水下混凝土裂缝修补材料试验研究

张雪娟

（辽阳市金洋建设工程项目管理有限公司，辽宁 辽阳 111000）

由于收缩变形、内外温差和受各种应力作用等原因，水工混凝土表层或内部很容易产生一定的开裂，不仅对工程结构外观造成不利影响，还会危害其耐久性甚至直接威胁整个结构的安全运行[1-5]。然而，对处于水下环境的部分桥墩、大坝等建筑物的裂缝处理，在修补时很难与水完全隔离，施工作业大多是在有水条件下实施，修补难度相对更大[6]。

目前，已有许多较成熟的材料用于修补水下混凝土裂缝，如弹塑性密封材料、快速堵漏材料、聚氨酯与环氧灌浆材料等，但大多数只能用于潮湿或干燥环境，对必须在水介质条件下施工甚至需要带水或深水作业的裂缝修补适用性较差。由于具有耐久性好、经济环保、密度大等特优点，水下不分散混凝土被广泛用于水下施工。针对水下混凝土蜂窝、裂缝等缺陷部位，采用水下不分散剂配制砂浆和净浆进行灌浆作业越来越引起研究学者的关注[7]。例如，陈国新等对比研究了不同减水剂对混凝土用水量、流动度及其保持能力、抗压强度的影响，结果表明掺聚羧酸减水剂组的综合性能较优；MUNOZ等研究表明掺入一定硅粉等掺合料可以增强水下混凝土强度和抗分散性；冯士明等研究发现丙烯和纤维素系列等抗分散剂，可以明显改善混凝土的施工性能[8-10]。

以增黏性矿物细粉和高强度无机矿物细分料为基料复配促进剂、增强剂、流化剂、有机表面活性剂及高分子有机抗水聚合物等材料制成的快硬型水下不分散剂，可以进一步配制出无毒、施工方法简单、体积稳定性好、超大流动度、黏结力大、水下抗分散性高、快硬高强的水泥基修补材料。因此，文章利用室内模拟试验探讨了灌浆料水下/水上性能受水胶比和水下不分散剂掺量的影响，并结合试验数据提出最优配合比，以期为高质量快速修补水下混凝土裂缝提供技术支持

1 试验方法

1.1 原材料

试验选用大连小野田快硬快凝硫铝酸盐水泥，其化学成分如下：CaO 41.5%、Fe2O321.5%、Al2O310.0%、SO317.2%、MgO 1.8%、K2O 0.9%、Na2O 0.2%，Loss2.7%，其物理性能指标如表1 所示。骨料选用大连庄沙砂石场生产的花岗岩碎石和河砂，碎石粒径5～20mm，饱和面干密度2 640kg/m3，含泥量0.12%，河砂细度模数2.6，砂石技术指标均符合试验规范有关要求。经市场调研，选用HLC-RAW 快硬型水下不分散剂，固含量45%，拌和水用当地自来水。

表1 水泥的物理性能指标

1.2 试验方法

1）流动度测试。将一定量的水和水泥加入水泥净浆预先湿润过的搅拌锅内，然后将净浆注入截锥圆模并立即提起使内部浆体自由流动，停止流动后沿两个相互垂直方向用卡尺测量流淌部分的最大直径，流动度初始值就是两者的平均值[11]。

2）凝结时间测试。采用配制的修补材料替代凝结时间测试标准中的水泥，试件成型后移入20℃水中养护，按照规范中的流程测定水下凝结时间。

3）抗压强度测试。将拌和均匀的修补材料制成40mm×40mm×160mm 的标准试件，24h 脱模后采用20℃水养和标养两种养护方式，依据《水下不分散混凝土试验规程》测定3d、7d、28d 龄期各组试件的抗压强度。

4）黏结强度测试。试验采用“8 字模”测定黏结抗拉强度，具体流程：首先，将拌和均匀的修补材料制成“8”字模基准试件，24h 后拆模放入水样养护7d，达到龄期后移入抗拉强度夹具内加载至断裂，从而制成“0”字形试件；然后用水湿润“0”字形试件的断裂处，并放入“8”字模一半，在另一半“8”字模中即未放基准试件处浇筑水下修补材料，经压实、振动和抹平处理后制成黏结后的试件；最后，将黏结“8”字形试件带模放入水中养护6h 拆模，通过拉伸试验测定28d 龄期黏结抗拉强度[12]。

2 结果与分析

2.1 水下修补灌浆材料性能

为了探究水胶比和HLC-RAW 掺量对修补材料性能的影响，试验设计水胶比为0.35、0.40、0.45，采用内掺HLC-RAW 快硬型水下不分散剂的方式等量替代水泥，设计掺量10%、15%和20%，在(20±2)℃条件下测定水下/水上抗拉强度、浆体凝结时间、流动度及损失，测试数据如表2 所示。

表2 裂缝修补材料性能

由表2 可知：在0.35、0.40 和0.45 不同水胶比下，HLC-RAW 掺量从10%提升至20%，水泥净浆30min 流动度损失逐渐增加，初始流动度和浆体凝结时间逐渐减小；在不改变HLC-RAW 掺量的条件下，浆体凝结时间和初始流动度均随着水胶比的增加而增大；固定水胶比0.40 和HLCRAW 掺量15%情况下，水泥净浆初始及30min 流动度为250mm、200mm，初、终凝时间为60min 和87min。因此，水胶比≥0.35 且HLC-RAW 掺量不低于15%条件下，水泥净浆的终凝时间为1～2h，浆体的可灌性较好。

水胶比为0.35 情况下，HLC-RAW 掺量从10%提升到20%，水上和水下养护的试件抗压强度均表现出下降趋势，28d 水陆强度比逐渐提高；水胶比为0.40 和0.45 情况下，HLC-RAW 掺量从10%提升至20%，水上和水下养护的试件3d、7d龄期抗压强度均表现出下降趋势，28d 强度表现出先下降后上升的变化趋势，28d 水陆强度比则呈现出先上升后下降的变化趋势；试件抗压强度随水胶比的增加逐渐减小，HLC-RAW 掺量从10%提升至20%，除水胶比0.45 外其它水胶比组的7d 水陆强度比均达到不低于80%的要求，28d 龄期均达到不低于90%的要求，7d、28d 水下强度整体符合设计要求。

浆体水下黏结性能受HLC-RAW 掺量和水胶比的影响线束，HLC-RAW 掺量≤15%且水胶比不超过0.40 条件下配制的浆体黏结性能良好。因此，根据修补材料抗分散性、可灌注性、黏结强度和水下抗压强度试验数据，确定A1 和B2 组配合比配制的裂缝修补灌浆材料综合性能最优[13]。

2.2 使用性能

面对复杂多变的水下作业环境、水压、水温、水流等环境条件的改变均会在一定程度上影响到修补材料的性能。一般通过专业设备、施工工艺或水文气象数据控制水流和水压变化，但施工过程中的环境温度很难控制，虽然水文相较于陆地的波动范围较小，但水下作业和材料性能易受低温环境变化的干扰。本试验通过采取低温养护和水下成型两种方式，测试了0～5℃低温和(20±2)℃环境下水下修补灌浆材料的黏结强度、抗分散性、抗压强度及水下凝结时间，如表3 所示。

表3 不同环境温度下的修补材料性能

由表3 可知：0～5℃低温条件下，水下修补灌浆材料的凝结时间相较于(20±2)℃环境有所延长，在0～5℃低温环境下两组灌浆材料均可以在1～3h内终凝；0～5℃低温环境会在一定程度上减缓强度发展速率，尤其是早期强度发展较慢，低温条件下水胶比大且HLC-RAW 掺量较高的B2 组强度发展更慢，但在0～5℃低温环境下A1、B2 组灌浆材料的28d 强度达到58.5MPa 和42.6MPa。

0～5℃低温条件下，水下修补灌浆材料的水陆强度比相较于(20±2)℃环境并未下降，说明水下修补灌浆材料的抗分散性不受温度变化影响；虽然0～5℃低温环境在一定程度上降低了黏结强度，这主要与低温减缓了水化速率等因素有关，在低温条件下A1、B2 组灌浆材料的黏结性能良好，尤其是水胶比低且HLC-RAW 掺量也低的A1 组具有更好的黏结性。总体而言，低温环境下修补材料仍具有良好的黏结性能和较高的强度，可以达到较好的快速凝结修补效果。

3 结 论

1）采用0.35～0.40 水胶比和10%～15%HLCRAW 掺量配制的灌浆材料终凝时间为1～3h，这种水下修补材料具有施工操作简单、周期短等优点。试验配制的A1、B2 组灌浆材料具有较好的水下抗分散性，其7d、28d 水陆强度比均达到不低于80%和90%的设计要求，28d 强度达到58.5MPa 和42.6MPa，28d 黏结强度为3.3MPa 和2.0MPa。

2）0～5℃低温环境会在一定程度上降低早期强度发展速度，但A1、B2 组灌浆材料均可以在1～3h内终凝；低温对灌浆材料后期强度发展影响较低，可结合具体环境温度适当调整HLC-RAW 掺量，对于水下混凝土裂缝修补该灌浆材料表现出较好的适用性与可行性。