基于水泥丙烯酸涂层的混凝土大坝修复面水下耐磨性研究

李 非

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

大坝和静水池混凝土表面受损的主要原因是水体颗粒引起的水下磨损、冻融和风化等[1- 2]。所有损坏的混凝土都会被移除并喷涂新的聚合物水泥砂浆层。此外，还会使用水泥丙烯酸涂层来降低修复后的混凝土表面的劣化率并覆盖修复的补丁，从而统一表面的外观[3- 4]。丙烯酸胶乳旨在改善水泥混合物的特定性能，例如附着力、耐磨性、冲击强度、弯曲强度和抗渗透性[5- 6]。丙烯酸乳胶-改性水硬-水泥砂浆是主要用于混凝土修复的薄涂层[7- 8]。因此，对水泥丙烯酸涂层的耐久性进行评估是十分重要的。

水下耐磨性在水泥丙烯酸涂层耐久性评估中极其重要。水下耐磨性是混凝土承受由含有固体水载颗粒的水流引起的磨损载荷的能力。水泥丙烯酸涂层是由2种成分组成的柔性水泥基矿物防水浆料，本文将其手动涂抹在先前清洁潮湿的混凝土大坝和净水池的表面上。在修复表面的不同位置测量水泥丙烯酸涂层的厚度。修复工作完成后，对水泥丙烯酸涂层的耐久性进行评估，特别是对其抗水下磨损性的评估。评估基于调查结果，主要包含现场调查和试验研究。

1 材料与方法

1.1 测试样品的制备

在直径为29.5cm、厚度为10cm的圆柱体上测试水下耐磨性。试验测试试件制作所需混凝土与现场调查的大坝和静水池所用的混凝土具有相似特性。以与现场相似的方式分2层将水泥丙烯酸涂层施加到样品的上表面。水泥丙烯酸涂层厚度平均为1.2mm，与应用于现场修复表面的水泥丙烯酸涂层类似。

1.2 试验方法

将现场调查与试验研究相结合，旨在复制静水池中水性颗粒的研磨作用。循环水使钢磨球在混凝土样品表面上移动，产生所需的磨损效果。水速和搅拌效应不足以将钢球从混凝土样品的表面提起，从而不会对表面产生任何重大的冲击作用。该测试方法只能用于确定材料对水性颗粒磨损作用的相对抵抗力。

调查的标准程序规定每隔12h测量一次试样表面的磨损，总调查时间为72h。测试结果是平均磨损深度，由测试期间试样表面的平均磨损量表示：

ADAt=VLt/Aspec

(1)

式中，ADAt—在指定的测试时间t之后的平均磨损深度；VLt—在指定的测试时间t之后由于磨损而损失的材料体积；Aspec—暴露于水下磨损的试样表面积。

VLt是试验前试样体积与规定试验持续时间t后的试样体积之差。体积是根据样品在空气中和水下的称重来确定的。然而，由于水泥丙烯酸涂层的损失远低于混凝土试件的损失，因此无法根据计算的试样表面的平均磨损量确定水泥丙烯酸涂层的水下耐磨性，而是由水泥丙烯酸涂层表面的测量部分相对于暴露在水下磨损样品的总表面积确定的。

2 结果与分析

2.1 水泥丙烯酸涂层年龄对水下耐磨性的影响及与延展性的相关性

在混凝土试件的初步处理表面上应用水泥丙烯酸涂层后33和102d进行了测试。以12h为间隔测量的去除水泥丙烯酸涂层的表面部分，如图1所示。

图1 水泥丙烯酸涂层年龄对水下耐磨性的影响曲线

由图1可知，随着水泥丙烯酸涂层的使用年限增加，水下耐磨性降低。经过60h的磨损负荷后，33d前的水泥丙烯酸涂层开始从试样边缘去除，如图2所示。

而102d前的水泥丙烯酸涂层在测试12h后已经开始去除，然后一直持续到测试结束长达72h，此时去除的水泥丙烯酸涂层的表面部分为5.4%，如图3所示。

图3 试验结束时102d的水泥丙烯酸涂层

结果表明，水泥丙烯酸涂层的水下耐磨性与延展性之间存在相关性。水泥丙烯酸涂层的延展性和水下耐磨性随着年龄的增长而降低，如图4所示。

图4 水泥丙烯酸涂层年龄对水下耐磨性和延展性的影响

2.2 已经损坏的水泥丙烯酸涂层的水下耐磨性

未损坏的水泥丙烯酸涂层在水下耐磨性提高后，已经损坏的水泥丙烯酸涂层的耐磨性仍然存在问题，这在实践中是可以预料的。因此，38d的水泥丙烯酸涂层宽10mm的缺口(如图5所示)和105d的水泥丙烯酸涂层宽1mm的缺口(如图6所示)，通过涂层的所有厚度，已形成横跨试件表面的直径。

图5 试验前后38d水泥丙烯酸涂层宽10mm缺口的变化

图6 试验前后102d水泥丙烯酸涂层宽1mm缺口的变化

除了水泥丙烯酸涂层，混凝土在缺口附近被水性钢球磨损。在测试结束时(72h后)，去除的水泥丙烯酸涂层的表面部分为10.8%，大约是没有缺口表面(3.2%)的3倍。

通过没有缺口的102d的水泥丙烯酸涂层的表面和带有宽1mm缺口的105d的水泥丙烯酸涂层表面的视觉比较发现，很窄的缺口对水泥丙烯酸涂层的水下耐磨性没有影响。与没有缺口的去除水泥丙烯酸涂层的表面部分(5.37%)相比，去除的带有缺口的水泥丙烯酸涂层的表面部分(3.09%)甚至更小。

2.3 水下磨蚀载荷对水泥丙烯酸涂层与混凝土表面结合力的影响

为进一步研究水泥丙烯酸涂层的黏合强度，在实验室中对用于水下磨损试验的圆柱体试样进行了试验。对水下磨损试验前30、38和102d的水泥丙烯酸涂层进行了拉断试验，结果见表1。

表1 水泥丙烯酸涂层拉断试验结果

拉断试验结果表明，随着水泥丙烯酸涂层使用年限的增加，水泥丙烯酸涂层与混凝土表面的黏合强度增加，而含水钢球的磨损荷载并没有降低水泥丙烯酸涂层的黏合强度。水泥丙烯酸涂层的黏合强度随使用时间的增长而增强，如图7所示。

图7 水泥丙烯酸涂层黏结强度与使用时间的函数

很明显，水泥丙烯酸涂层中的缺口不会影响黏合强度。失效模式在表1中给出的所有情况下都是相同的。

最大的部分属于内聚失效，如图8所示。

图8 水下磨损试验前30d的水泥丙烯酸涂层主要内聚破坏模式

它与现场7d前的水泥丙烯酸涂层测试中发现的故障模式相似。

2.4 毛细管水压对水泥丙烯酸涂层黏附强度和水下耐磨性的影响

水泥丙烯酸涂层与第一个试件混凝土表面的黏结强度在水泥丙烯酸涂层抗毛细水压力试验结束后采用拉断试验法测量。对经毛细水耐压试验后58d的水泥丙烯酸涂层(58A-RPCWT)和经毛管水耐压试验和水下磨损试验后58d的水泥丙烯酸涂层(58A-RPCWT-UWAT)进行拉断试验，结果见表2。

表2 毛细管水压测试后的水泥丙烯酸涂层拉断试验结果

如果将表2给出的黏合强度结果与之前未试验过的30d水泥丙烯酸涂层的黏合强度结果(见表1)进行比较，黏合强度会适度下降。然而，在评估以上结果时，应考虑拉断试验结束时的各种失效模式。

在30d水泥丙烯酸涂层的拉断试验结束时，获得了主要的内聚破坏模式。内聚破坏模式的平均比例达到92.5%，而黏结破坏模式的平均比例仅为7.5%。58d水泥丙烯酸涂层的拉断试验结束时，在毛细水耐压试验和水下磨损试验后再次获得了主要的内聚破坏模式。内聚破坏平均比例达到76.0%，黏结破坏平均比例达到24%。水下磨损试验期间，在水泥丙烯酸涂层表面上没有观察到损坏。试验结束时，去除的水泥丙烯酸涂层的表面部分为0%，如图9所示。

图9 水下磨损试验结束时58d的水泥丙烯酸涂层的未损坏表面

结果表明，水性钢球仅降低了2层水泥丙烯酸涂层之间的黏合力，使得黏合强度降低，并且在拉断试验结束时发生内聚破坏模式。

测量了111d的水泥丙烯酸涂层表面的抗冻融能力，如图10所示。

图10 111d的水泥丙烯酸涂层表面的抗冻融能力

其中绘制了一个周期的单个阶段所需的边界，以及由温度传感器测量和记录的表面温度。

尽管水泥丙烯酸涂层具有出色的抵抗力，但它与第三个试样角落的混凝土表面分离。由于这个角落有一个小的损坏的水泥丙烯酸涂层。氯化钠溶液在水泥丙烯酸涂层下方，在试验过程中会冻结，并将水泥丙烯酸涂层从混凝土表面分离。这种现象在16个循环后首次出现，在接下来的循环中，最多20个循环，水泥丙烯酸涂层的无界区域增加了25%，大约直到试验结束增加多达30个循环，如图11所示。

图11 水泥丙烯酸涂层的无界区域增加多达30个循环

3 结论

(1)使用的水泥丙烯酸涂层获得了较好的水下耐磨性。然而，随着水泥丙烯酸涂层使用时间的增加，水下耐磨性下降。水泥丙烯酸涂层的这种行为受到延展性的影响。

(2)水泥丙烯酸涂层的其他性能，如抗压强度和水泥丙烯酸涂层与混凝土表面之间的黏合强度随着水泥丙烯酸涂层的老化而增加，同时极限抗弯强度保持不变。

(3)毛细水的压力会降低水泥丙烯酸涂层和混凝土表面之间的黏合强度。随着水性磨损颗粒的额外负载，黏合强度继续降低。

(4)在大坝和静水池上使用水泥丙烯酸涂层时，由于毛细压力或水泥丙烯酸涂层因水下磨损而部分去除，可能导致水存在于水泥丙烯酸涂层下方。水在冬季开始冻融循环，从而导致额外的水泥丙烯酸涂层去除。