許乾慰，洪 濤，吳毅彬

（1.先進土木工程材料 教育部重點實驗室，上海201804；2.同濟大學 材料科學與工程學院，上海201804 3.上海穎川加固工程技術有限公司，上海201104）

0 前言

在一些諸如大壩、隧道的水下建筑物中，由于建筑設計不合理、施工不規(guī)范或者維護不當，以及河水或者海水常年沖蝕侵蝕，而引起的混凝土缺陷現(xiàn)象非常普遍?；炷寥毕葜饕辛芽p、孔洞、蜂窩等。混凝土的沖刷磨損和氣蝕破壞是造成水下泄水建筑物缺陷常見的原因［1］?；炷恋娜毕輹档突炷恋膹姸?，縮短使用壽命，情況嚴重的可導致水下建筑物的損毀，對人民的生命財產安全造成巨大威脅，因此，對于混凝土水下建筑物缺陷的修補就顯得非常重要。

混凝土水下部位的缺陷，由于受材料與施工工藝、設備的影響，長期以來一直得不到有效的解決。對一些急需處理的工程也只能采用常規(guī)的方法處理，其結果往往不理想。近年來，在科研、施工企業(yè)的共同努力下，開發(fā)了一系列可用于混凝土水下修復的材料，對混凝土水下修復工作的開展提供了極大便利。作者介紹了近來年開發(fā)的一系列水下修復材料，其中包括在水中快速固化、強度高，并可以進行薄層修補的PBM聚合物混凝土；在水下進行快速封縫處理的SXM水下快速密封劑；對水下伸縮縫進行柔性處理的SR防滲模塊；以及在水中固化、綜合性能優(yōu)異的水性聚氨酯灌漿材料等。

1 水下修復材料的特性

與水上修復材料不同，水下修復材料既不能與水互溶，又必須具有一定的親水性。由于修復材料需與混凝土具有很好的黏結性，才能達到穩(wěn)定牢固的修復補強作用。Luc Courard和Tomasz Piotrowski等通過研究發(fā)現(xiàn)：修復材料與混凝土裂縫表面的黏結強度與混凝土表面的粗糙度有著直接的關系。混凝土裂縫表面越粗糙，修復材料與混凝土機械聯(lián)鎖能力越強，黏結強度就越高［2］。而在水下環(huán)境中，混凝土表面附著薄薄的水層，影響到混凝土的表面性能。這就需要具有親水性的基團伸入到水層中去，改變水層表面結構，使修復材料能與混凝土表面很好地黏結。高分子化合物因其基團結構的不同，可分為憎水性基團和親水性基團。這很好解決了水下修復材料“既不溶于水又要親水”的問題。所以無機混凝土的修復材料多為有機高分子材料。水下修復材料并不是單一的純組分材料。它可能包含各種不同性質的材料，如PBM混凝土材料，其中PBM高分子樹脂為膠凝材料，它將石子、砂、水泥或粉煤灰等凝結成混凝土。PBM高分子樹脂能很好包裹石子、砂漿等骨料，具有一定的黏結性，而且樹脂不溶于水。因此，可與水相分離，保證了水泥和其它骨料在水中不分散，使這種混凝土兼顧了普通混凝土和高分子樹脂的力學性能。

根據(jù)修復材料組分的不同，可將修復材料分為：含有混凝土的，如聚合物混凝土、水下不分散混凝土；以及不含混凝土的純聚合物組分，如環(huán)氧樹脂化學灌漿材料、互穿網(wǎng)絡聚合物等。也可以根據(jù)使用性能側重點的不同，將修復材料分為：具修復補強作用的聚合物混凝土材料；具快速堵漏、水下快速密封材料；具針對復雜裂縫的灌漿材料；以及防滲水材料等。但是不管何種水下修復材料，在實際施工應用中必須具有下列特性。

（1）黏結強度 水下修復材料必須具有較好的黏結強度。只有達到規(guī)定的黏結強度，修復材料才能與混凝土表面緊密結合，填補裂縫，不至于在水下沖蝕脫落。

（2）抗分散性 為了防止修復材料在水下分散、離析，修復材料必須具有一定的抗分散性。這可以通過添加抗分散劑，如聚丙烯類PVAD或纖維素類的 HPMC［3］。

（3）快速固化 有時為了達到快速修復的目的，修復材料必須固化時間短，能夠快速固化。固化劑的加入可以縮短固化時間，促進修復材料快速固化。

（4）抗壓和抗折強度 在實際應用中，還需要材料具備一定的力學強度。對于水下修復材料，根據(jù)所修復建筑的類型，需要其具備一定的抗壓強度、抗折強度和抗拉強度，使得固化完全后的修復材料能夠承受建筑結構壓力或者水中壓力的影響，保證其使用壽命。

（5）耐蝕性和耐磨性 為了防止修復材料在海水環(huán)境中受浸蝕，修復材料中加入碳酸鈣或者橡膠類物質以增加其耐蝕性和耐磨性。

2 幾種常用的水下修復材料

目前常用的水下修復材料有：水下不分散混凝土（non dispersible underwater concrete，NDC）、聚合物混凝土（polymer concrete）、水下快速密封材料、水下化學灌漿材料、水下防滲水材料等。

2.1 水下不分散混凝土

水下不分散混凝土是在普通混凝土拌合物中加入高分子絮凝劑（抗分散劑）和其他添加劑（消泡劑和減水劑）。高分子絮凝劑能在水泥顆粒之間形成架橋結構，增大吸附力，提高黏性，抑制混凝土拌合料的稀釋，增加了拌合物的觸變性和保水性；減少了骨料的沉降和離析，從而使混凝土獲得了在水下硬化前具有一定程度的抗分散性。據(jù)Sonebi和Khayat等的文獻［4］報導，近年來常用的水下抗分散劑的主要成分為welan樹脂和纖維素類，并輔以粉煤灰、磨細礦渣、緩凝劑、萘磺酸鹽和密胺樹脂等。王文忠等［5］通過實驗比較了天津建筑科技研究院研制的絮凝劑與中國石油集團工程技術研究院生產的UWB-Ⅱ型絮凝劑，對不分散混凝土性能的影響；并得出了UWB-Ⅱ絮凝劑配制的水下不分散混凝土拌合物具有良好的保水作用，表現(xiàn)出良好的抗分散性和流動性，早期強度較高，能夠滿足設計和施工要求。他們還通過各項性能指標的對比分析，確定能夠滿足設計和施工要求的水下不分散混凝土的最佳配比。

水下不分散混凝土具有優(yōu)良的抗分散性能，還能自流平、自密實；初凝時間20～25h，終凝時間30～35h；七天齡期的抗壓強度可達20MPa以上，抗折強度可達5MPa以上。劉巖等［6］通過實例詳述了水下不分散混凝土的特點，以及在大連港碼頭修復中的應用；介紹了碼頭的損毀情況，并采用陸上澆筑的方法對水下缺陷處進行修復。解決了水下不分散混凝土施工中，需注意的下述問題，如骨料不宜過多，應不超過攪拌機容積的60%，必要時應對粗骨料進行水洗等。林志光［7］研究了水下不分散混凝土在水利工程堤防加固工程中的應用，并以廣東省肇慶市景福圍中的大蓮塘險段的堤防加固為實例。從不分散混凝土的特性、險段整治方案的確定、施工步驟及施工中應注意的問題等幾方面進行了詳細的介紹。結果表明：水下不分散混凝土具有施工簡便、效果良好，相對鉸鏈沉排、土工布模袋等新型護岸方式及造價較低等優(yōu)點。

2.2 聚合物混凝土

聚合物混凝土是較為常用的修復材料。其主要是以高分子樹脂為黏結料，與骨料（石子、砂、水泥等）固結而成。它具有極高的力學性能，可選擇不同類型的樹脂，并通過固化劑用量的調節(jié)，使它在水中快速固化。最常用的樹脂有PBM和環(huán)氧樹脂。以PBM樹脂為例，PBM聚合物混凝土是以不飽和聚酯為膠結料而形成的具有互穿網(wǎng)絡結構的材料。通過引發(fā)劑引發(fā)鏈增長反應，因此可在水中快速固化。它的強度迅速地增加，數(shù)小時后即可投入使用。一天后的抗壓強度可達到30MPa以上，適用于水下混凝土缺陷的快速修補。Jose Carlos和Kleber等［8］則大膽創(chuàng)新，采用廢棄的聚合物，如凝集低密度聚乙烯（LDPE）、壓碎的聚對苯二甲酸乙酯（PET）和無用的輪胎橡膠等為聚合物填料。利用它們的耐磨和耐蝕性能，使得聚合物混凝土的耐蝕性、沖刷耐磨性和抗壓強度大大增強，并且廢物利用，節(jié)約資源，保護環(huán)境。

此外，PBM聚合物混凝土還具有在水下不分散、不離析、施工時不需導管，可直接倒入水下處理部位，不需震搗，可自流平、自密實等特點。其抗壓強度大于70MPa，抗折強度大于20MPa，抗拉強度大于12MPa，黏接強度大于2.5MPa，在水下進行以厘米計的薄層修補。PBA聚合物混凝土可進行垂直面的立模澆注和平面攤鋪，還具有對水下金屬管道進行快速堵漏處理等諸多優(yōu)點。房建國等［9］經(jīng)過對各種材料的性能比較，最終確定使用新型的PBM聚合物混凝土材料對青銅峽大壩底板沖坑進行補強加固。因為PBM聚合物混凝土的硬化時間短，澆筑3～5d后即可通過水流，使修補的部位投入正常運行。它的黏結性能好，抗沖耐磨強度高，適合于30cm以下的薄層修補。它的自流平和自密實特點使修補表面非常光滑平整，有利于水流通過。耿恒銀等［10］通過對水下不分散混凝土和PBM聚合物混凝土的比較分析得出：NDC較多地用于水下大體積混凝土的澆筑和修補處理，但對水下工程的快速和薄層澆筑則不太適用。對于薄層的快速修復，采用PBM混凝土則較為合適。他們采用PBM聚合物混凝土對五強溪電廠消力池底板的沖坑薄層修補。修補完成后，左消力池底板正常使用將近一年時間，其中遭遇多次洪水的淘刷。2008年9月，對修復區(qū)域澆筑進行水下攝像檢查。檢查結果表明：水下修補部位混凝土狀況良好，表面平整光滑，無麻面等沖刷破壞現(xiàn)象；新老混凝土交接處無開裂、沖刷破壞等現(xiàn)象。

2.3 SXM水下快速密封劑

水下混凝土裂縫的修補，也可以采用快速堵漏材料對裂縫進行封堵，然后在混凝土表面涂覆聚合物水泥砂漿或高分子涂料進行加強處理。以往常用的快速封堵材料有堵漏靈、水不漏、五礬防水膠泥、防水寶等。但在水下作業(yè)時，上述材料都無法滿足工程的要求。SXM水下快速密封劑的應用，解決了對水下混凝土裂縫堵漏等一系列問題［11］。

SXM水下快速密封劑為雙組分：A組分（灰色粉末）和B組分（無色透明液體），其質量比為1∶（0.3～0.35）。SXM 按凝固速率可分為三種類型：SXM-1型、SXM-2型和SXM-3型。固化時間較快的可在12h內終凝。7天后的抗壓強度可達20 MPa以上，抗折強度可達5MPa以上。此外，SXM材料還具有與水下混凝土黏接力強、在水下不易分散、固化速率快、無毒等特點，適用于水下混凝土裂縫的密封和補強加固處理。其固化速率在一定范圍內可進行調節(jié)，以滿足不同工程的需要，且使用方便，不需立模。

2.4 水溶性聚氨酯灌漿材料

水溶性聚氨酯灌漿液是一種由異氰酸酯與水溶性聚醚合成的功能獨特的高分子化學灌漿材料。申寶兵等［12］以不同的官能度、低相對分子質量、含活性氫的單體為復合起始劑，KOH為催化劑，與環(huán)氧丙烷（PO）、環(huán)氧乙烷（EO）進行加成反應，合成了新型水性PU灌漿用聚醚GJ 3802。該聚醚的羥值約為24mg KOH／g，25℃時，黏度約為1 250 MPa·s。用GJ 3802與TDI合成的預聚體的包水量高達25倍。由該預聚體配制的水性PU灌漿材料能滿足大壩、堤防、地下水道等堵漏防滲的要求。水溶性聚氨酯遇水后發(fā)生聚合反應，體積迅速膨脹，并與泥砂結成彈性體。它是一種有效的混凝土裂縫灌漿補強和堵漏材料，可用于0.10mm以上裂縫常壓灌漿和0.05mm以上的裂縫高壓灌漿。

不同與其他修復材料，水溶性的聚氨酯的斷裂伸長率和膨脹率很大，膨脹率大于200%，斷裂伸長率為200%～300%；凝結時間在幾十秒到幾十分鐘內可控；固化后的抗拉強度大于2.0MPa，抗壓強度大于2.8MPa。黎學皓等［13］利用水溶性聚氨酯對新疆博斯騰湖東泵站主廠房底板裂縫進行了修補。由于裂縫尚未完全穩(wěn)定，要求所使用材料既能堵漏又具有較強黏結能力，自身的抗拉強度要好，以起到補強效果。同時還應具有一定的延伸率以適應裂縫的變形。水溶性聚氨酯的斷裂伸長率和膨脹率很大，因此，采用高分子聚氨酯材料能對活動裂縫進行灌漿處理。

近年來一些新型灌漿材料的研究也嶄露頭角。新型灌漿材料固化速率快，且具有很大的黏結強度。賓斌等［14］通過乙醇封端的二異氰酸酯，對乙烯基酯樹脂進行改性。在其側鏈上接枝強極性的氨酯鍵，合成了一種新型改性乙烯基酯樹脂水下灌漿材料。該改性乙烯基酯樹脂灌漿材料作為水下修補材料，黏度低于100MPa·s，黏接抗拉強度達3MPa，固結體抗壓強度高于100MPa，固化時間在幾十分鐘到幾個小時內可控，形成固化物的時間短，可以快速對水下混凝土基體細小裂縫進行修復補強。Duan Hongfei和Jiang Zhenquan等［15］綜合利用了水泥灌漿和化學灌漿的優(yōu)點合成出一種新型的復合雙組分的灌漿材料。其中A組分為改性后的脲醛樹脂和水泥，B組分為堿性凝結劑。通過調節(jié)A、B兩組分的配比，制成了一種黏結強度高、固化速率快的新型灌漿材料。

2.5 水下環(huán)氧樹脂類灌漿材料

眾所周知，環(huán)氧樹脂具有很好的附著力。這源于其能與接觸的表面形成很強的極性鍵。液態(tài)的環(huán)氧樹脂代替空氣與表面形成極性鍵。在水下也如在干燥表面一樣。該極性鍵強到足以排出液體，因此其在水下也能生成強極性的鍵［16］。這樣就可以解決修復材料與修復層間容易形成水層的問題，達到良好的黏結效果。與聚氨酯這樣的防滲水止水材料相比，環(huán)氧樹脂材料具有較好的力學性能，在水下混凝土裂縫缺陷修補中起到很好的加固補強作用。

水下環(huán)氧材料以環(huán)氧樹脂為主，添加增韌劑、活化劑、固化劑等助劑而制成，可適應不同的工程需要。其主要特點是在分子結構中引入了強極性親水性基團，并采用專用的水下固化劑，使得它在水中具有較好的涂刷性能，且與鋼板、混凝土等材料具有很強的黏結力，廣泛應用于水下工程缺陷修補、結構補強、表面保護等。呂聯(lián)亞［17］對云南某大型水電站壩體混凝土因多種原因產生的多條貫穿或不貫穿的裂縫，采取了以低黏度環(huán)氧樹脂化學灌漿為主的措施。使用的PSI-500環(huán)氧樹脂漿材黏度低，可操作時間長，綜合性能好。修復結束一段時間后進行測試，結果表明：環(huán)氧樹脂化學灌漿可以有效填充裂縫，提高裂縫面強度，消除裂縫等不利影響，防水防滲，對恢復拱壩的整體安全性有著重要作用。

2.6 SR防滲模塊

SR防滲模塊主要由SR塑性止水材料、SR混凝土防滲蓋片、HK963水下黏合劑等系列配套止水材料復合而成。SR塑性止水材料具有塑性大、適應變形能力強、抗老化性能好等特點，是伸縮縫及混凝土裂縫迎水面常用的止水材料。SR防滲蓋片是一種片狀防滲材料，可以有效地處理混凝土表面的細微裂縫，并可以防止新裂縫產生的滲漏。

SR防滲模塊可以在水中混凝土迎水表面直接施工，形成表面柔性防滲體系，具有施工簡便、接縫變形適應性強、防滲效果好、檢查維修方便、材料成本低等特性，常用于混凝土大壩及其它建筑物的變形縫的防滲處理。譚建平［18］采用SR防滲模塊對新安江水電站19-20號壩段橫縫進行防滲施工；探索了水下防滲新材料與水下施工液壓技術相結合的水下防滲施工法。在國內首次實現(xiàn)了38.2m水深錯臺橫縫迎水面的水下防滲施工。

2.7 互穿網(wǎng)絡聚合物型水下修復材料

采用互穿聚合物網(wǎng)絡技術，利用兩種或者兩種以上不同品種的高分子材料，制備出一種性能優(yōu)良的新材料。它綜合了不同材料的優(yōu)點，克服了各自的局限性?；ゴ┚酆衔锞W(wǎng)絡技術是近幾十年來國內外高分子材料共混改性領域中發(fā)展很快的一種新技術。它是兩種或多種聚合物在聚合過程中相互貫穿形成網(wǎng)絡互鎖結構，從而使聚合物具有優(yōu)于任何單一組分的性能。以丙烯酸環(huán)氧樹脂為主體，利用聚氨酯預聚體含有的—NCO能與水反應的特點，將其引入到漿液中。此材料綜合了不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等材料的多種優(yōu)良性能。它既具有較高的強度，又有合適的韌性，可在低溫水中快速固化，是一種開發(fā)應用中的多用途修復材料［19］。

3 結語

綜上所述，水下修復材料種類繁多，各自都具有獨特的良好性能。在對水下部位缺陷進行修復時，一定要考察好缺陷情況，采用合適的修復材料。例如：NDC較多地用于水下大體積混凝土的澆筑和修補處理，但對水下工程的快速和薄層澆筑則不太適用；對于薄層的快速修復采用PBM聚合物混凝土較為合適；而水性聚氨酯灌漿材料對那些不穩(wěn)定的裂縫缺陷具有很好的作用。

水下修復材料仍是水下修復技術研究中的一個重要課題?，F(xiàn)有的水下修復材料在對混凝土裂縫修復性能上研究得比較深入，而施工工藝對修復材料的要求研究得不多。水下修復操作施工難度大，潛水員需要在水下進行多工序的修復操作。因此，今后的修復材料在方便水下施工方面需進一步研究。例如：是否可以采用陸上澆筑灌漿的方式，使用的材料自流平、自密實性能是否好。高分子材料作為水下修復材料的主流，如互穿網(wǎng)絡聚合物和一些高分子灌漿材料。這些新型修復材料的研究與開發(fā)，為水下修復工程提供了新材料、新工藝。展望未來，將有更多種類聚合物納入水下修復材料的行列，它們不僅僅限于聚氨酯類和環(huán)氧類的修復材料，丙烯酸酯類這種具有良好黏結性能，且低黏度的高分子材料同樣也是水下修復材料的研究方向。

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