灌区及水工建筑物新材料探讨

'灌区及水工建筑物新材料探讨苏红鲁张扩成张厚芹济南市邢家渡引黄灌溉管理处 摘要:本文介绍了近年来水工新材料的种类和在水利工程中的应用情况，并提出了水工新材料的研究方向向着水下修补材料和快固化、防腐蚀、抗冲磨混凝土表面防护涂层发展。关键词:新型混凝土外加剂聚合物改性水泥灌浆新材料 材料科学是近代工业大发展的一个支柱，作为工程材料的水泥混凝土及其相关的建筑材料在汲取各种新材料的养分而蓬勃发展。本文介绍了近年来水工新材料的种类和在水利工程中的应用情况，并提出了水工新材料的研究方向向着水下修补材料和快固化、防腐蚀、抗冲磨混凝土表面防护涂层发展。1新型混凝土外加剂二十余年来，混凝土外加剂产业从无到有，从少到多得到了飞速地发展。目前我国的外加剂生产单位多数是以萘系（第二代）减水剂为原料生产复合型外加剂，这些产品都在国家、行业标准规定范围内。然而，随着工程建设向更高新技术方向的发展，对混凝土也提出了更高的要求。例如高层建筑就需要高强、高性能的泵送剂；大体积混凝土需要低的水化热温升和抗裂防水外加剂，大面积的渠道衬砌、广场混凝土要求有较好的抗拉强度和较小的收缩变形的外加剂；在炎热的夏季和日夜连续施工则需要缓凝剂；钢筋密集的构件施工或为了减少城市噪音污染，则需要自流平免振捣混凝土外加剂，等等。这些都是使用普通混凝土外加剂所做不到的。新型混凝土外加剂在山东省胶东调水工程、沂沭泗河东调南下续建工程、小清河综合治理工程、河南省巩义市伊洛河五龙橡胶坝工程、济南市邢家渡引黄灌区续建工程及山东省各大水库除险加固工程等工程中得到了广泛应用，解决了许多工程中的难题。 高性能引气减水剂（第二代改性）可用于配制C50以上的高强泵送混凝土、F300以上的高抗渗、高抗冻混凝土和其他特殊要求的混凝土。其基本特点为高效减水，减水率一般为20%~30%，坍落度损失小，增强效果明显，后期强度保持缓慢增长。含气量适中，延缓凝结时间，提高混凝土抗冻性和抗渗性以及针对特殊混凝土的特性。新型聚羧酸减水剂的基本特点有掺量低、减水率高，减水率可达40%以上；坍落度经时损失小，预拌混凝土坍落度损失率1h小于5%，2h小于10%（200mm坍落度的混凝土，2h后坍落度仍为180mm）；增强效果显著，砼3d抗压强度提高50～110％，28d抗压强度提高40～80％，90d抗压强度提高30～60％；混凝土和易性优良，无离析、泌水现象，混凝土外观颜色均一。用于配制高标号混凝土时，混凝土粘聚性好且易于搅拌；含气量适中，对混凝土弹性模量无不利影响，抗冻耐久性好；能降低水泥早期水化热，有利于大体积混凝土和夏季施工；适应性优良，水泥、掺合料相容性好，温度适应性好，与不同品种水泥和掺合料具有很好的相容性，解决了采用其它类减水剂与胶凝材料相容性差的问题；低收缩，可明显降低混凝土收缩，抗冻融能力和抗碳化能力明显优于普通混凝土；显著提高混凝土体积稳定性和长期耐久性。 1.1引气减水剂在高性能混凝土中的应用“高强”仅仅是混凝土性能的一个方面，大量的工程实践表明，混凝土设计强度不足而导致工程破坏的实例虽有但却较为鲜见。而另一方面，许多混凝土结构尤其是处于严酷环境中的结构，由于较差的耐久性正在遭受严重的损坏。显然，用“高强混凝土”这一术语已难以描述具有较高的全面性能要求的现代混凝土。“高性能混凝土”定义的内涵主要包括以下几方面：（1）高强度；（2）高耐久性；（3）高尺寸稳定性；（4）高抗裂性；（5）高工作性；（6）经济合理性。“高性能混凝土”是一种新型高技术混凝土，它是在大幅度提高普通混凝土的性能的基础上，采用现代混凝土技术，在严格的质量管理的条件下制成，除了水泥、集料和水以外，必须掺加足够数量矿物外加剂和化学外加剂。高性能混凝土技术途径见图1。 1.2引气减水剂在高掺量粉煤灰混凝土中的应用国外从上世纪30年代，国内从上世纪50年代开始在混凝土中应用粉煤灰，但主要目的仅出于经济性考虑（节约少量的水泥）。随着水工大坝大体积混凝土结构和高强混凝土的发展（混凝土的热裂问题），大掺量粉煤灰成了物尽其用的最佳选择，其掺用比例高达50%。但是国家标准中对素混凝土中掺加粉煤灰确做了严格的限制，规范上限为15%。通过在渠道衬砌用素混凝土板中高掺35%的粉煤灰进行研究发现，利用化学激发的方法大掺量粉煤灰混凝土能够满足C30、F200渠道衬砌混凝土的设计要求，且90天龄期耐磨性能与普通混凝土相当，而且大大降低了单方混凝土材料价格，提高了混凝土衬砌板的体积稳定性，符合国际社会对环境保护呼声日高的发展趋势。也与一些专家提出“某些规范中对粉煤灰用量所设的限制偏于保守”的说法不谋而合。“高掺量粉煤灰混凝土”定义在国内外文献中均难以找到，清华大学的覃维祖教授曾对其提出过三点意见。个人认为，为了避免把高掺量粉煤灰混凝土简单地理解为粉煤灰掺量较大的混凝土，而有可能导致步入技术和认识上的误区，应对高掺量粉煤灰混凝土给出一些关键性的规定： （1）“高掺量粉煤灰混凝土”以满足不同工程的设计要求为目标，强度等级范围广，但在特定的工作环境中有良好的耐久性。（2）“高掺量粉煤灰混凝土”应使用高效减水剂，尽可能地减小水胶比，应视工程要求决定是否掺加缓凝剂、引气剂和活性激发剂等。（3）“高掺量粉煤灰混凝土”应具有良好的体积稳定性、工作性与经济性。（4）“高掺量粉煤灰混凝土”的粉煤灰掺量一般不应小于40%。（5）“高掺量粉煤灰混凝土”的原材料必须严格优选，砂宜选用细度模数3.0以上中偏粗砂，F级低钙粉煤灰的细度和烧失量均越低越好。高掺量粉煤灰混凝土的主要特点有：各龄期的强度发展与粉煤灰品质、配合比设计直接相关，尤其是早期强度的发展变幅较大。通过掺入活性激发剂可以显著提高其早期强度，使28天强度与普通混凝土相当，后期强度明显高于普通混凝土。其的弹性模量遵循随强度增长而增长的规律，在相同抗压强度的情况下，表现出较好的抗拉强度，其拉压比高于普通混凝土。其收缩应变值与抗压强度相近的普通混凝土相近或偏低，能够有效减少混凝土的收缩，并且具有优异的抗渗透性，如在其中引入5%~7%的含气量，其抗冻融性能将优于普通混凝土。另外传统的观念认为粉煤灰混凝土的耐磨性能低于普通混凝土，随着粉煤灰品质得不断改善与配合比设计方法的变革，观念也在不断更新。室内试验研究表明，采用35%掺量的粉煤灰取代水泥，90天龄期时可获得不低于普通混凝土的耐磨性。大量的研究表明，在混凝土中掺加大于30%的粉煤灰能够有效的抑制碱骨料反应。 2聚合物改性水泥2.1聚合物水泥及性能指标聚合物水泥能够明显改善混凝土的强度、韧性、延性、耐久性和粘结性能，其机理是将分散于水中或溶于水中的聚合物掺入普通水泥砂浆或混凝土中配制而成，它以水泥水化物和聚合物两者作为胶结材料。其特点是用普通水泥砂浆、混凝土的施工方法，所需设备简单、操作方便。常用聚合物改性水泥主要性能指标见表1.表1常用聚合物改性水泥主要性能指标 2.2聚合物水泥在砌石坝防渗工程中的应用聚合物改性水泥砂浆在我省众多砌石坝坝前防渗工程中进行了应用，采用喷射技术在砌石坝迎水面湿喷2cm聚合物改性水泥砂浆，防渗面层整体性好，与原坝面粘结力高，抗渗性能高，耐久性能优异。砌石坝面喷射聚合物砂浆防渗新技术施工工艺流程见图2. 3灌浆新材料采用灌浆技术已经有一个世纪的历史。灌浆是把浆液灌入土壤或岩石地基中的空隙、裂隙、缝隙或洞穴用以减少渗透性，增加强度或减少地基变形等。近几十年来，随着工程建设的实践和新技术的开发，灌浆材料、施工工艺、施工设备和效果检测等方面，都取得了重大的进展，在水利水电建设中得到了广泛应用，包括：1、控制渗漏，减少水工建筑物基础下地基的渗透性；2、增加建筑物地基的强度，减少地基变形；3、抬高和整平倾斜建筑物；4、充填岩石和隧洞衬砌间的空隙；5、修复和加固暨建建筑物；6、固定岩石预应力锚索；7、混凝土结构物裂缝的加固处理。灌浆材料根据所制成的浆液状态，可以分为：固粒状浆材和化学浆材。3.1固粒状灌浆材料固粒状灌浆材料具有如下特性：1、颗粒细。要具有一定的细度，以便进入裂隙，其粒径小于裂隙宽度的1/3才宜奏效。2、浆液稳定性好。固体颗粒材料与水混合后，其颗粒在一定时间内应保持呈均匀分散的悬浮状态，并具有较好的稳定性和流动性。3、胶结强度高。灌入裂隙中经过一定时间应能胶结成为坚硬的结石，起到充填与固结的作用。4、结石强度高。结石要具有一定的强度、粘结力和抵抗侵蚀的能力，以保证灌浆效果的耐久性。 水泥灌浆是使用最早也是使用最广的一种固粒状灌浆材料，水灰比一般多为10:1~0.6:1，一般普通水泥的最大粒径在44~100μm范围内，由于颗粒粒径的限制，水泥浆液难于灌入渗透系数小于0.5cm/s的粗砂或裂隙宽度小于0.6mm的岩体中。通过水泥细度和掺合料的改进可解决以上问题。3.1.1超细水泥将水泥磨细至平均粒径为4μm，最大粒径为10μm，比表面积在8000m2/kg以上，这时浆体稳定性好，固结时析水少，有利于防止新的渗水通道产生，可灌入渗透系数在10-3~10-4cm/s的细砂中。超细水泥可以单独使用加固建筑物的地基，也可以混以水玻璃使用用于堵漏灌浆。3.1.2硅粉水泥硅粉是生产硅或硅铁合金的副产品，直径约为0.1μm的细微玻璃状球体。它是一种高活性材料，极细的硅粉颗粒可使浆液稳定，水泥颗粒不沉降，浆液亦不泌水，可得到触变性能的浆液。掺入硅粉后水泥浆体具有如下影响：（1）增加水泥浆液初始粘度，需要掺加外加剂降低粘度。（2）有好的触变性。（3）浆液稳定性提高。（4）固结体抗压强度显著提高。（5）孔隙分布更细，抗渗、耐久性能优良。3.2化学灌浆材料水泥浆液由于颗粒粒径的限制，难于灌入一些细微裂缝.水泥灌浆还受水流流速的限制，一般灌浆规范中规定，地下水流速不大于600m/d。但在实际应用中地下水流速小于80m/d才可灌注水泥浆，超过需在水泥浆液中掺加速凝剂。遇到基础涌水、基岩夹泥断层破碎带，水泥灌浆便无法操作。 化学灌浆材料比水泥具有好的可灌性，而且能按工程的需要调节浆液的胶凝时间，故也适用于有流动水部位的堵漏或防渗。有的化学灌浆材料还具有较高的粘结强度和抗拉、抗压强度，适用于混凝土结构补强处理。化学灌浆在改进工程质量、提高施工进度和经济合理性方面都有作用。化学灌浆材料具有如下特性：1、浆液粘度低，可灌性好，能在较低压力下灌入细微裂缝。2、凝胶体具有较好的密实性、防渗性和耐久性，用于补强加固灌浆的，还须具有一定的抗压、抗拉强度，用于混凝土裂缝处理则需有良好的粘结强度。3、须特殊操作工艺，浆液有较长时间的适用期，便于浆液能进入裂缝深处，还要求浆液的胶凝时间容易调节，以适应不同的灌浆要求。4、浆液无毒或低毒，不会造成环境污染。化学灌浆材料按灌浆对象可分为：防渗堵漏材料和补强加固材料:防渗堵漏材料：水玻璃类、丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、发泡型聚氨酯类;补强加固材料：环氧树脂类、丙烯酸酯类、聚酯树脂类、加固型聚氨酯类。3.2.1丙烯酸酯浆材(甲凝)丙烯酸酯浆材是以甲基丙烯酸甲酯为主要原料配制而成一种低粘度液体，可灌性好，能灌入0.05mm的细微裂缝，在0.2~0.3MPa压力下，浆液能够渗入混凝土内4~6cm，起到浸渍作用，固化物粘结强度高，使得混凝土裂缝及其附近的缺陷得到加固。 3.2.2环氧树脂类浆材环氧树脂具有粘结力强，收缩小，常温固化等特点，由于本身粘度较大，作为灌浆材料使用时必须降低其粘度。按稀释体系的种类可分为3类。（1）非活性稀释剂体系。采用丙酮、二甲苯等非活性稀释剂来稀释环氧树脂，配制简单，固化反应放热小，使用方便，但是由于稀释剂不参与反应，因此固化物物理力学性能下降，粘结力较低。（2）活性稀释剂体系。活性稀释剂可参与固化反应，不影响固化物性能，但稀释效果不理想，可灌性受到一定的限制。（3）糠醛—丙酮稀释体系。目前最为广泛采用的是糠醛—丙酮作混合稀释剂的环氧树脂浆液。此法配制的浆材起始粘度降低为1~10cp数量级，与水的粘度相近，配合压力灌浆能够较好的处理一般水工建筑物的裂缝加固问题。3.2.3加固型聚氨酯类浆材油溶性聚氨酯通常是先将多异氰酸酯和多羟基化合物预聚成低聚物，再配以稀释剂、表面活性剂、催化剂等成分组成。其固化物会产生体积膨胀，提高了浆体在裂缝内的充填率，但随着掺入的稀释剂逸出还会发生体积收缩，效果不甚理想。 3.2.4水溶性聚氨酯灌浆材料水溶性聚氨酯化学灌浆材料既可用于补强加固，也可用于防渗堵漏。其主要由丙烯酸酯、聚氨酯预聚体和复合固化剂组成，粘度较低，调节丙烯酸酯和聚氨酯预聚体的比例可得到不同性能的浆体，以满足不同的灌浆要求。水溶性聚氨酯浆液的起始粘度仅为30cp，接近水的粘度，可灌性好，可以灌入开度为0.05mm的细微裂隙，用于混凝土裂缝加固的同时，还可以渗入混凝土裂缝两侧的微小气孔内，起到浸渍加固的作用。固化物抗压强度最高可达60MPa，粘接强度可达2.2~2.5MPa，潮湿界面粘结强度可达1.5MPa，能够满足普通混凝土细微裂缝的补强加固要求。水溶性聚氨酯聚合时间可调，且诱导期较长，浆液适用时间长，便于施工操作，浆材损耗也大为减少。水溶性聚氨酯浆液固化时体积不收缩，根据配比的不同，可以得到硬化时大小不等的体积膨胀，适用于各种不同裂缝的补强加固和防渗堵漏。4水工新材料展望当今水工新材料的研究方向向着水下修补材料和快固化、防腐蚀、抗冲磨混凝土表面防护涂层的方向发展，研究开发水下环氧砂浆（混凝土）、水下快速密封剂、丙烯酸盐灌浆材料和快固化、防腐蚀、抗冲磨混凝土表面保护涂层等新材料，适用于水下混凝土如坝面、消力池、桥墩等水下部位的薄层修复，水下混凝土裂缝、伸缩缝的密封和补强加固，混凝土水下化学灌浆前的灌浆管埋设及封面止封处理以及隧洞止水，混凝土渗水裂隙防渗堵漏，坝基岩石裂隙防渗帷幕灌浆，土壤加固和喷射混凝土施工等，应用前景较为广泛。 谢谢!'