鐘桂清

（廣東省天中勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 511300）

0 引言

高速水流通常會(huì)導(dǎo)致水電站大壩混凝土發(fā)生侵蝕、空化等磨損情況，且水工建筑物遵守動(dòng)力學(xué)守恒，受侵蝕將造成大壩表面產(chǎn)生缺陷。因此，需要適當(dāng)使用修復(fù)材料對(duì)受損結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行維護(hù)[1，2]。已有許多學(xué)者針對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究，如耿繼雙[3]等通過(guò)不同含量的膨脹劑和碳纖維，對(duì)修復(fù)材料抗折和抗壓強(qiáng)度、修復(fù)界面劈拉和直接拉伸強(qiáng)度等性能的影響進(jìn)行了研究；唐傳輝[4]等從宏觀層面、微觀層面對(duì)以環(huán)氧樹(shù)脂體系為基礎(chǔ)的各類修補(bǔ)材料的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)方式進(jìn)行分析；孔[5]等通過(guò)在混凝土修復(fù)材料中添加偏高嶺土或添加水晶廢渣，并針對(duì)添加不同修復(fù)材料后混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、界面結(jié)構(gòu)粘結(jié)性等進(jìn)行研究。結(jié)合以上研究，為提高水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，本文針對(duì)2個(gè)磨損案例應(yīng)用的不同修復(fù)材料分別進(jìn)行分析。

1 混凝土結(jié)構(gòu)磨損機(jī)理

混凝土水工結(jié)構(gòu)的耐久性受材料使用情況及運(yùn)行環(huán)境的影響，一般都需要進(jìn)行維護(hù)和維修。為了修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)損壞的表面而研究出了修復(fù)材料，這些修復(fù)材料除了要符合磨損現(xiàn)象的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)的工作條件，還應(yīng)考慮材料間的兼容性、修復(fù)時(shí)間、運(yùn)營(yíng)成本等特征。混凝土結(jié)構(gòu)磨損主要有2個(gè)原因：1）因車輛等交通工具造成工業(yè)地板和路面間的磨損；2）渠道和溢洪道等水工結(jié)構(gòu)受水流沖擊引起的磨損，磨損程度與水流紊流程度相關(guān)，如帶有懸浮碎屑的湍流撞擊混凝土表面后將造成不同程度的磨損。發(fā)生磨損現(xiàn)象主要是由于材料耐磨性逐漸減低，而影響其變化因素的還有材料性質(zhì)與用量、混凝土強(qiáng)度、混合物配合比等因素，其中抗壓強(qiáng)度是最重要的因素之一，混凝土耐磨性與抗壓強(qiáng)度呈正比變化。

修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)提高構(gòu)筑物安全性至關(guān)重要，適當(dāng)修復(fù)可改善結(jié)構(gòu)的功能和性能，并增加其強(qiáng)度和剛度，提高結(jié)構(gòu)耐久性。如混凝土水工結(jié)構(gòu)表面因受到侵蝕而產(chǎn)生磨損缺陷，需對(duì)其進(jìn)行維修，而市場(chǎng)上最常用的修復(fù)材料為硅粉、環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂砂漿、聚合物改性水泥砂漿和鋼纖維混凝土，結(jié)合圖1所示的修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行維修。

圖1 修復(fù)系統(tǒng)

2 應(yīng)用不同修復(fù)材料的案例

磨損實(shí)例位于廣州市石灘鎮(zhèn)大埔圍下水庫(kù)溢洪道和中山市的金鐘水庫(kù)的溢洪道，這些水工建筑物因磨損而退化，下文將通過(guò)采用不同修復(fù)材料對(duì)磨損的水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)。

2.1 案例一

石灘鎮(zhèn)大埔圍下水庫(kù)溢洪道的水工結(jié)構(gòu)中存在較為嚴(yán)重的磨損，采用硅粉砂漿、環(huán)氧砂漿、聚合物改性水泥砂漿、鋼纖維混凝土進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)修復(fù)材料的抗壓強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行評(píng)估。

2.1.1 修復(fù)材料特性

1）硅粉砂漿，用含量為水泥質(zhì)量10%左右的硅粉代替細(xì)骨料，混合物比例為1∶3.66∶0.5∶0.1（水泥∶砂∶水∶二氧化硅），抗壓強(qiáng)度為45.4MPa。

2）環(huán)氧砂漿，由樹(shù)脂、硬化劑、石英砂組成，抗壓強(qiáng)度為85.4MPa。

3）聚合物改性水泥砂漿，是一種只需加水的工業(yè)產(chǎn)品，制作修復(fù)材料時(shí)可選用的最佳含水量為11%，抗壓強(qiáng)度為40.7MPa。

4）鋼纖維混凝土，混合物（水泥、砂、礫石、水、鋼纖維）比例為1∶1.985∶2.77∶0.45∶2.42，抗壓強(qiáng)度為39.7MPa。

5）基準(zhǔn)混凝土，特性與大壩施工中使用的混凝土相似，混合物（水泥、砂、礫石、水）比例為1∶1.61∶2.99∶0.376，水泥消耗量為426kg/m3，抗壓強(qiáng)度為48.3MPa。

2.1.2 制備混凝土試樣

混凝土試樣直徑為300mm、高度為100mm，在其中心預(yù)留有直徑約為200mm、高約50mm的空隙。在相對(duì)濕度大于95%且溫度在（23±2）°C的濕室中制備混凝土試樣，將試樣基礎(chǔ)材料與修復(fù)材料固化28d后，根據(jù)混凝土抗沖磨標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法分析修復(fù)材料浸沒(méi)在水中之后的耐磨性，并對(duì)修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。

2.1.3 不同修復(fù)材料的質(zhì)量損失

表1給出了基準(zhǔn)混凝土應(yīng)用修復(fù)材料后磨損72h的平均質(zhì)量損失值。

表1 不同修復(fù)材料的質(zhì)量損失%

圖2顯示了測(cè)試72h后，不同修復(fù)材料的樣本質(zhì)量損失3D示意圖。由圖2可以看出，修復(fù)材料為硅粉砂漿時(shí)的平均質(zhì)量損失為5.53%，基本位于基礎(chǔ)材料和修復(fù)材料之間的區(qū)域；修復(fù)材料為環(huán)氧砂漿時(shí)的平均質(zhì)量損失為2%，基本位于基礎(chǔ)材料區(qū)域，修復(fù)材料區(qū)域幾乎沒(méi)有影響，可能是由于該材料抗壓強(qiáng)度接近90.0MPa，具有高抗壓性；修復(fù)材料為聚合物改性水泥砂漿時(shí)的平均質(zhì)量損失為6.4%，基本位于修復(fù)材料區(qū)域；修復(fù)材料為鋼纖維混凝土?xí)r的平均質(zhì)量損失為3.6%，基本位于基礎(chǔ)材料區(qū)域。

圖2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)比上述4種修復(fù)材料可知，磨損水工結(jié)構(gòu)應(yīng)用硅粉砂漿和聚合物改性水泥砂漿后的性能最差，且聚合物改性水泥砂漿的質(zhì)量損失更高。但磨損水工結(jié)構(gòu)應(yīng)用環(huán)氧砂漿和鋼纖維混凝土后的性能較好，其中環(huán)氧砂漿幾乎沒(méi)有發(fā)生質(zhì)量損失，為最優(yōu)修復(fù)材料。

2.2 案例二

為探索更多修復(fù)材料的應(yīng)用效果，中山市金鐘水庫(kù)將粘合低密度聚乙烯（LDPE）、壓碎的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）和廢棄輪胎中的橡膠添加到鋼筋混凝土（RC）中，用于修復(fù)材料的施工。

2.2.1 修復(fù)材料的抗壓強(qiáng)度

為確定在混凝土中添加修復(fù)材料的最佳混合比例，測(cè)量修復(fù)材料含量為0.5%，1.0%，2.5%，5.0%，7.5%時(shí)的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 修復(fù)材料為不同含量時(shí)的抗壓強(qiáng)度

通過(guò)圖3可知，抗壓強(qiáng)度與修復(fù)材料的含量成反比變化，這是因?yàn)榕c天然骨料相比，塑料骨料的阻力較低，故抗壓強(qiáng)度隨修復(fù)材料含量的增加而降低。

2.2.2 不同修復(fù)材料的質(zhì)量損失

不同含量修復(fù)材料的質(zhì)量損失見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)添加修復(fù)材料含量為2.5%時(shí)，其質(zhì)量損失均大于鋼筋混凝土（RC），說(shuō)明該比例下，鋼筋混凝土（RC）自身的結(jié)構(gòu)性能最好；當(dāng)添加5%的PET或LDPE時(shí)，其質(zhì)量損失均小于鋼筋混凝土（RC），說(shuō)明該比例下修復(fù)材料的結(jié)構(gòu)性能較好。對(duì)比同一修復(fù)材料、不同含量下的質(zhì)量損失，得出：添加的修復(fù)材料越多，耐磨性就越高，相對(duì)質(zhì)量損失就越小。結(jié)合修復(fù)材料類型可知：修復(fù)材料為L(zhǎng)DPE時(shí)，耐磨性最高；修復(fù)材料為橡膠時(shí)，耐磨性最低。

表2 不同修復(fù)材料不同含量時(shí)的質(zhì)量損失%

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

已知修復(fù)材料應(yīng)用于混凝土，應(yīng)先觀察混凝土中出現(xiàn)的缺陷位置，再合理選擇修復(fù)材料的應(yīng)用點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用再生聚合物材料（LDPE、PET和橡膠）修復(fù)干燥的基礎(chǔ)材料時(shí)，為了確保基板和修復(fù)材料之間具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度，先使用高粘度的結(jié)構(gòu)粘合劑環(huán)氧樹(shù)脂，再用工具將混凝土澆筑到基底上，最后去除修復(fù)材料中的氣泡。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為更好選擇水工建筑物的修復(fù)材料，通過(guò)對(duì)多種修復(fù)材料的分析，可以得出：當(dāng)修復(fù)材料為環(huán)氧砂漿時(shí)，因其耐磨性，抗壓強(qiáng)度高，故磨損試驗(yàn)中質(zhì)量損失最??；當(dāng)修復(fù)材料為聚合物改性水泥砂漿時(shí)，因其材料機(jī)械強(qiáng)度較低，故磨損試驗(yàn)中質(zhì)量損失最大；當(dāng)修復(fù)材料為再生聚合物時(shí)，因材料自身阻力較低，故平均抗壓強(qiáng)度隨修復(fù)材料添加含量的增加而減小。根據(jù)本文研究結(jié)果，可結(jié)合以上修復(fù)材料特性對(duì)同類受損水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)、加固，以防發(fā)生不可預(yù)見(jiàn)的災(zāi)難。且本文研究中修復(fù)材料應(yīng)用塑料骨料時(shí)抗壓強(qiáng)度較低，后續(xù)將針對(duì)該部分進(jìn)一步研究，以豐富修復(fù)材料種類。