快硬型水下不分散剂水下混凝土裂缝修补应用研究

王冬，樊金光，唐修生，石明建

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.南京瑞迪高新技术有限公司，江苏 南京 211161；3.水利部水工新材料工程技术中心，江苏 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 马鞍山 238281；5.宁波航通预制构件有限公司，浙江 宁波 315221）

0 前 言

我国水利水电、输水战略、重大交通等涉水工程量巨大，水下混凝土结构长期服役承受水压、温度梯度、水流冲刷、侵蚀环境和荷载作用等因素影响，加上部分混凝土施工质量控制不好，很容易出现裂缝、蜂窝等缺陷问题[1]。据调查，我国拥有9.8万座水库大坝，其中80%以上建于20世纪50～70年代，近70%的大型混凝土坝在运行过程中受水下混凝土裂缝破坏影响正常使用，尤其是黄河干流和西南地区的水电工程[2]。水下混凝土缺陷的存在，严重降低了结构承载性能，急剧缩短了水工建筑物的使用寿命，直接影响工程的安全运行，迫切需要适用于水下混凝土裂缝修补相关材料开发。

目前，用于混凝土裂缝缺陷的修补材料众多，如环氧灌浆料、快速堵漏材料、聚氨酯灌浆材料、弹塑性密封材料等[3]，但其中的大部分只适用于干燥或潮湿环境，许多水工建筑物不具备将水放空的条件，必须在水介质条件下进行混凝土裂缝缺陷的修补施工，常常需要带水作业，甚至需深水作业。

水下不分散混凝土以密度大、经济、环保、耐久性好等特点被广泛接受和认可，已在水下施工中得到应用。目前，水下不分散剂配制净浆、砂浆用于水下混凝土裂缝、蜂窝等缺陷处灌浆作业正在被技术人员深入研究。

快硬型水下不分散剂是以高强度的无机矿物细粉料及增粘性矿物细粉为主体基料，复配有机高分子抗水聚合物、有机表面活性剂、流化剂、增强剂及促进剂等多种材料制成，由它配制的水泥基修补材料具有快硬、高强、水下抗分散性高、粘结力好、超大流动度、体积稳定性好、施工方法简易、无毒等特性。本文针对水下混凝土裂缝缺陷部位特点，研究快硬型水下不分散剂配制灌浆料使用配合比及应用性能，为水下混凝土工程修补质量提供有效数据参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，海螺水泥，其化学成分见表1；快硬型水下不分散剂：JK-PR400，自制；砂：河砂，细度模数2.6；石子：碎石，粒径5~16 mm。

表1 水泥的主要化学成分 %

1.2 主要试验方法

流动度：参照GB/T 50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》附录A.0.2进行测试。

凝结时间：参照GB/T1346-2011《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。

抗压强度：参照DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土试验规程》进行测试

粘结强度：参照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 水下修补灌浆料配合比及其性能

（20±2）℃条件20下，分别内掺10%、15%、20%JK-PR400等质量取代水泥，在0.30、0.35、0.40水胶比条件下，测试浆体流动度、流动度损失、凝结时间、水上/水下力学强度等性能，试验配合比及测试结果见表2。

表2 JK-PR400配制水下混凝土裂缝修补灌浆料的配合比及其性能

由表2可以看出：

（1）在水胶比为0.30、0.35、0.40条件下，JK-PR400掺量由10%增加到20%，水泥净浆初始流动度不断减小，30 min流动度损失不断增大，浆体凝结时间不断缩短；JK-PR400掺量一定时，随水胶比增大，浆体初始流动度和凝结时间也不断增加。在水胶比为0.35条件下，JK-PR400掺量为15%条件下，初始流动度仍达到230 mm，30 min流动度为180 mm，浆体初凝时间50 min，终凝时间75 min。可见，JK-PR400掺量不大于15%、水胶比不小于0.30时，浆体都具有可灌性、终凝时间可控制在1~2 h。

（2）在水胶比为0.30条件下，JK-PR400掺量由10%增加到20%，水泥净浆水上/水下抗压强度不断降低，28 d水陆强度比不断增大；0.35、0.40水胶比条件下，JK-PR400掺量由10%增加到20%，水泥净浆3 d、7 d水上/水下抗压强度不断降低，28 d水上/水下抗压强度先降低后提高，28 d水陆抗压强度比也呈先增大后减小的趋势；随水胶比增加，净浆抗压强度不断下降，除水胶比0.40外，其它水胶比下、JK-PR400掺量由10%增加到20%都可保证7 d水陆强度比大于80%、28 d水陆强度比大于90%，且28 d水下抗压强度大于40 MPa和60 MPa。

（3）水胶比和JK-PR400掺量增大对浆体水下粘结性能影响很大，水胶比和JK-PR400掺量分别不大于0.35和15%情况下，可保证浆体水下较好良好粘结性能。

综合以上灌浆料可操作性、水下抗压强度、粘结强度和抗分散性研究结果，确定J1-1、J1-5作为水下混凝土裂缝修补灌浆料的配比方案。

2.2 应用性能

水下作业环境复杂，材料性能常常受到水流、水温、水压等环境条件变化因素的影响。施工中水流、水压变化常通过观测水文气象、采用不同施工工艺或装备控制，但施工环境温度不好调整，虽然水中温度的波动范围相对陆地上小，但低温环境材料性能变化常给施工造成困扰。低温水下成型及低温养护见图1、图2。分别测试了水下修补灌浆料在（20±2）℃和0~4℃低温环境条件下的水下凝结时间、抗压强度、抗分散性和粘结强度，结果见表3。

图1 低温水下成型

图2 低温养护

表3 不同环境温度下水下混凝土裂缝修补灌浆料性能对比

由表3可以看出：

（1）0~4℃相对23℃环境条件下，水下凝结时间有所延长，J1-1相比J1-5延长时间较短，2组灌浆料0~4℃在1~3 h内均可终凝；0~4℃低温时水下修补灌浆料强度发展迟缓，特别是早期强度发展，J1-5的JK-PR400掺量高和水胶比大，低温强度发展变慢更明显，但2组灌浆料在0~4℃低温条件下的28 d抗压强度仍分别可达60 MPa和40 MPa以上。

（2）0~4℃相对23℃环境条件下水陆强度比没有降低，说明温度对材料的抗分散性无影响；0~4℃时低温粘结强度有所下降，这也是低温水化发展慢的结果，但J1-1、J1-5配比方案的28 d粘结性能在低温下也良好，特别是JK-PR400掺量低、水胶比低的J1-1。总体来说，水下修补灌浆料低温环境也可快速凝结，并具有高强和良好粘结性能。

3 结论

（1）JK-PR400内掺取代10%~15%水泥，水胶比控制在0.30~0.35时，配制的水下修补灌浆材料J1-1、J1-5均可在1~3 h内快速凝结，施工周期短，施工方便易操作。

（2）配制的水下修补灌浆料J1-1、J1-5水下抗分散性好，7 d水陆抗压强度比大于80%、28 d水陆抗压强度比大于90%；28 d水下抗压强度分别可高于60 MPa和40 MPa；水下28 d粘结强度大于2.0 MPa。

（3）0~4℃低温环境下，材料水化速度降低，早期强度发展受到影响，但仍可在1~3 h内凝结；后期材料性能影响料小，根据工程施工实际情况可在J1-1和J1-5中进行调整。

（4）水下修补灌浆料的优异性能可为水下混凝土裂缝修补质量提供有效保证。