司金艷 王光明 王灝

北京市市政工程研究院 100037

引言

在城市排水設(shè)施中，沿排水管道一般每隔30m ～50m就會(huì)設(shè)置一口檢查井，以便工作人員通過(guò)檢查井對(duì)排水管道進(jìn)行檢查和維護(hù)，因此檢查井在城市排水系統(tǒng)中占據(jù)重要位置。但是由于汽蝕、車(chē)輛荷載、土體破壞等原因，檢查井不可避免地出現(xiàn)滲漏、腐蝕、砂漿面層脫落、破裂、井周沉降、結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象，使得檢查井的破壞極為普遍。也正因此，檢查井的修復(fù)工作十分的必要且艱巨［1］。

目前國(guó)內(nèi)檢查井修復(fù)主要有四類(lèi)，原位澆筑內(nèi)襯法、原位固化法、注漿法和噴涂修復(fù)法。原位澆筑內(nèi)襯一般采用混凝土或無(wú)機(jī)砂漿類(lèi)，修復(fù)后的內(nèi)襯層與原井壁粘結(jié)性能好，但是強(qiáng)度較低，很難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)作用；原位固化法，類(lèi)似于管道的紫外固化，但是由于檢查井內(nèi)有踏步，原位固化很難形成一個(gè)整體，從而影響修復(fù)后檢查井的抗?jié)B性能；注漿法是在井周澆筑混凝土或砂漿類(lèi)，但是由于土體復(fù)雜性，很難保證將檢查井全部包裹，修復(fù)效果大打折扣［2］。這三類(lèi)修復(fù)方法只能對(duì)檢查井起到防腐、防滲等功能性修復(fù)，無(wú)法達(dá)到結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)的作用。

要達(dá)到對(duì)檢查井的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和功能修復(fù)，需要一種改性砂漿，具備良好的力學(xué)性能和抗?jié)B、抗腐蝕的良好耐久性，同時(shí)具備易于施工和操作的特性。粘結(jié)強(qiáng)度、回彈量、流變參數(shù)都是配制噴涂砂漿的重要參數(shù)指標(biāo)。本文以這三項(xiàng)指標(biāo)為控制因素，通過(guò)分析不同組分對(duì)三項(xiàng)指標(biāo)的影響，調(diào)整配合比，確定噴涂砂漿的最優(yōu)化配合比，并介紹了噴涂修復(fù)的相關(guān)工藝。

1 噴涂砂漿配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

噴涂砂漿的配合比以超高性能混凝土材料體系為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整集料摻量和減水劑摻量，以粘結(jié)強(qiáng)度、回彈量、流變參數(shù)為控制指標(biāo)，復(fù)配而成。

回彈量是噴涂砂漿施工中要考慮的因素。影響回彈的主要因素有三個(gè)，砂率、硅灰摻量和速凝劑摻量。若要有效減少?lài)娡可皾{回彈量，需要提高砂率，適當(dāng)加入硅灰和速凝劑。在超高性能混凝土材料體系中，加入硅灰取代部分水泥，同時(shí)采用石英砂或細(xì)砂，沒(méi)有石子，集料比表面積很大，材料均勻連續(xù)，可以有效減少回彈，因此可以采用UHPC材料體系中，水泥、級(jí)配石英砂和硅灰的摻量比例；另外為了有效控制回彈，需要在材料中加入適當(dāng)摻量的速凝劑，使噴涂砂漿可以具備良好的保水性，同時(shí)可以快速凝結(jié)，附著于井壁，有效減少回彈量。

粘結(jié)強(qiáng)度決定了噴涂砂漿與原有井壁的貼合度，也是噴涂砂漿的一項(xiàng)重要控制因素。粘結(jié)強(qiáng)度與基材表面粗糙度、砂漿本身粘結(jié)性能、砂漿與基材相容性有關(guān)。超高性能混凝土材料與基材都屬于無(wú)機(jī)材料，相容性很好，且其正拉粘結(jié)強(qiáng)度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基材的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度，所以超高性能混凝土材料體系的粘結(jié)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

流變參數(shù)是水泥漿體材料流動(dòng)性能、工作性能的重要指標(biāo)。水灰比、硅灰摻量、減水劑摻量都會(huì)影響水泥漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度的變化，通過(guò)試驗(yàn)可以確定水泥砂漿的最佳配合比及摻合料、外加劑的使用量，從而可以指導(dǎo)水泥砂漿的配合比設(shè)計(jì)或化學(xué)外加劑性能的改進(jìn)。

綜上所述，試驗(yàn)中水泥、硅灰、石英砂含量通過(guò)回彈量控制因素，確定其質(zhì)量比遵循UHPC材料體系比例，為水泥∶硅灰∶石英砂＝29∶5∶39，

速凝劑摻量通過(guò)試驗(yàn)確定，此外硅灰摻量還需通過(guò)流變參數(shù)進(jìn)一步復(fù)核。水灰比、減水劑摻量通過(guò)流變參數(shù)控制，并由力學(xué)性能指標(biāo)和黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。通過(guò)上述試驗(yàn)可以確定噴涂砂漿的最終配合比。

2 噴涂砂漿配合比各組分的確定

2.1 速凝劑摻量確定

水泥采用混凝土外加劑檢測(cè)專(zhuān)用P.I 42.5 基準(zhǔn)水泥，砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂，膠砂比為1∶3，水灰比為0.4，速凝劑為無(wú)堿速凝劑，摻量從0 到5%，分別測(cè)定砂漿的初凝和終凝時(shí)間，以及砂漿的3d和28d 的抗折、抗壓強(qiáng)度。其試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 速凝劑摻量對(duì)砂漿性能的影響Fig.1 Influence of accelerating agent content on material property of mortar

通過(guò)圖1 可以看出，速凝劑的的摻入可以有效減少水泥砂漿的初凝和終凝時(shí)間，當(dāng)速凝劑摻量在1% ～3%時(shí)，降低幅度很大，當(dāng)速凝劑摻量大于3%時(shí)，降低效果不太明顯了，這是因?yàn)?，加入速凝劑后，加速了鈣礬石和硫鋁酸鹽的反應(yīng)，而隨著速凝劑摻量的增多，一方面，有效水化成份逐漸減少，另一方面，水化產(chǎn)物加速凝結(jié)，使得一部分水泥未發(fā)生水化反應(yīng)就被水化產(chǎn)生的絮狀物包裹，水化反應(yīng)終止，因此，隨著速凝劑摻量的增加，水泥砂漿早期強(qiáng)度逐漸增加，而后期強(qiáng)度先增加后降低，如圖2、圖3 所示。確定噴射砂漿中速凝劑的摻量為3%。

2.2 流變?cè)囼?yàn)

1.試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用MCMR 可移動(dòng)式混凝土砂漿流變儀測(cè)試機(jī)噴水泥砂漿的流變性，將要測(cè)試的水泥砂漿按照比例在攪拌機(jī)中攪拌均勻，倒入多功能測(cè)試釜，水泥砂漿達(dá)到測(cè)試釜的刻線(xiàn)位置，然后安裝精密夾具，并與測(cè)試支架系統(tǒng)和流變儀主機(jī)相連，控制測(cè)試速度和攪拌力度；流變儀主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與控制主機(jī)相連，利用主機(jī)的操作系統(tǒng)可以設(shè)置夾具參數(shù)，控制試驗(yàn)狀態(tài)并記錄數(shù)據(jù)。

2.水灰比對(duì)水泥砂漿流變性的影響

水泥采用混凝土外加劑檢測(cè)專(zhuān)用P.I 42.5 基準(zhǔn)水泥，砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂，膠砂比為1∶3，水灰比分別為0.3、0.35、0.4、0.45、0.5，然后分別測(cè)試不同水灰比下，機(jī)噴水泥砂漿的流變參數(shù)。

表1 不同水灰比下砂漿流變參數(shù)Tab.1 Rheological parameters of mortar with different water-cement ratio

通過(guò)表2 可以看出，隨著水灰比的增大，屈服應(yīng)力和塑性黏度反而減小，這是因?yàn)殡S著水灰比的變化，漿體中自由水和漿體分散程度不同造成的。水灰比較低時(shí)，漿體中自由水較少，絮狀結(jié)構(gòu)物沒(méi)有完全分散開(kāi)，水泥漿體流動(dòng)阻力較大，因此屈服應(yīng)力和塑性黏度都較大，隨著水灰比的增加，自由水變多，絮狀結(jié)構(gòu)物單元也更加分散，漿體之間的內(nèi)摩擦力變小，流動(dòng)阻力變小，所以屈服應(yīng)力和塑性黏度都隨之降低。

砂漿的流變性隨著水灰比的增加而增加，良好的流變性是保證水泥砂漿良好施工性的基礎(chǔ)，但是水灰比過(guò)大，水泥砂漿的力學(xué)性能降低，抗?jié)B和耐腐蝕性都降低，而且流動(dòng)度過(guò)大，噴涂砂漿回彈量會(huì)增大，會(huì)出現(xiàn)表面流漿等現(xiàn)象。

試噴試驗(yàn)中分別選取水灰比為0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 的水泥砂漿進(jìn)行試噴試驗(yàn)，噴涂面如圖2 所示，其回彈量及漿體掛壁情況匯總?cè)绫? 所示，水灰比在0.3 ～0.35 左右，噴涂回彈量小，噴涂表面光滑均勻，但是當(dāng)水灰比為0.3時(shí)，塑性黏度過(guò)大，砂漿流動(dòng)性較差，不利于噴漿送漿的連續(xù)性，所以確定最終的水灰比為0.35。

表2 不同水灰比試噴試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab.2 Summary of test spray test results with different water-cement ratio

圖2 噴涂面Fig.2 Spraying surface

3.硅灰含量對(duì)水泥砂漿流變性的影響

試驗(yàn)時(shí)水泥采用混凝土外加劑檢測(cè)專(zhuān)用P.I 42.5基準(zhǔn)水泥，砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂，膠砂比為1∶3，固定水膠比0.35，硅灰摻量使用內(nèi)摻法分別為2%、4%、6%、8%、10%，測(cè)試水泥漿體的流變參數(shù)。

表3 不同硅灰摻量下砂漿流變參數(shù)Tab.3 Rheological parameters of mortar with different silica fume content

由表3 可知，在保證水膠比不變的前提下，隨著硅灰摻量的增加，屈服應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，而塑性黏度反而增長(zhǎng)。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，硅灰顆粒形狀大多為圓球形，表面光滑，在集料中起到滾珠作用，可以使集料表面潤(rùn)滑，所以屈服應(yīng)力減小。而硅灰的密度比水泥小，當(dāng)?shù)攘看嫠嗪螅瑫?huì)增加膠體體積，黏度就會(huì)增大［3］。

硅灰增加，水泥砂漿流動(dòng)性增加，黏度增大。水泥漿體黏度過(guò)大，噴涂面層容易產(chǎn)生顆粒狀鼓包現(xiàn)象，這是因?yàn)樯皾{黏性過(guò)大，分子顆粒間連接性更好，噴涂時(shí)顆粒之間的黏聚力對(duì)噴涂出漿產(chǎn)生一定的影響，出漿速度不連貫，漿體也不是均勻噴出，另外漿體黏性過(guò)大，由于重力因素漿體在井壁未完全粘結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生流掛現(xiàn)象。因此硅灰在保證材料性能的前提下，應(yīng)適當(dāng)減少比例。當(dāng)硅灰摻量為水泥摻量的6%時(shí)，其塑性黏度和屈服應(yīng)力與水灰比為0.35 時(shí)的指標(biāo)接近，符合施工需求，所以確定了硅灰的最佳摻量為6%。

4.減水劑摻量對(duì)水泥砂漿流變性的影響

聚羧酸減水劑是工程中較常用的外加劑之一，尤其對(duì)于流動(dòng)性較差的水泥混凝土來(lái)說(shuō)，高性能減水劑更是不可或缺的組分之一。本節(jié)從流變學(xué)角度分析高性能減水劑對(duì)水泥砂漿流變性能的影響。選用水灰比為0.5 的水泥砂漿，減水劑摻量分別為水泥質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

由圖3 可以看出，隨著減水劑摻量的增加，水泥砂漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，砂漿塑性黏度的變化較?。簧皾{屈服應(yīng)力的變化幅度隨減水劑摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，減水劑摻量為0.2%時(shí)，砂漿的屈服應(yīng)力降低幅度很大，但減水劑摻量達(dá)到0.3%后，砂漿屈服應(yīng)力降低幅度明顯減小。

圖3 減水劑摻量對(duì)砂漿流變性的影響Fig.3 Influence of water reducing agent content on Rheology of mortar

加入減水劑后，砂漿的屈服應(yīng)力和塑性黏度之所以會(huì)降低，一方面是由于減水劑的分散作用；另一方面，水泥顆粒表面吸附減水劑后，會(huì)形成具有一定強(qiáng)度的溶劑化水膜，破壞水泥的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放出包裹在其中的拌合水。這些水釋放出來(lái)后成為自由水，可以有效增加拌合物的流動(dòng)性能，增大水泥凈漿的流動(dòng)度［4］。

另外，試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明了減水劑的摻量對(duì)水泥漿體的流動(dòng)影響有一個(gè)臨界點(diǎn)，超過(guò)臨界點(diǎn)后，減水劑對(duì)水泥的流變性影響降低，這是因?yàn)闇p水劑在水泥水化過(guò)程中，會(huì)形成高分子鏈結(jié)構(gòu)，互相穿插纏繞在水泥水化的絮狀結(jié)構(gòu)中，對(duì)流變的影響降低。由圖3 可以看出，減水劑摻加量超過(guò)0.2%后砂漿塑性黏度和屈服應(yīng)力降低趨勢(shì)明顯減緩。

通過(guò)對(duì)不同減水劑摻量的水泥砂漿力學(xué)性能指標(biāo)試驗(yàn)，表明減水劑可以有效提高水泥砂漿的強(qiáng)度，但是超過(guò)一定范圍后，提高效果降低，通過(guò)這些試驗(yàn)確定減水劑的摻量為0.2%。

2.3 檢查井噴涂砂漿最終配合比

上述試驗(yàn)均為單一變量試配試驗(yàn)，考慮外加劑的協(xié)同效應(yīng)，在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上，試配5 組不同配比試驗(yàn)（表4），通過(guò)抗折、抗壓、正拉粘結(jié)強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、塑性粘度等指標(biāo)綜合對(duì)比，確定檢查井噴涂砂漿的最終配合比。

通過(guò)表5 數(shù)據(jù)顯示，隨著石英砂的增加，砂漿力學(xué)性能指標(biāo)增加，塑性黏度也會(huì)增大；而減水劑得增加，使得砂漿強(qiáng)度增加，但是減水劑有緩凝和增加流動(dòng)性的作用，塑性黏度過(guò)小會(huì)出現(xiàn)流漿和掛壁現(xiàn)象；速凝劑的加入會(huì)改變砂漿的凝結(jié)時(shí)間，在考慮盡量提高砂漿強(qiáng)度的前提下，需要保證施工時(shí)間和一定塑性黏度指標(biāo)，綜合權(quán)衡，確定檢查井噴涂砂漿的最優(yōu)配合比為序號(hào)2所列，具體各組分含量如表6 所示。

表4 檢查井噴涂砂漿配合比Tab.4 Spray mortar mix ratio of inspection well

表5 不同配合比性能對(duì)比Tab.5 Performance comparison of different mix ratios

表6 檢查井噴涂砂漿的最佳配合比Tab.6 The best mix ratio of spray mortar for inspection well

3 檢查井噴涂砂漿與普通砂漿性能對(duì)比

普通砂漿和本文配制的檢查井噴涂砂漿做對(duì)比，其中普通砂漿水泥采用混凝土外加劑檢測(cè)專(zhuān)用P.I 42.5 基準(zhǔn)水泥，砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂，膠砂比為1∶3，水灰比為0.35。

3.1 粘結(jié)抗拉強(qiáng)度對(duì)比

檢查井修復(fù)中，砂漿要與原井壁緊密結(jié)合，所以粘結(jié)抗拉強(qiáng)度是一個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)。試驗(yàn)選取了普通砂漿和檢查井噴涂砂漿作為對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7 可以看出，配制的檢查井噴涂砂漿比普通砂漿的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度有顯著提升，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，粘結(jié)抗拉強(qiáng)度逐漸增大。其原因是由于硅灰與水泥和石英砂形成了級(jí)配連續(xù)和最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，有效成為了一個(gè)整體，高效減水劑的加入又使得結(jié)構(gòu)更為緊密，很大程度上提高了噴涂砂漿的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度。

表7 砂漿粘結(jié)抗拉強(qiáng)度結(jié)果（單位：MPa）Tab.7 Mortar bond tensile strength results（unit：MPa）

3.2 耐腐蝕性能對(duì)比

通過(guò)檢查井的破壞形式可以看出，檢查井井壁的汽蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，這需要噴涂砂漿具備良好的耐腐蝕性能，本試驗(yàn)分別采用PH ＝2、7、13 的強(qiáng)酸、中性和強(qiáng)堿溶液，將制作的70mm ×70mm×70mm的普通砂漿試塊和噴涂砂漿試塊放到溶液中浸泡，2 個(gè)月后觀(guān)測(cè)表面情況有無(wú)松散剝落坑槽等現(xiàn)象，觀(guān)測(cè)其耐腐蝕性，并測(cè)試抗壓強(qiáng)度有無(wú)損失，測(cè)試結(jié)果如表8 所示。從表8 可以看出，養(yǎng)護(hù)完后的噴涂砂漿試塊抗壓強(qiáng)度平均值為72.5MPa，普通砂漿試塊抗壓強(qiáng)度為42.5MPa，檢查井噴涂砂漿的耐腐蝕性?xún)?yōu)于普通砂漿。這是因?yàn)閲娡可皾{致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，阻止了水分的浸入，提升了材料的耐腐蝕性。

表8 砂漿防腐性能試驗(yàn)Tab.8 Mortar corrosion resistance test

4 檢查井噴涂修復(fù)工藝及應(yīng)用

4.1 檢查井噴涂修復(fù)工藝

檢查井噴涂修復(fù)中，通過(guò)控制提升下放速度可以控制每回次噴涂厚度為2mm ～3mm，采用多回次往復(fù)噴涂可以達(dá)到所需的內(nèi)襯厚度。

在檢查井噴涂修復(fù)之前要對(duì)檢查井壁進(jìn)行預(yù)處理，提高噴涂砂漿與原檢查井壁的粘結(jié)性能。預(yù)處理包括：（1）井底鋪設(shè)網(wǎng)袋，防止高壓沖刷清洗產(chǎn)生的雜物掉入排水管道中，造成淤堵；（2）高壓水沖刷掉檢查井壁的雜物、灰塵等；（3）檢查井壁應(yīng)保證無(wú)油漬、污泥等，且檢查井壁的松散脫落結(jié)構(gòu)都應(yīng)清除干凈；（4）如果有局部滲漏、裂縫等，應(yīng)先對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)后再進(jìn)行噴涂修復(fù)；（5）如果檢查井有大部分凹陷或結(jié)構(gòu)脫落的話(huà)，應(yīng)先用砂漿抹平，再進(jìn)行噴涂修復(fù)。

預(yù)處理合格后，可以對(duì)檢查井進(jìn)行噴涂修復(fù)，其步驟包括：（1）打開(kāi)檢查井蓋，通風(fēng)；（2）配制修復(fù)材料；（3）通過(guò)旋噴機(jī)將配制好的修復(fù)材料多回次噴涂在檢查井內(nèi)壁；（4）24 小時(shí)后，用檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行探傷檢查，并復(fù)查修復(fù)后檢查井內(nèi)壁的噴涂層厚度、表面粗糙度、表面平整度和裂縫情況，并進(jìn)行評(píng)估分析；（5）若修復(fù)后檢查井內(nèi)壁未達(dá)標(biāo)，重復(fù)第三步。

4.2 檢查井噴涂修復(fù)應(yīng)用

經(jīng)有關(guān)部門(mén)協(xié)調(diào)，選取北京市5 處檢查井進(jìn)行了噴涂修復(fù)試噴試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證噴涂表面光滑平整，厚度均勻，無(wú)裂縫產(chǎn)生，28d 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示噴涂層無(wú)脫落、開(kāi)裂情況，噴涂修復(fù)工藝適用于實(shí)際工程應(yīng)用。噴涂修復(fù)過(guò)程如圖4所示。

圖4 檢查井噴涂修復(fù)Fig.4 Spray of inspection well

5 結(jié)語(yǔ)

本文以超高性能混凝土材料體系為基礎(chǔ)，通過(guò)粘結(jié)強(qiáng)度、回彈量、流變參數(shù)等確定檢查井噴涂砂漿的優(yōu)化配合比，優(yōu)化后的檢查井噴涂砂漿其粘結(jié)強(qiáng)度和耐腐蝕性等指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通砂漿，并經(jīng)實(shí)際噴涂驗(yàn)證，噴涂材料與檢查井壁結(jié)合緊密，井壁表面光滑，噴涂修復(fù)工藝適用于實(shí)際工程應(yīng)用，操作簡(jiǎn)便，易于施工。