含水率对水工混凝土修补材料工程性能影响研究

含水率对水工混凝土修补材料工程性能影响研究

魏滔锴

安徽吾兴新材料有限公司 邮编：230041

摘要：为了深入了解和评估水利设施中抗冲击磨损修补材料的实际应用效果，我们进行了一系列实验，主要针对各种湿度条件下修补后的混凝土样本。通过使用电子显微镜来观察其微观结构，并对这些数据进行了详细的研究。我们的研究表明，水的存在对于样品的机械特性产生了显著的影响，使其破坏性和剪切能力逐步下降。此外，从微观角度来看，水分似乎阻止了环氧树脂与水泥基质间的粘合过程。这项研究为我们国家的水利设施维护提供了一个参考框架。

关键词:水利工程;抗冲磨修补材料;含水率;微观机理

引言

受河流水源不断侵蚀和各种外部环境条件的作用，中国水资源管理设施特别是早期的微小规模的水利项目中，存在着大量的混凝土构件破损现象，这极大地威胁到这些项目的持久稳定性。所以，对怎样处理水利建设中的混凝土构件损坏难题的研究变得至关重要。   

作为应对水利设施中混凝土构筑物破碎问题的关键策略，抗冲击修复材料的粘附能力对它的修复效率有重要作用。通常来说，许多因素会影响这种材料的粘附能力，比如修复材料的比例、混凝土的强度级别、修复材料的实验样本、修复材料的保温条件以及混凝土裂纹的相关数据等等。所以，在制作与使用修复材料时，我们必须全面考虑到这些因素，包括修复材料的力量属性、流动性和固化速度等元素。根据胡超等人通过实验室的研究，他们已经能够找到一种适用于快速流水环境下隧道混凝土修复的高冲击抵抗材料及其相关的方法;然后把这个材料运用到了四川某个大坝排水通道混凝土修复工作上，获得了很好的修复结果。另外，洪振国等人研发出一款新的(NE-II型)环氧砂浆修复材料，并在实验室进行了测试，证明这款材料具有强大的抗冲击磨损功能、高的强度、优良的防腐蚀能力和持久的使用寿命等优点，非常适合在中国那些存在大量高速水流冲刷和泥沙侵蚀情况的水利设施中广泛应用。   

总的来说，现行的研究很少关注到基础混凝土的水分含量对修复材料力学特性的影响，但是，基础混凝土的水分含量对修复材料的粘附性能有着显著的作用。

1试验设计

1.1试样制备

为了探究水分含量如何影响环氧砂浆修补剂在水利基础设施混凝土构件恢复性能上，我们进行了以下实验步骤：首先从多个水利设施的基础混凝土中抽取样本，并将它们置于水中浸泡一段时间以获取四个具有不同湿度水平的混凝土样本，这些样本的水分含量分别设定为0、1、2和3或4个百分点。接下来，我们将来自四川攀枝花的某个化工厂生产的耐冲击磨损环氧树脂修补剂用于粘附混凝土表面。第一步是用该修补剂在两个基底混凝土之间形成一层薄层，随后立即使两者接触在一起，并在室内环境下保持28天的养护期。

1.2试验设计

为了探究各种水分含量下环氧砂浆修复剂与混凝土样本间的粘附特性，我们采用YAW 2000型号的多功能测试设备进行了劈裂强度实验和抗剪切强度的检测。开始时，先用1 kN的力量使混凝土达到稳定的形态，然后以0.1 mm/min的速度施加压力直到样本破碎为止。同时，我们也针对不同的水分含量设置了组合样本，以便进一步探索环氧砂浆修复剂对于混凝土构筑物恢复过程中的微观机制及水分影响的研究。

2试验结果分析

2.1抗剪强度

对于包含水的复合样本来说，其抵抗切割的能力会因为湿度的增加而在逐步下降——这种现象与其对抗滑力的能力也呈现出相似的发展趋势：即从无到有的过程中呈递进式增强(以百分比表示)至达到最大值之后开始降低并趋于稳定状态。若不含任何湿气成分的话，该样品能承受约9MPa 的压力来抵挡切割力道的影响。然而一旦加入一定量的水分以后，这个数字便逐级减少直至到达最低水平为止;由此可见，水中物质确实能够显著削弱此类产品的防破损性能。根据现存的研究成果及我们所做的实验观测来看，造成这一情况的主要因素可能包括以下两方面的原因：首先就是由于大量添加进去的水分导致粘附剂表层形成了由氢键组成的一系列薄片状物体从而使得原本应该保持稳定的黏着度发生了变化进而影响整体构架的效果。

2.2劈拉强度

通过室内劈拉实验，我们得出在各种湿度环境下的混凝土-修补剂-混凝土三元复合体的界面上劈裂强度的变化情况。结果显示，这种三元复合体在湿度增加的过程中，其劈裂强度逐步下降，并且粘合能力也在减少。如果完全干燥状态下，这个复合体的劈裂强度最高，可以达到3.29MPa;然而，若湿度达到了4%，它的劈裂强度就只有2.58MPa，相比起无湿度的情况，这已经大幅度地衰退了21.58%，说明该复合体的机械特性已显著恶化。对此，我们的解释是：由于湿度持续上升，使得许多微小的水分子被吸附到混凝土和修补剂之间的接合面，这些水分子会在混凝土表面积聚成一层薄的水膜，但是环氧砂粒子却无法与其融合，从而削弱了环氧砂粒子的粘合力，使其对混凝土的粘合效果变差，最终造成复合体的劈裂强度下降。

2.3 SEM电镜扫描结果

由于文本限制，我们仅展示了三个特定含水率条件下(分别为0%, 2% 和 4%)的复合试样粘接面部的微观电子显微图像分析结果。从这三种不同的水分含量环境中的粘附表面观察可以看出，当混合物中水的比例为零时，其粘贴性能最优，表现出最好的黏着效果;然而，随着水中物质的比例上升，修复剂与水泥之间的连接处的空洞及裂纹数量增多，并且环氧树脂基体的强度也随之下降，导致黏着力逐步降低。另外，如果水分含量过高并使粘连部位出现大量空穴，则水分能渗透到这些空腔内，从而影响修复剂与水泥间的紧密接触。

2.4讨论与分析

本文通过劈裂试验、直剪试验及氯离子渗透试验等多种方法评价了界面含水率对SCC-OC组合试件钻结性能的影响。结果表明，界面含水率下降，导致SCC-OC组合试件界面处水化不完全，界面处孔隙率增大，尤其是毛细孔。界面处的孔隙不断连通形成微裂缝，同时，混凝土的力学性能及渗透性与孔隙率息息相关，孔隙率的提高及微裂缝增多会引起混凝土结构强度下降、抗氯离子渗透能力降低。同时，界面含水率降低还会导致SCC-OC组合试件抵抗冷热循环、干湿循环及冻融循环的能力出现降低，当界面含水率低时，SCC-OC组合试件处的孔隙率高，且大部分为毛细孔，在干湿循环的环境中服役时，孔隙多，易连通形成微裂缝导致钻结强度下降明显。   

一方面，掺加SRA会引起SCC抗压强度下降，同时也会导致SCC-OC组合试件钻结强度下降，这主要归因于SRA会增加混凝土的孔隙率，进而对混凝土的力学性造成不利的影响。另一方面，使用SRA可以提高SCC-OC组合试件的抗氯离子渗透能力，并改善其在不同环境中的服役能力。这是因为SRA的掺加可以增加混凝土的孔溶液钻度，降低毛细管孔的连通性，故SCC-OC的抗氯离子渗透能力得到提高;在干湿循环的环境中服役时，由于自身孔隙率低不易形成微裂缝，且服役后的结果比SCC-1组小，故其钻结强度损失小。

3结语

1）降低SCC基体的界面含水率，会引起界面处孔隙率提高、微裂缝增大，进而导致SCC-OC组合试件的抗氯离子渗透能力与界面钻结强度降低。

2）SCC-OC组合构件在冷热循环、干湿循环与冻融循环三种服役环境下的强度损失率会随基材界面含水率的降低而增大，其中，冻融循环下SCC-OC的钻结强度损失最大，可达到70%以上。   

3）SCC中掺入SRA，虽然会降低SCC的抗压强度与SCC-OC的钻结强度，但是SRA可以降低SCC早期收缩，减小SCC与OC的收缩差;同时还可以提高SCC-OC组合试件的耐久性能，使SCC-OC在不同环境服役后的残余钻结强度更高。

参考文献

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