氯离子渗透性能较好。对于修复材料对混凝土管片修复的微观机理，GAO等[9]进行了研究，当修复材料与原材料的黏合性能、毛细孔的封堵作用越好时，抗氯离子渗透性能越好。本研究中使用的R型修复材料与原混凝土有较好的黏结性能，当修复材料贴补于混凝土表面时，可以形成较为致密的封闭层，进而阻止氯离子的通过。

3.2 抗硫酸盐侵蚀

将不同修复材料、不同混凝土组合体系浸泡在硫酸盐溶液中，测量其抗压强度、抗折强度值，然后进行统计，统计结果见图4、图5。

图4 硫酸盐侵蚀后的混凝土管片抗压强度

图5 硫酸盐侵蚀后的混凝土管片抗折强度

分析图4中的数据可以发现，对于使用R型修复材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的80.2%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的93.2%，浸泡后的C60混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的88.2%。

对于使用E型修复材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的70.2%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的84.4%，浸泡后的C60混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的95.6%。

综合分析试验结果，当使用R型修复材料修复时，混凝土强度等级越高，抗压强度降低幅度越小，混凝土中掺加聚丙烯纤维可以有效降低混凝土抗压强度的损失。当使用E型修复材料修复时，其变化规律与使用R型修复材料类似。综合对比可以发现，对于试件的抗压强度，C60混凝土管片使用E型材料修复后抗硫酸盐侵蚀性能较好，PFC50混凝土管片及C50混凝土管片使用R型材料修复后抗硫酸盐侵蚀性能较好。

分析图5中的数据可以发现，对于使用R型修复材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗折强度为试验对照组混凝土管片的68.6%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗折强度为试验对照组混凝土管片的80.8%，浸泡后的C60混凝土管片的抗折强度为试验对照组混凝土管片的83.5%。

对于使用E型修复材料的混凝土管片，浸泡后的C50混凝土管片的抗折强度为试验对照组混凝土管片的59.0%，浸泡后的PFC50混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的77.2%，浸泡后的C60混凝土管片的抗压强度为试验对照组混凝土管片的59.3%。

综合分析试验结果，对于浸泡在硫酸盐侵蚀环境下的混凝土管片，当使用R型修复材料修复时，混凝土强度等级越高，抗折强度降低幅度越小，混凝土中掺加聚丙烯纤维可以有效降低混凝土抗折强度的损失。当使用E型修复材料修复时，不同强度等级混凝土抗折强度降低幅度均较大。因而，对于试件的抗折强度的损失，R型材料修复后的C50混凝土管片、PFC50混凝土管片、C60混凝土管片抗硫酸盐侵蚀性能均优于E型材料。

对于修补材料，其自身抗氯离子、硫酸盐性能侵蚀性能越好，与混凝土管片原机体黏结性能越好，黏结后表面越致密光滑，则抵抗氯离子、硫酸盐侵入混凝土管片内部的性能越好。