灌區(qū)及水工建筑物新材料探討.ppt

灌區(qū)及水工建筑物新材料探討,蘇紅魯 張擴成 張厚芹 濟南市邢家渡引黃灌溉管理處,摘 要 : 本文介紹了近年來水工新材料的種類和在水利工程中的應用情況，并提出了水工新材料的研究方向向著水下修補材料和快固化、防腐蝕、抗沖磨混凝土表面防護涂層發(fā)展。 關鍵詞 : 新型混凝土外加劑 聚合物改性水泥 灌漿新材料,材料科學是近代工業(yè)大發(fā)展的一個支柱，作為工程材料的水泥混凝土及其相關的建筑材料在汲取各種新材料的養(yǎng)分而蓬勃發(fā)展。本文介紹了近年來水工新材料的種類和在水利工程中的應用情況，并提出了水工新材料的研究方向向著水下修補材料和快固化、防腐蝕、抗沖磨混凝土表面防護涂層發(fā)展。 1 新型混凝土外加劑 二十余年來，混凝土外加劑產(chǎn)業(yè)從無到有，從少到多得到了飛速地發(fā)展。目前我國的外加劑生產(chǎn)單位多數(shù)是以萘系（第二代）減水劑為原料生產(chǎn)復合型外加劑，這些產(chǎn)品都在國家、行業(yè)標準規(guī)定范圍內。然而，隨著工程建設向更高新技術方向的發(fā)展，對混凝土也提出了更高的要求。例如高層建筑就需要高強、高性能的泵送劑；大體積混凝土需要低的水化熱溫升和抗裂防水外加劑，大面積的渠道襯砌、廣場混凝土要求有較好的抗拉強度和較小的收縮變形的外加劑；在炎熱的夏季和日夜連續(xù)施工則需要緩凝劑；鋼筋密集的構件施工或為了減少城市噪音污染，則需要自流平免振搗混凝土外加劑，等等。這些都是使用普通混凝土外加劑所做不到的。新型混凝土外加劑在山東省膠東調水工程、沂沭泗河東調南下續(xù)建工程、小清河綜合治理工程、河南省鞏義市伊洛河五龍橡膠壩工程 、濟南市邢家渡引黃灌區(qū)續(xù)建工程及山東省各大水庫除險加固工程等工程中得到了廣泛應用，解決了許多工程中的難題。,高性能引氣減水劑（第二代改性）可用于配制C50以上的高強泵送混凝土、F300以上的高抗?jié)B、高抗凍混凝土和其他特殊要求的混凝土。其基本特點為高效減水，減水率一般為20%30%，坍落度損失小，增強效果明顯，后期強度保持緩慢增長。含氣量適中，延緩凝結時間，提高混凝土抗凍性和抗?jié)B性以及針對特殊混凝土的特性。新型聚羧酸減水劑的基本特點有摻量低、減水率高，減水率可達40%以上；坍落度經(jīng)時損失小，預拌混凝土坍落度損失率1h小于5%，2h小于10%（200mm坍落度的混凝土，2h后坍落度仍為180mm）；增強效果顯著，砼3d抗壓強度提高50110，28d抗壓強度提高4080，90d抗壓強度提高3060；混凝土和易性優(yōu)良，無離析、泌水現(xiàn)象，混凝土外觀顏色均一。用于配制高標號混凝土時，混凝土粘聚性好且易于攪拌；含氣量適中，對混凝土彈性模量無不利影響，抗凍耐久性好；能降低水泥早期水化熱，有利于大體積混凝土和夏季施工；適應性優(yōu)良，水泥、摻合料相容性好，溫度適應性好，與不同品種水泥和摻合料具有很好的相容性，解決了采用其它類減水劑與膠凝材料相容性差的問題；低收縮，可明顯降低混凝土收縮，抗凍融能力和抗碳化能力明顯優(yōu)于普通混凝土；顯著提高混凝土體積穩(wěn)定性和長期耐久性。,1.1 引氣減水劑在高性能混凝土中的應用 “高強”僅僅是混凝土性能的一個方面，大量的工程實踐表明，混凝土設計強度不足而導致工程破壞的實例雖有但卻較為鮮見。而另一方面，許多混凝土結構尤其是處于嚴酷環(huán)境中的結構，由于較差的耐久性正在遭受嚴重的損壞。顯然，用“高強混凝土”這一術語已難以描述具有較高的全面性能要求的現(xiàn)代混凝土。 “高性能混凝土”定義的內涵主要包括以下幾方面：（1）高強度；（2）高耐久性；（3）高尺寸穩(wěn)定性；（4）高抗裂性；（5）高工作性；（6）經(jīng)濟合理性。 “高性能混凝土”是一種新型高技術混凝土，它是在大幅度提高普通混凝土的性能的基礎上，采用現(xiàn)代混凝土技術，在嚴格的質量管理的條件下制成，除了水泥、集料和水以外，必須摻加足夠數(shù)量礦物外加劑和化學外加劑。高性能混凝土技術途徑見圖1。,1.2 引氣減水劑在高摻量粉煤灰混凝土中的應用 國外從上世紀30年代，國內從上世紀50年代開始在混凝土中應用粉煤灰，但主要目的僅出于經(jīng)濟性考慮（節(jié)約少量的水泥）。隨著水工大壩大體積混凝土結構和高強混凝土的發(fā)展（混凝土的熱裂問題），大摻量粉煤灰成了物盡其用的最佳選擇，其摻用比例高達50%。 但是國家標準中對素混凝土中摻加粉煤灰確做了嚴格的限制，規(guī)范上限為15%。通過在渠道襯砌用素混凝土板中高摻35%的粉煤灰進行研究發(fā)現(xiàn)，利用化學激發(fā)的方法大摻量粉煤灰混凝土能夠滿足C30、F200渠道襯砌混凝土的設計要求，且90天齡期耐磨性能與普通混凝土相當，而且大大降低了單方混凝土材料價格，提高了混凝土襯砌板的體積穩(wěn)定性，符合國際社會對環(huán)境保護呼聲日高的發(fā)展趨勢。也與一些專家提出“某些規(guī)范中對粉煤灰用量所設的限制偏于保守”的說法不謀而合。 “高摻量粉煤灰混凝土”定義在國內外文獻中均難以找到，清華大學的覃維祖教授曾對其提出過三點意見。個人認為，為了避免把高摻量粉煤灰混凝土簡單地理解為粉煤灰摻量較大的混凝土，而有可能導致步入技術和認識上的誤區(qū)，應對高摻量粉煤灰混凝土給出一些關鍵性的規(guī)定：,（1） “高摻量粉煤灰混凝土”以滿足不同工程的設計要求為目標，強度等級范 圍廣，但在特定的工作環(huán)境中有良好的耐久性。 （2） “高摻量粉煤灰混凝土”應使用高效減水劑，盡可能地減小水膠比，應視 工程要求決定是否摻加緩凝劑、引氣劑和活性激發(fā)劑等。 （3） “高摻量粉煤灰混凝土”應具有良好的體積穩(wěn)定性、工作性與經(jīng)濟性。（4） “高摻量粉煤灰混凝土”的粉煤灰摻量一般不應小于40%。 （5） “高摻量粉煤灰混凝土”的原材料必須嚴格優(yōu)選，砂宜選用細度模數(shù)3.0 以上中偏粗砂，F(xiàn)級低鈣粉煤灰的細度和燒失量均越低越好。 高摻量粉煤灰混凝土的主要特點有：各齡期的強度發(fā)展與粉煤灰品質、配合比設計直接相關，尤其是早期強度的發(fā)展變幅較大。通過摻入活性激發(fā)劑可以顯著提高其早期強度，使28天強度與普通混凝土相當，后期強度明顯高于普通混凝土。其的彈性模量遵循隨強度增長而增長的規(guī)律，在相同抗壓強度的情況下，表現(xiàn)出較好的抗拉強度，其拉壓比高于普通混凝土。其收縮應變值與抗壓強度相近的普通混凝土相近或偏低，能夠有效減少混凝土的收縮，并且具有優(yōu)異的抗?jié)B透性，如在其中引入5%7%的含氣量，其抗凍融性能將優(yōu)于普通混凝土。另外傳統(tǒng)的觀念認為粉煤灰混凝土的耐磨性能低于普通混凝土，隨著粉煤灰品質得不斷改善與配合比設計方法的變革，觀念也在不斷更新。室內試驗研究表明，采用35%摻量的粉煤灰取代水泥，90天齡期時可獲得不低于普通混凝土的耐磨性。大量的研究表明，在混凝土中摻加大于30%的粉煤灰能夠有效的抑制堿骨料反應。,2 聚合物改性水泥 2.1 聚合物水泥及性能指標 聚合物水泥能夠明顯改善混凝土的強度、韌性、延性、耐久性和粘結性能，其機理是將分散于水中或溶于水中的聚合物摻入普通水泥砂漿或混凝土中配制而成，它以水泥水化物和聚合物兩者作為膠結材料。其特點是用普通水泥砂漿、混凝土的施工方法，所需設備簡單、操作方便。 常用聚合物改性水泥主要性能指標見表1.,表1 常用聚合物改性水泥主要性能指標,2.2 聚合物水泥在砌石壩防滲工程中的應用 聚合物改性水泥砂漿在我省眾多砌石壩壩前防滲工程中進行了應用，采用噴射技術在砌石壩迎水面濕噴2cm聚合物改性水泥砂漿，防滲面層整體性好，與原壩面粘結力高，抗?jié)B性能高，耐久性能優(yōu)異。砌石壩面噴射聚合物砂漿防滲新技術施工工藝流程見圖2.,3 灌漿新材料 采用灌漿技術已經(jīng)有一個世紀的歷史。灌漿是把漿液灌入土壤或巖石地基中的空隙、裂隙、縫隙或洞穴用以減少滲透性，增加強度或減少地基變形等。近幾十年來，隨著工程建設的實踐和新技術的開發(fā)，灌漿材料、施工工藝、施工設備和效果檢測等方面，都取得了重大的進展，在水利水電建設中得到了廣泛應用，包括： 1、控制滲漏，減少水工建筑物基礎下地基的滲透性；2、增加建筑物地基的強度，減少地基變形；3、抬高和整平傾斜建筑物；4、充填巖石和隧洞襯砌間的空隙；5、修復和加固暨建建筑物；6、固定巖石預應力錨索；7、混凝土結構物裂縫的加固處理。灌漿材料根據(jù)所制成的漿液狀態(tài)，可以分為：固粒狀漿材和化學漿材。 3.1固粒狀灌漿材料 固粒狀灌漿材料具有如下特性：1、顆粒細。要具有一定的細度，以便進入裂隙，其粒徑小于裂隙寬度的1/3才宜奏效。2、漿液穩(wěn)定性好。固體顆粒材料與水混合后，其顆粒在一定時間內應保持呈均勻分散的懸浮狀態(tài)，并具有較好的穩(wěn)定性和流動性。3、膠結強度高。灌入裂隙中經(jīng)過一定時間應能膠結成為堅硬的結石，起到充填與固結的作用。4、結石強度高。結石要具有一定的強度、粘結力和抵抗侵蝕的能力，以保證灌漿效果的耐久性。,水泥灌漿是使用最早也是使用最廣的一種固粒狀灌漿材料，水灰比一般多為10:10.6:1，一般普通水泥的最大粒徑在44100m范圍內，由于顆粒粒徑的限制，水泥漿液難于灌入滲透系數(shù)小于0.5cm/s的粗砂或裂隙寬度小于0.6mm的巖體中。通過水泥細度和摻合料的改進可解決以上問題。 3.1.1超細水泥 將水泥磨細至平均粒徑為4m，最大粒徑為10m，比表面積在8000m2/kg以上，這時漿體穩(wěn)定性好，固結時析水少，有利于防止新的滲水通道產(chǎn)生，可灌入滲透系數(shù)在10-310-4cm/s的細砂中。超細水泥可以單獨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漿。 3.1.2硅粉水泥 硅粉是生產(chǎn)硅或硅鐵合金的副產(chǎn)品，直徑約為0.1m的細微玻璃狀球體。它是一種高活性材料，極細的硅粉顆?？墒?jié){液穩(wěn)定，水泥顆粒不沉降，漿液亦不泌水，可得到觸變性能的漿液。摻入硅粉后水泥漿體具有如下影響： （1）增加水泥漿液初始粘度，需要摻加外加劑降低粘度。（2）有好的觸變性。（3）漿液穩(wěn)定性提高。（4）固結體抗壓強度顯著提高。（5）孔隙分布更細，抗?jié)B、耐久性能優(yōu)良。 3.2化學灌漿材料 水泥漿液由于顆粒粒徑的限制，難于灌入一些細微裂縫. 水泥灌漿還受水流流速的限制，一般灌漿規(guī)范中規(guī)定，地下水流速不大于600m/d。但在實際應用中地下水流速小于80m/d才可灌注水泥漿，超過需在水泥漿液中摻加速凝劑。遇到基礎涌水、基巖夾泥斷層破碎帶，水泥灌漿便無法操作。,化學灌漿材料比水泥具有好的可灌性，而且能按工程的需要調節(jié)漿液的膠凝時間，故也適用于有流動水部位的堵漏或防滲。有的化學灌漿材料還具有較高的粘結強度和抗拉、抗壓強度，適用于混凝土結構補強處理?；瘜W灌漿在改進工程質量、提高施工進度和經(jīng)濟合理性方面都有作用。化學灌漿材料具有如下特性：1、漿液粘度低，可灌性好，能在較低壓力下灌入細微裂縫。2、凝膠體具有較好的密實性、防滲性和耐久性，用于補強加固灌漿的，還須具有一定的抗壓、抗拉強度，用于混凝土裂縫處理則需有良好的粘結強度。3、須特殊操作工藝，漿液有較長時間的適用期，便于漿液能進入裂縫深處，還要求漿液的膠凝時間容易調節(jié)，以適應不同的灌漿要求。4、漿液無毒或低毒，不會造成環(huán)境污染。 化學灌漿材料按灌漿對象可分為：防滲堵漏材料和補強加固材料: 防滲堵漏材料：水玻璃類、丙烯酰胺類、丙烯酸鹽類、發(fā)泡型聚氨酯類; 補強加固材料：環(huán)氧樹脂類、丙烯酸酯類、聚酯樹脂類、加固型聚氨酯類。 3.2.1丙烯酸酯漿材(甲凝) 丙烯酸酯漿材是以甲基丙烯酸甲酯為主要原料配制而成一種低粘度液體，可灌性好，能灌入0.05mm的細微裂縫，在0.20.3MPa壓力下，漿液能夠滲入混凝土內46cm，起到浸漬作用，固化物粘結強度高，使得混凝土裂縫及其附近的缺陷得到加固。,3.2.2環(huán)氧樹脂類漿材 環(huán)氧樹脂具有粘結力強，收縮小，常溫固化等特點，由于本身粘度較大，作為灌漿材料使用時必須降低其粘度。按稀釋體系的種類可分為3類。 （1）非活性稀釋劑體系。采用丙酮、二甲苯等非活性稀釋劑來稀釋環(huán)氧樹脂，配制簡單，固化反應放熱小，使用方便，但是由于稀釋劑不參與反應，因此固化物物理力學性能下降，粘結力較低。 （2）活性稀釋劑體系?；钚韵♂寗┛蓞⑴c固化反應，不影響固化物性能，但稀釋效果不理想，可灌性受到一定的限制。 （3）糠醛丙酮稀釋體系。目前最為廣泛采用的是糠醛丙酮作混合稀釋劑的環(huán)氧樹脂漿液。此法配制的漿材起始粘度降低為110cp數(shù)量級，與水的粘度相近，配合壓力灌漿能夠較好的處理一般水工建筑物的裂縫加固問題。 3.2.3加固型聚氨酯類漿材 油溶性聚氨酯通常是先將多異氰酸酯和多羥基化合物預聚成低聚物，再配以稀釋劑、表面活性劑、催化劑等成分組成。其固化物會產(chǎn)生體積膨脹，提高了漿體在裂縫內的充填率，但隨著摻入的稀釋劑逸出還會發(fā)生體積收縮，效果不甚理想。,3.2.4水溶性聚氨酯灌漿材料 水溶性聚氨酯化學灌漿材料既可用于補強加固，也可用于防滲堵漏。其主要由丙烯酸酯、聚氨酯預聚體和復合固化劑組成，粘度較低，調節(jié)丙烯酸酯和聚氨酯預聚體的比例可得到不同性能的漿體，以滿足不同的灌漿要求。水溶性聚氨酯漿液的起始粘度僅為30cp，接近水的粘度，可灌性好，可以灌入開度為0.05mm的細微裂隙，用于混凝土裂縫加固的同時，還可以滲入混凝土裂縫兩側的微小氣孔內，起到浸漬加固的作用。固化物抗壓強度最高可達60MPa，粘接強度可達2.22.5MPa，潮濕界面粘結強度可達1.5MPa，能夠滿足普通混凝土細微裂縫的補強加固要求。水溶性聚氨酯聚合時間可調，且誘導期較長，漿液適用時間長，便于施工操作，漿材損耗也大為減少。水溶性聚氨酯漿液固化時體積不收縮，根據(jù)配比的不同