陳建國，陳國慶,3，劉魯強(qiáng)，孫桂山,3，李達(dá)春，陳樹亮

（1. 廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023；2. 廣西水工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 南寧 530023；3. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

沿海水工建筑物修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

陳建國1,2，陳國慶1,2,3，劉魯強(qiáng)1,2，孫桂山1,2,3，李達(dá)春1,2，陳樹亮1,2

（1. 廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西 南寧 530023；2. 廣西水工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 南寧 530023；3. 河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

綜述了沿海水工修補(bǔ)材料的概況，介紹了無機(jī)類、有機(jī)類、有機(jī)改性類 3 種修補(bǔ)材料的特性，闡述了修補(bǔ)材料的性能要求及研究情況，并提出了有機(jī)類改性修補(bǔ)材料發(fā)展所存在的問題及相關(guān)建議，以期為沿海修補(bǔ)工程提供參考。

沿海水工建筑；修補(bǔ)材料；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

混凝土因其性能優(yōu)良、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?；炷翗?gòu)建物在長期的使用過程中，受到重載荷、凍融循環(huán)、氯離子滲透、表面磨蝕、腐蝕介質(zhì)侵蝕等因素的影響，容易出現(xiàn)開裂、剝落等損壞，造成建筑物的結(jié)構(gòu)與功能失效[1-2]。擋潮閘、海堤等沿海水工建筑物因處于干濕交替、潮流沖擊、碳化、微生物腐蝕、氯鹽及硫酸鹽腐蝕的環(huán)境中，更易出現(xiàn)各種缺陷導(dǎo)致功能失效[3]?，F(xiàn)有的沿海水工建筑物修補(bǔ)材料按組成可分為無機(jī)類修補(bǔ)材料、有機(jī)類修補(bǔ)材料和有機(jī)改性類修補(bǔ)材料。無機(jī)類修補(bǔ)材料的組成絕大部分為無機(jī)水硬性膠凝材料，幾乎不含有機(jī)物質(zhì)；有機(jī)類修補(bǔ)材料以聚合物作為膠結(jié)材料；有機(jī)改性類修補(bǔ)材料是通過摻入一定比例的聚合物對(duì)無機(jī)材料進(jìn)行改性處理[4]。

1 沿海水工建筑物修補(bǔ)材料分類

1.1 無機(jī)類修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀

最常見的無機(jī)類修補(bǔ)材料是以水泥作為膠凝材料，與水、砂、石子，必要時(shí)摻入礦物摻合料和纖維，按適當(dāng)比例配合而成的復(fù)合材料。修補(bǔ)工程中常用的水泥有普通硅酸鹽水泥、快硬早強(qiáng)水泥、膨脹水泥，常用的摻合料有粉煤灰、硅灰、高爐礦渣，常用的纖維有鋼纖維、聚丙烯纖維。

普通硅酸鹽水泥因強(qiáng)度高、價(jià)格低廉、施工便利而被廣泛應(yīng)用于一般性的混凝土修補(bǔ)工作。但其存在收縮率大、早期強(qiáng)度低等局限性。除普通硅酸鹽水泥之外，還有其他品種的水泥應(yīng)用于無機(jī)修補(bǔ)材料?？煊苍鐝?qiáng)水泥[5]可以在較短齡期內(nèi)凝結(jié)并達(dá)到較高強(qiáng)度?？煊苍鐝?qiáng)水泥按組成可分為鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等種類。快硬早強(qiáng)水泥存在早期水化熱較高等問題，因此不適用于大多數(shù)水工建筑的修補(bǔ)。膨脹水泥[6]可以在水化和硬化過程中產(chǎn)生體積膨脹，可以解決混凝土在修補(bǔ)過程中收縮帶來的不利影響。膨脹水泥配制的混凝土和易性較差，在實(shí)際應(yīng)用中易出現(xiàn)坍落度損失大等現(xiàn)象，因而對(duì)運(yùn)輸與施工的要求較高[7]。

修補(bǔ)混凝土中常常摻入摻合料以改善其各項(xiàng)性能，常用的摻合料有粉煤灰、硅灰、高爐礦渣等。修補(bǔ)混凝土中摻入粉煤灰可以改善混凝土的和易性、干縮性能等，但摻量過高時(shí)，會(huì)降低其早期強(qiáng)度，影響混凝土的修補(bǔ)效果[8]；硅灰摻入修補(bǔ)混凝土中，細(xì)小的硅灰顆粒填充于水泥漿體的孔隙間，增加了混凝土的密實(shí)度，使其早期強(qiáng)度大大提高，但混凝土摻硅灰可能會(huì)產(chǎn)生自收縮，易出現(xiàn)裂縫，且后期強(qiáng)度增長不明顯[9]；修補(bǔ)混凝土中摻入高爐礦渣，可以提高其流動(dòng)性與后期強(qiáng)度，且能夠降低水化放熱，但存在會(huì)降低早期強(qiáng)度的弊端[10]。

混凝土中摻入纖維可以改善混凝土抗拉強(qiáng)度低、脆性大等缺陷，明顯提高混凝土的韌性、抗裂性、抗拉強(qiáng)度等性能，在近年來被廣泛應(yīng)用于修補(bǔ)工程。但纖維修補(bǔ)混凝土存在流動(dòng)性差、成本高、施工工藝復(fù)雜等問題，因而在沿海水工修補(bǔ)工程中具有局限性[11]。

無機(jī)類修補(bǔ)材料存在粘結(jié)強(qiáng)度低的共性，因此長期耐久性較差，應(yīng)用于水位變動(dòng)區(qū)修補(bǔ)中易出現(xiàn)老化脫落的現(xiàn)象。

1.2 有機(jī)類修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀

有機(jī)類修補(bǔ)材料是以聚合物替代水泥作為膠結(jié)材料，與水、集料、增強(qiáng)材料，摻入固化劑等各種添加劑，通過聚合作用而成的一種復(fù)合材料[4]。由于聚合物填充了混凝土中的孔隙和微裂縫，可提高它的密實(shí)度，使之具有高強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍、抗沖、耐磨、耐化學(xué)腐蝕等顯著優(yōu)點(diǎn)[2,12]。因此，有機(jī)類修補(bǔ)材料以聚合物混凝土或砂漿的形式應(yīng)用于各類修補(bǔ)工程中，其中包括混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫修補(bǔ)、混凝土表面防護(hù)與修補(bǔ)、水工混凝土抗沖磨抗氣蝕保護(hù)、水工混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)等[13]。

有機(jī)類修補(bǔ)材料中常用的聚合物主要有環(huán)氧樹脂、聚氨酯等[14]。環(huán)氧樹脂、聚氨酯分別為含有環(huán)氧基的高分子聚合物與主鏈含—NHCOO—重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的聚合物，具有固化快、粘結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

有機(jī)類修補(bǔ)材料由于其彈性模量與熱膨脹系數(shù)與基材相差較大，相容性較差，導(dǎo)致修補(bǔ)工作初期效果較好，而后續(xù)易出現(xiàn)修補(bǔ)材料脫落的情況[4]。

1.3 有機(jī)改性類修補(bǔ)材料研究現(xiàn)狀

有機(jī)類改性類修補(bǔ)材料是將水泥和集料混合，并與有機(jī)聚合物材料結(jié)合所生成的復(fù)合材料。聚合物的加入使水泥的結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生了改變，混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)與界面過渡區(qū)得到改善，減少了硬化水泥漿體中的微裂紋[15]。Ohama[16]認(rèn)為，聚合物對(duì)混凝土的改性分為聚合物分散、薄膜層形成、融合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)三個(gè)階段。

有機(jī)改性修補(bǔ)材料中聚合物一般采用乳液方式摻入，而最常用的聚合物乳液為 EVA 乳液、環(huán)氧乳液、丙乳、丁苯乳液，具有粘結(jié)強(qiáng)度高、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)。

有機(jī)改性類修補(bǔ)材料的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了無機(jī)類修補(bǔ)材料粘結(jié)強(qiáng)度較低的缺陷，解決了有機(jī)類修補(bǔ)材料與基材相容性較差的問題，因此在修補(bǔ)材料中所占比重日漸增大。

2 沿海水工建筑物修補(bǔ)材料性能研究

沿海水工建筑物修補(bǔ)材料在工作性能方面，需要適宜的凝結(jié)時(shí)間與良好的和易性；在力學(xué)性能方面，需要較高的抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度，與基材具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，且彈性模量與基材接近；在體積穩(wěn)定性方面，需要有較低的干縮率與較好的抗裂性能；在耐久性能方面，需要有較好的抗?jié)B、抗碳化、抗氯離子滲透性能[17-18]。

2.1 拌合物性能研究

修補(bǔ)材料的拌合物性能對(duì)于修補(bǔ)工程的現(xiàn)場(chǎng)施工來說尤為關(guān)鍵。坍落度是衡量修補(bǔ)混凝土拌合物性能的重要指標(biāo)。通?？梢酝ㄟ^調(diào)整水灰比、砂率或添加減水劑、摻合料來調(diào)整混凝土的坍落度。孫慶巍[19]等人研究了減水劑的種類與摻量對(duì)預(yù)拌混凝土坍落度、擴(kuò)展度的影響，結(jié)果表明聚羧酸系減水劑較萘系減水劑有更好的水泥適應(yīng)性，且摻量少、減水率高、混凝土坍落度及擴(kuò)展度經(jīng)時(shí)損失少（見圖1）。

2.2 力學(xué)性能研究

關(guān)于修補(bǔ)材料的力學(xué)性能研究由來已久。修補(bǔ)工程中對(duì)材料早期強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度的要求較高。梁國彪[20]等人通過摻入 20%～30% 復(fù)合功能摻合料（以優(yōu)質(zhì)粉煤灰和硅灰復(fù)合粉體為基材外摻少量激發(fā)劑配制而成），配制出 24h 抗壓強(qiáng)度大于 20MPa，24h 抗折強(qiáng)度大于 3.5MPa，28d 抗壓強(qiáng)度大于50MPa，28d 抗折強(qiáng)度大于 7.0MPa 的快硬高早強(qiáng)的修補(bǔ)混凝土。為提高修補(bǔ)材料與基材的相容性，修補(bǔ)材料的彈性模量需與基材接近。楊華[21]等人研究了混凝土各細(xì)觀組成成分的彈性模量、骨料體積率、骨料最大粒徑、骨料級(jí)配、界面厚度以及孔隙等因素對(duì)混凝土彈性模量的影響規(guī)律，結(jié)果表明：在混凝土的各細(xì)觀組成成分中，砂漿彈性模量對(duì)混凝土彈性模量的影響最大；連續(xù)級(jí)配的混凝土彈性模量在相同條件下大于間斷級(jí)配的混凝土；孔隙的存在以及界面層厚度的增大均會(huì)使混凝土的彈性模量減?。ㄒ妶D2～7）。

圖1 減水劑品種對(duì)拌合物初始坍落度和擴(kuò)展度的影響

圖2 骨料最大粒徑與混凝土彈性模量關(guān)系

圖3 骨料彈性模量與混凝土彈性模量關(guān)系

2.3 體積穩(wěn)定性研究

修補(bǔ)材料的體積穩(wěn)定性是保證修補(bǔ)加固后水工建筑物能夠正常運(yùn)行的重要因素。而干縮率和塑性收縮是衡量修補(bǔ)材料體積穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。洪錦祥[22]等人研究了快速修補(bǔ)混凝土的干縮、早期收縮、自收縮性能以及初長測(cè)試時(shí)間對(duì)混凝土收縮性能評(píng)價(jià)的影響，結(jié)果表明：快速修補(bǔ)混凝土的收縮在 3d 齡期內(nèi)的發(fā)展非常迅速，3d 齡期以后快速修補(bǔ)混凝土的收縮與普通混凝土相當(dāng)，且快速修補(bǔ)混凝土的收縮是以自收縮為主。王英姿[23]等人研究了不同聚合物乳液摻量對(duì)修補(bǔ)砂漿干縮性能的影響，結(jié)果表明適量的聚合物乳液能夠有效減少砂漿的干燥收縮。劉為[24]等人研究了不同含量、不同長度的聚丙烯單絲纖維對(duì)修補(bǔ)混凝土早期收縮開裂的影響，結(jié)果表明加入聚丙烯的纖維修補(bǔ)混凝土收縮比普通修補(bǔ)混凝土減少了 12.6%，且早期裂縫的總長與最大寬度明顯減少（見圖8、圖9）。

圖4 砂漿彈性模量與混凝土彈性模量關(guān)系

圖5 界面彈性模量與混凝土彈性模量關(guān)系

圖6 界面厚度與混凝土彈性模量關(guān)系

圖7 孔隙率與混凝土彈性模量關(guān)系

圖8 混凝土 14d 自生收縮隨時(shí)間變化

圖9 混凝土早期裂縫總長隨時(shí)間變化

2.4 耐久性能研究

在沿海水工建筑物的修補(bǔ)中，混凝土易出現(xiàn)碳化、氯離子侵蝕導(dǎo)致耐久性損傷問題。因此對(duì)沿海抗腐蝕性修補(bǔ)材料耐久性的研究，應(yīng)更著重于抗碳化性能與抗氯離子腐蝕性能方面。劉數(shù)華[25]分析了水工混凝土的碳化機(jī)理，研究配制了以有機(jī)聚合物改性的水工修補(bǔ)混凝土，能有效減少混凝土的碳化破壞。張錦[26]等人結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，建立針對(duì)修補(bǔ)混凝土的修正氯離子滲入模型，提出“強(qiáng)滲比”概念，為工程實(shí)際修補(bǔ)混凝土氯離子滲透性能評(píng)定提供參考。曾俊杰[27]等人以不同摻量偏高嶺土制備混凝土，分別采用浸泡法和 RCM 法測(cè)試混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并通過 XRD 法分析其物相組成，結(jié)果表明，偏高嶺土可顯著降低混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，促進(jìn)了含氯水泥漿中 F 鹽的生成（見圖10～12）。

3 結(jié)語

有機(jī)改性類修補(bǔ)材料彌補(bǔ)了無機(jī)類修補(bǔ)材料粘結(jié)強(qiáng)度較低的缺陷，解決了有機(jī)類修補(bǔ)材料與基材相容性較差的問題，具有巨大的工程應(yīng)用潛力。然而有機(jī)改性類修補(bǔ)材料存在下列一些問題尚未解決：（1）聚合物的摻入一定程度上會(huì)降低材料的抗壓強(qiáng)度；（2）受生產(chǎn)成本影響，聚合物乳液的價(jià)格偏高；（3）有機(jī)改性類修補(bǔ)材料各項(xiàng)性能的系統(tǒng)性研究較少。這些問題阻礙了聚合物改性水泥基修補(bǔ)材料在沿海水工建筑物修補(bǔ)方面的推廣。

因此，需要在總結(jié)前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)聚合物改性水泥基修補(bǔ)材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行系統(tǒng)性研究，考慮摻入無機(jī)類活性摻合料提高其抗壓強(qiáng)度，并完善其在修補(bǔ)工程中的成本預(yù)算，發(fā)掘其應(yīng)用于沿海水工建筑物修補(bǔ)工程中的潛力。

圖10 摻偏高嶺土混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖11 摻偏高嶺土水泥漿相對(duì)氯離子固化率

圖12 摻偏高嶺土對(duì)摻 NaCl 水泥漿物相組成影響

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［通訊地址］廣西南寧民主路 1-5 號(hào) （530023）

Current research status and development trend of coastal hydraulic architecture repair material

Chen Jianguo1,2, Chen Guoqing1,2,3, Liu Luqiang1,2,3, Sun Guishan1,2,3, Li Dachun1,2, Chen Shuliang1,2
(1. Guangxi Hydraulic Research Institute, Nanning 530023; 2. Guangxi Key Laboratory Cultivation Base of Water EngineeringMaterials, Nanning 530023; 3. Hohai University, Nanjing 210098)

This paper summarizes the general situation of Coastal Hydraulic Architecture repairing materials, introduces characteristics on coastal hydraulic engineering of 3 kinds of repairing materials for the inorganic, organic and organic modification, describes the performance requirements and research situation of the repair materials, puts forward the problems existing in the development of the organic modified patching materials and relevant suggestions, in order to provide reference for coastal repair engineering.

coastal hydraulic architecture; repair materials; research status; development trend

陳建國（1984—），男，高級(jí)工程師，從事水利工程新材料研究。