废弃聚合物在大坝混凝土修复中的应用研究

肖 亮

（江西省吉安市新干县水库建设养护中心，江西 吉安 331306）

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 水泥此研究采用符合《通用硅酸盐水泥》的P.042.5普通硅酸盐水泥。水泥的物理特性和化学成分表（略）。

1.1.2 骨料

用破碎玄武岩作为制备混凝土粗骨料，其物理特性表（略）。用水洗砂作为制备混凝土细骨料，其物理特性表（略）。

1.1.3 废弃聚合物

所用的三种废弃聚合物，分别是粉碎并粘合垃圾袋和塑料袋获得的低密度聚乙烯（LDPE），粉碎液体除臭剂烧瓶获得的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），从无用轮胎面回收的天然橡胶纤维（NRF）。三种废弃聚合物和砂的筛分结果图（略）。

1.2 混凝土配合比

为了满足混凝土的良好工作性，对混凝土混合料的配比进行了优化。水胶比设置为0.45，通过调节聚羧酸醚（PCE）高效减水剂的添加量将坍落度控制在（30±10）mm，在混合料中分别添加质量百分比为2.50%、5.00%和7.50%的LDPE、PET 和NRF部分替代细骨料（0%替代率为对照组，编号为S0）。混凝土的配合比详细信息表（略）。

1.3 抗压强度和抗拉强度测试

据《混凝土物理力学性能试验方法标准》，每个编号均制备三个尺寸150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，标准养护条件下于7 d、14 d 和28 d 龄期抗压强度测试。每个编号均制备三个尺寸为直径150 mm×高300 mm 的圆柱体试件，28 d 龄期抗拉强度测试。

1.4 抗冲磨性能测试

据《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》，水下法抗冲磨性能分析。浇筑尺寸为直径300 mm×高100 mm的圆柱体试样。在相对湿度≥95%和温度（23±2）℃的养护室中养护28 d后，以0%、2.50%和5.00%（重量百分比）的掺量对三种聚合物的水下侵蚀磨损性能测试。

1.5 现场应用

现场应用中，分别以废弃聚合物（LDPE、PET 和NRF）2.50%和5.00%的替代率制备混凝土，用于大坝溢洪道表面。

在充分观察溢洪道的混凝土表层缺陷后，选择相应的修复点。识别混凝土表面缺陷，并划定其区域。以尺寸为750 mm×750 mm的范围作为修复的标准面积。超过750 mm的点，进行矩形修复，保持修复区域不变。这样，每一种类型的材料的性能都有一个共同的标准。

在修复的区域内使用含有特殊金刚石圆盘的锯子湿式切割。切割加工后，用机电锤刻蚀加工。利用设备进行初始工作和去除降解材料，直到在混凝土中找到没有缺陷或空隙的表面。现场混凝土制备使用和试验过程中相同的程序。利用水的喷射对修复点清洗，清除所有灰尘和被清除材料碎片。

对修复材料和大坝上样品的抗粘连性的初步研究表明，有必要在干燥的底层表面施加粘性桥。因此使用高粘度的环氧树脂作为基础结构的粘合剂。用抹刀把修复混凝土放在基板上，用塔架压实，以改善接触，消除密闭气泡。最后利用金属板进行的表面处理，保证修复表面光滑。

共在七个不同的点上应用了废弃聚合物混凝土，根据实验室研究的混合物，分析了不同废弃聚合物的特征。这些修复区域的材料性能在整个过程中都得到了分析，包括修复材料与基质的相容性以及边缘效应和其他缺陷的存在。

2 结果和讨论

2.1 抗压强度

不同聚合物不同掺量的混凝土抗压强度随龄期的变化表明，混凝土的抗压强度测试结果均与废弃聚合物的添加量成反比。添加三种不同聚合物的混凝土相比，掺入PET的混凝土抗压强度最大，掺入NRF的混凝土抗压强度最小。测试表明，废弃聚合物掺量为2.50%时，混凝土在7、14和28 d龄期的抗压强度均大于对照组的抗压强度，说明2.50%的掺量可以优化混凝土抵抗压缩的能力。当废弃聚合物掺量为7.50%时，混凝土在7、14 和28 d 龄期的抗压强度均小于对照组的抗压强度，在28 d 龄期时，与对照组相比，掺入聚合物的混凝土抗压强度降低的最为明显。与S0 相比，LDPE7.5、PET7.5 和NRF7.5 分别降低了26.20%、14.50%和38.80%。

对于这三种聚合物，在混凝土中最合理的掺量为2.50%，其中PET2.5的抗压性能最好，其次为LDPE2.5和NRF2.5。

2.2 劈裂抗拉强度

不同聚合物不同掺量的混凝土在28 d龄期的劈裂抗拉强度见图1。从图中可以看出，混凝土的劈裂抗拉强度和废弃聚合物的含量以及类型之间没有任何直接关系。总体而言，对照组混凝土的劈裂抗拉强度为3.38 MPa，废弃聚合物掺量为2.50%，三种混凝土的劈裂抗拉强度均超过了对照组，以LDPE2.5 最为突出，其28 d 龄期的劈裂抗拉强度达到了3.96 MPa。废弃聚合物掺量为5%和7.5%时，除了PET，另外两类混凝土的劈裂抗拉强度均低于对照组，NRF7.5 达到最小值，其28 d龄期的劈裂抗拉强度为2.62 MPa。

图1 不同聚合物掺量的混凝土28 d龄期抗拉强度图

纤维增强混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度之间的关系是分析纤维增强混凝土的一个重要因素。对于普通混凝土，劈裂抗拉强度约为抗压强度的10%。LDPE、PET 和NRF 三种材料的劈裂抗拉强度与抗压强度的比值均超过了10%。在这种情况下，添加的废弃聚合物在混凝土中起到了增强作用，阻止了混凝土中裂缝的扩展。

2.3 抗冲磨性能

文章测试了对照组以及废弃聚合物掺量为2.50%和5%的混凝土利用水下法冲刷72 h的磨损情况。不同聚合物不同掺量的混凝土的质量损失见图2。可以看出，掺入2.50%废弃聚合物的混凝土质量损失均大于对照组，而在废弃聚合物掺量为5%时，掺入PET 和LDPE 的混凝土质量损失较小，表现出良好的抗冲磨性能。

图2 不同聚合物不同掺量的混凝土的质量损失图

对于三种不同的聚合物，其抗冲磨性能依次为LDPE、PET、NRF。这一结果可归因于聚合物的形状、质地和弹性模量。平均粒径小于0.40 mm 的LDPE 抗冲磨性能最佳，LDPE5的质量损失仅为3.92%。NRF的抗冲磨性能最差，NRF2.5的质量损失达到了8.46%。这可能是由于NRF的开口孔隙较多，导致其吸水率较高，平均抗压强度较小，破裂过程大多发生在“水泥浆-纤维”界面。

2.4 现场应用结果

掺入废弃聚合物的混凝土在作为修复材料应用于大坝溢洪道表面时没有出现任何技术问题。废弃聚合物的掺入降低了混凝土的和易性，这种减少已经通过高效减水剂得以纠正，在现场使用的所有混凝土，坍落度均控制在（30±10）mm。

粘性桥使用了基于高粘度环氧树脂的结构粘合剂，最初的几个小时内，粘性桥是增加旧混凝土（底层）和新混凝土（修复材料）之间粘性的关键因素。

在大坝溢洪道表层使用了六种混凝土（LDPE2.5、LDPE5、PET2.5、PET5、NRF2.5、NRF5），到目前为止（龄期270 d），未发生由于应用、环境、水库流动期水流造成的有害作用（侵蚀磨损）而产生的缺陷。

3 结语

①混凝土抗压强度测试结果均与聚合物添加量成反比，PET2.5的抗压性能最好。②混凝土劈裂抗拉强度和废弃聚合物含量及类型无直接关系，添加废弃聚合物在混凝土中起到了增强作用。③掺量5%时，掺入PET 和LDPE 的混凝土质量损失较小，表现出良好的抗冲磨性能。④废弃聚合物制备混凝土在大坝混凝土面层中的修复效果较好。