高寒区渠道衬砌混凝土裂缝快速修复技术研究

张 健

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局, 新疆 乌鲁木齐 830000)

衬砌混凝土裂缝是高寒区供水渠道局部损毁的主要形式，表现为裂缝多、渗漏严重、止水材料老化失效、冻胀与冻融剥蚀破坏、环境侵蚀和混凝土抗渗效果差等[1]，这一现象贯穿渠道混凝土整个施工和运行管理过程。为达到快速降低衬砌混凝土裂缝造成的渠道供水渗漏损失，工程实践中常用丙烯酸脂共聚乳液、环氧树脂和氯丁胶乳砂浆等聚合物水泥砂浆对渠道衬砌进行修复。此类材料由分散于水中或溶于水中的聚合物掺入普通水泥砂浆中配制而成，具有高黏结、高抗渗、高抗冻、高抗氯离子渗透性等特点，同时还广泛应用于建筑物的防腐加固工程[2]，其中丙烯酸脂乳液或改性丙烯酸脂乳液是近20多年来应用最广泛的树脂乳液。然而，该材料在高寒区渠道衬砌修复应用时还存在一定不足，如与旧混凝土的热膨胀系数不同，界面结合力低时容易脱落、开裂和空鼓[3-5]。为此，有必要开展聚合物水泥砂浆改性工作，研制一种具有适度弹性的树脂乳液配制的砂浆，以解决热胀系数不一致的缺点，提高抗压强度和黏接强度等物理力学性能。

1 改性树脂乳液砂浆性能测试

1.1 乳液稳定性能测试

乳液稳定性主要包括机械稳定性、稀释稳定性、冻融稳定性、化学稳定性等四方面测试。

机械稳定性是指乳液在经受机械操作时的稳定性。在乳液制备过程中，要经泵送、搅拌及涂装时的喷涂等操作，因此乳液要经受得住机械操作。经过试验，不同搅拌速度下，乳液均稳定。这说明乳液的机械稳定性好。

稀释稳定性是检验不同浓度下乳液的乳化剂是否仍然具有较好的乳化效果。按照稀释稳定性试验方法，乳液稀释后24 h和48 h后观察，乳液无分层、分水和沉淀发生，未出现破乳现象，说明乳液具备稀释稳定性。

冻融稳定性即是指乳液经受冻结和融化交替变化时的稳定性。由于乳液体系主要由单体、水、乳化剂及溶于水的引发剂等基本组分组成，其中有一半组成是水，乳液及由其配制的涂料在很多情况下要被暴露于冻结的条件下，当聚合物乳液遇到低温条件时会发生冻结。冻结和融化会影响乳液的稳定性，轻则造成乳液表观黏度上升，重则造成乳液的凝聚。经过恒温-5 ℃±2 ℃的低温冰箱中连续冷冻18 h取出，再在23 ℃±2 ℃常温解冻条件下放置6 h，如此反复循环3次后，乳液已经破乳絮凝，说明乳液在低温下不具备储存稳定性，需要在0 ℃以上的温度下储存。

化学稳定性是指乳液对添加的化学药品的稳定性。对分散液具有很大破坏力的化学药品大都是水溶性的，可分为电解质和非电解质两类，前者一般是无机盐类，后者一般是极性有机化合物。在实用上多数是指添加电解质的稳定性问题，因此从狭义上来说化学稳定性是指电解质稳定性。

1.2 不同配方时树脂乳液砂浆性能分析

砂浆成型按照前述试验方法进行，聚灰比为1∶10，灰砂比为1.2，根据乳液的减水率调整水灰比，根据砂浆物理性能情况，再进行单体和乳化剂等材料的配方调整。

1.2.1 减水率

表1为几种不同配方的砂浆性能，并与市售的乳液(乳液编号NG)对比。表明R055在0.48高水灰比下，砂浆都不能很好的拌合，无法成型，比没加乳液的空白水灰比都大，说明乳液加入不但没有起到减水作用，相反还吸水。R056水灰比0.40时，砂浆物理性能比水灰比为0.45的空白砂浆性能差。这说明在低水灰比高流动度的情况，减水率高[6]，同时其物理性能也不同程度提高。

1.2.2 砂浆强度

以水灰比0.30配制的砂浆成型后的配方调整对砂浆强度的影响试验结果，如表2所示。分析表明28 d抗压强度从20.8 MPa到65.0 MPa，28d抗折强度从6.8 MPa到14.7 MPa，28 d抗拉强度从2.82 MPa到7.55 MPa。28 d压折比为2.79～4.51，综合性能较好的压折比为3.5～4.5。

1.2.3 黏结强度

经过配方的调整，测定黏结强度的结果如表3。表明配方调整后28d黏结强度由2.43 MPa可提高至4.61 MPa。这说明调整有效，满足相关要求。

1.2.4 吸水率

配方调整后的砂浆吸水率试验结果见表4。表中3 h的吸水率除了R081外基本都小于1%，但随着时间的延长，吸水率增大。不同配方吸水率有较大差异。且空白砂浆试块初始吸水率就很高，48 h后趋向饱和，R081吸水率较高，R078吸水率最低。

2 改性树脂乳液砂浆性能分析

2.1 抗氯离子渗透性能

按照现行行业标准[7-8]中的有关试验方法进行试验，试验选择了2种较优配方掺入砂浆中，试验结果见表5，结果表明，改性树脂乳液砂浆抗氯离子渗透性能优良。

表1 配方调整对树脂乳液砂浆减水率影响

表2 配方调整对树脂乳液砂浆强度的影响

表3 配方调整对树脂乳液砂桨黏结强度影响

表4 改性树脂乳液砂桨吸水率

表5 氯离子渗透深度和氯离子扩散系数试验

2.2 抗硫酸盐侵蚀性能

从上述选取几个较好的配方，进行改性树脂砂浆的抗硫酸盐性能的试验，试验按《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》GB/T 749—2008[9]推荐的试验方法进行。试验结果见表6。结果表明改性树脂乳液砂浆的抗硫酸盐侵蚀系数均大于空白普通砂浆，说明其具备抗硫酸盐侵蚀的性能。

测试了改性树脂乳液砂浆在5 %硫酸钠溶液干湿交替作用下的砂浆抗压强度耐蚀性能，试验按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2009[10]中的有关规定执行，试验结果见表7。可知，普通砂浆经150个干湿交替循环后，耐蚀系数Kf下降到85%，即砂浆抗压强度下降了15%，此时砂浆表面开始出现细裂缝。树脂乳液砂浆经150个干湿交替循环后，耐蚀系数Kf为139%，砂浆表面完好，树脂乳液砂浆抗硫酸盐腐蚀性能良好。

2.3 收缩率

选择2种乳液进行乳液水泥砂浆收缩率试验，试验方法按《聚合物改性水泥砂浆试验规程》DL/T 5126—2001[11]中的有关规定执行，结果见表8。表中显示空白砂浆收缩最大，改性乳液砂浆明显减小了收缩，XB-83试验结果有微小膨胀，57 d才开始收缩，说明改性树脂乳液砂浆明显降低了砂浆收缩率。

表6 抗硫酸盐侵蚀性能

表7 50%Na2SO4活液干湿交替作用下的耐蚀系数

表8 改性树脂乳液水泥砂浆的收缩率试验

2.4 耐久性

2.4.1 抗渗和抗碳化性能

碳化试验按标准DL/T 5126—2001[7]进行，结果见表9。试验结果表明改性树脂乳液砂浆抗渗性能和抗碳化性能明显提高。

2.4.2 抗冻融循环性能

冻融试验是检验改性树脂乳液砂浆耐高低温循环性能。表10是改性树脂乳液砂浆冻融性能的试验结果。试验表明普通砂浆冻融循环至100次，重量损失高达18%，抗冻等级为F50，树脂乳液砂浆经300次冻融循环后，重量几乎不损失，抗冻等级大于F300。

2.5 聚合物树脂乳液材料性能

按照试验优选配方，经过工艺试验，调整反应温度、滴加速度和反应时间，最终试验得到合格产品。改性树脂乳液产品的性能见表11。改性树脂乳液砂浆的性能检测结果见表12。

表9 改性树脂乳液砂浆抗渗及抗碳化性能

表10 改性树脂乳液砂浆的抗冻融试验结果

综上，研制的新型聚合物改性树脂乳液砂浆不但显示其优越的综合性能，而且因其成本低、施工方便、环保无毒性而在许多工程中成功地作为一种新型修补、防渗、防腐、防冻材料加以应用。

3 配制及施工要点

根据乳液特性和使用情况，研究制订了改性树脂乳液砂浆配制及施工技术要求如下：

表12 改性树脂乳液砂浆性能指标

(1)使用42.5以上级硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥符合国标要求，新鲜无结块。拌制乳液砂浆所用砂需过2.5 mm筛，砂子含水率应小于4%，品质满足相关规程要求。

(2)乳液需贮存在0 ℃以上的环境中，不宜暴晒，保存期为2 a。施工时一般要求气温高于5 ℃，当气温低于5 ℃或预计有雨或雪时，不宜施工。

(3)修补施工前须清除基底表面污物，尘土和松软、脆弱部分，有条件凿毛更好，然后用清水冲洗干净，施工前应使待施工面处于潮湿饱水且无积水状态，在薄层(2 cm以下)修补区的边缘，宜凿一道3～5 cm深的齿槽，以增加修补面与老混凝土的黏结。

(4)施工前准备好各种容器、拌合及养护等用具，如喷雾器。

(5)施工前要通过试拌确定配合比，计算修补所需材料用量，草包等。确定每次拌合物数量时，要求所拌砂浆能在30～45 min内使用完，不可一次拌和过多数量。

(6)拌合时，先将水泥、砂干拌均匀，然后加乳液充分拌合均匀。乳液砂浆应采用人工搅拌，不宜机械搅拌。严格按设计配比准确称量，水泥称量允许偏差小于1%，砂子允许偏差小于2%，乳液、水允许偏差小于0.5%，严格控制加水量，并将流动度控制在规定的范围内，便于施工即可。乳液砂浆参考配比为水泥∶砂∶乳液∶水=1∶(1.5～2.5)∶( 0.25～0.3)∶适量。

(7)涂抹砂浆时，在修补面上需先涂刷一层乳液净浆，并在净浆未硬化前即铺筑乳液砂浆。净浆配比为1 kg乳液加2 kg水泥，搅拌成浆，拌匀无水泥团。界面处理也可采用混凝土专用界面剂。

(8)砂浆铺筑到位后，用力压实，然后抹面，抹面时应向一个方向抹，一次抹平，不要来回多次地抹，不要二次收光。仰面和立面施工，涂层厚度超过7 mm时，需分二次抹压，以免重垂脱空。修补面积较大时，可隔块跳开分段施工。

(9)乳液砂浆表面抹平略干后，宜用喷雾保湿养护或用薄膜覆盖，终凝后洒水养护，潮湿养护7 d后，即可自然干燥养护。施工要求避风、避阳，采用喷雾保湿，夜间施工等措施。

(10)施工机具应在施工前后清洗干净。

4 结 论

(1)冻结和融化会影响乳液的稳定性，轻则造成乳液表观黏度上升，重则造成乳液的凝聚。低水灰比高流动度的情况，树脂乳液砂浆减水率高；随着时间的延长，树脂乳液砂浆吸水率增大，28 d压折比介于2.79～4.51 MPa，具备抗氯离子和抗硫酸盐侵蚀的渗透性能。改性乳液砂浆收缩率明显减小，抗渗性能和抗碳化性能明显提高。

(2)通过研制高寒区渠道快速修复混凝土聚合物乳液，根据乳液特性和使用情况，研究制订了改性树脂乳液砂浆配制及施工技术要求，为寒区渠道抢险与修复工作提供了前沿技术支撑。