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(kuò)成 張厚芹 濟(jì)南市邢家渡引黃灌溉管理處,摘 要 : 本文介紹了近年來(lái)水工新材料的種類(lèi)和在水利工程中的應(yīng)用情況，并提出了水工新材料的研究方向向著水下修補(bǔ)材料和快固化、防腐蝕、抗沖磨混凝土表面防護(hù)涂層發(fā)展。 關(guān)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(xué)是近代工業(yè)大發(fā)展的一個(gè)支柱，作為工程材料的水泥混凝土及其相關(guān)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(lái)水工新材料的種類(lèi)和在水利工程中的應(yīng)用情況，并提出了水工新材料的研究方向向著水下修補(bǔ)材料和快固化、防腐蝕、抗沖磨混凝土表面防護(hù)涂層發(fā)展。 1 新型混凝土外加劑 二十余年來(lái)，混凝土外加劑產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有，從少到多得到了飛速地發(fā)展。目前我國(guó)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(fù)合型外加劑，這些產(chǎn)品都在國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。然而，隨著工程建設(shè)向更高新技術(shù)方向的發(fā)展，對(duì)混凝土也提出了更高的要求。例如高層建筑就需要高強(qiáng)、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(chǎng)混凝土要求有較好的抗拉強(qiáng)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(gòu)件施工或?yàn)榱藴p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(diào)水工程、沂沭泗河?xùn)|調(diào)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(jì)南市邢家渡引黃灌區(qū)續(xù)建工程及山東省各大水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程等工程中得到了廣泛應(yīng)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(qiáng)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(diǎn)為高效減水，減水率一般為20%30%，坍落度損失小，增強(qiáng)效果明顯，后期強(qiáng)度保持緩慢增長(zhǎng)。含氣量適中，延緩凝結(jié)時(shí)間，提高混凝土抗凍性和抗?jié)B性以及針對(duì)特殊混凝土的特性。新型聚羧酸減水劑的基本特點(diǎn)有摻量低、減水率高，減水率可達(dá)40%以上；坍落度經(jīng)時(shí)損失小，預(yù)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(qiáng)效果顯著，砼3d抗壓強(qiáng)度提高50110，28d抗壓強(qiáng)度提高4080，90d抗壓強(qiáng)度提高3060；混凝土和易性?xún)?yōu)良，無(wú)離析、泌水現(xiàn)象，混凝土外觀顏色均一。用于配制高標(biāo)號(hào)混凝土?xí)r，混凝土粘聚性好且易于攪拌；含氣量適中，對(duì)混凝土彈性模量無(wú)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(yīng)性?xún)?yōu)良，水泥、摻合料相容性好，溫度適應(yīng)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(lèi)減水劑與膠凝材料相容性差的問(wèn)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(zhǎng)期耐久性。,1.1 引氣減水劑在高性能混凝土中的應(yīng)用 “高強(qiáng)”僅僅是混凝土性能的一個(gè)方面，大量的工程實(shí)踐表明，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足而導(dǎo)致工程破壞的實(shí)例雖有但卻較為鮮見(jiàn)。而另一方面，許多混凝土結(jié)構(gòu)尤其是處于嚴(yán)酷環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，由于較差的耐久性正在遭受?chē)?yán)重的損壞。顯然，用“高強(qiáng)混凝土”這一術(shù)語(yǔ)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(nèi)涵主要包括以下幾方面：（1）高強(qiáng)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(jì)合理性。 “高性能混凝土”是一種新型高技術(shù)混凝土，它是在大幅度提高普通混凝土的性能的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)，在嚴(yán)格的質(zhì)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(xué)外加劑。高性能混凝土技術(shù)途徑見(jiàn)圖1。,1.2 引氣減水劑在高摻量粉煤灰混凝土中的應(yīng)用 國(guó)外從上世紀(jì)30年代，國(guó)內(nèi)從上世紀(jì)50年代開(kāi)始在混凝土中應(yīng)用粉煤灰，但主要目的僅出于經(jīng)濟(jì)性考慮（節(jié)約少量的水泥）。隨著水工大壩大體積混凝土結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)混凝土的發(fā)展（混凝土的熱裂問(wèn)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(dá)50%。 但是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)素混凝土中摻加粉煤灰確做了嚴(yán)格的限制，規(guī)范上限為15%。通過(guò)在渠道襯砌用素混凝土板中高摻35%的粉煤灰進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，利用化學(xué)激發(fā)的方法大摻量粉煤灰混凝土能夠滿(mǎn)足C30、F200渠道襯砌混凝土的設(shè)計(jì)要求，且90天齡期耐磨性能與普通混凝土相當(dāng)，而且大大降低了單方混凝土材料價(jià)格，提高了混凝土襯砌板的體積穩(wěn)定性，符合國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)呼聲日高的發(fā)展趨勢(shì)。也與一些專(zhuān)家提出“某些規(guī)范中對(duì)粉煤灰用量所設(shè)的限制偏于保守”的說(shuō)法不謀而合。 “高摻量粉煤灰混凝土”定義在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中均難以找到，清華大學(xué)的覃維祖教授曾對(duì)其提出過(guò)三點(diǎn)意見(jiàn)。個(gè)人認(rèn)為，為了避免把高摻量粉煤灰混凝土簡(jiǎn)單地理解為粉煤灰摻量較大的混凝土，而有可能導(dǎo)致步入技術(shù)和認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，應(yīng)對(duì)高摻量粉煤灰混凝土給出一些關(guān)鍵性的規(guī)定：,（1） “高摻量粉煤灰混凝土”以滿(mǎn)足不同工程的設(shè)計(jì)要求為目標(biāo)，強(qiáng)度等級(jí)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(yīng)使用高效減水劑，盡可能地減小水膠比，應(yīng)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(yīng)具有良好的體積穩(wěn)定性、工作性與經(jīng)濟(jì)性。（4） “高摻量粉煤灰混凝土”的粉煤灰摻量一般不應(yīng)小于40%。 （5） “高摻量粉煤灰混凝土”的原材料必須嚴(yán)格優(yōu)選，砂宜選用細(xì)度模數(shù)3.0 以上中偏粗砂，F(xiàn)級(jí)低鈣粉煤灰的細(xì)度和燒失量均越低越好。 高摻量粉煤灰混凝土的主要特點(diǎn)有：各齡期的強(qiáng)度發(fā)展與粉煤灰品質(zhì)、配合比設(shè)計(jì)直接相關(guān)，尤其是早期強(qiáng)度的發(fā)展變幅較大。通過(guò)摻入活性激發(fā)劑可以顯著提高其早期強(qiáng)度，使28天強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)，后期強(qiáng)度明顯高于普通混凝土。其的彈性模量遵循隨強(qiáng)度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的規(guī)律，在相同抗壓強(qiáng)度的情況下，表現(xiàn)出較好的抗拉強(qiáng)度，其拉壓比高于普通混凝土。其收縮應(yīng)變值與抗壓強(qiáng)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(rèn)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(zhì)得不斷改善與配合比設(shè)計(jì)方法的變革，觀念也在不斷更新。室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，采用35%摻量的粉煤灰取代水泥，90天齡期時(shí)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(yīng)。,2 聚合物改性水泥 2.1 聚合物水泥及性能指標(biāo) 聚合物水泥能夠明顯改善混凝土的強(qiáng)度、韌性、延性、耐久性和粘結(jié)性能，其機(jī)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(jié)材料。其特點(diǎn)是用普通水泥砂漿、混凝土的施工方法，所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。 常用聚合物改性水泥主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1.,表1 常用聚合物改性水泥主要性能指標(biāo),2.2 聚合物水泥在砌石壩防滲工程中的應(yīng)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(jìn)行了應(yīng)用，采用噴射技術(shù)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(jié)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(shù)施工工藝流程見(jiàn)圖2.,3 灌漿新材料 采用灌漿技術(shù)已經(jīng)有一個(gè)世紀(jì)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(qiáng)度或減少地基變形等。近幾十年來(lái)，隨著工程建設(shè)的實(shí)踐和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，灌漿材料、施工工藝、施工設(shè)備和效果檢測(cè)等方面，都取得了重大的進(jìn)展，在水利水電建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，包括： 1、控制滲漏，減少水工建筑物基礎(chǔ)下地基的滲透性；2、增加建筑物地基的強(qiáng)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(fù)和加固暨建建筑物；6、固定巖石預(yù)應(yīng)力錨索；7、混凝土結(jié)構(gòu)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(xué)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(xì)。要具有一定的細(xì)度，以便進(jìn)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(shí)間內(nèi)應(yīng)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(dòng)性。3、膠結(jié)強(qiáng)度高。灌入裂隙中經(jīng)過(guò)一定時(shí)間應(yīng)能膠結(jié)成為堅(jiān)硬的結(jié)石，起到充填與固結(jié)的作用。4、結(jié)石強(qiáng)度高。結(jié)石要具有一定的強(qiáng)度、粘結(jié)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(nèi)，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(guò)水泥細(xì)度和摻合料的改進(jìn)可解決以上問(wèn)題。 3.1.1超細(xì)水泥 將水泥磨細(xì)至平均粒徑為4m，最大粒徑為10m，比表面積在8000m2/kg以上，這時(shí)漿體穩(wěn)定性好，固結(jié)時(shí)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(xì)砂中。超細(xì)水泥可以單獨(dú)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(xì)微玻璃狀球體。它是一種高活性材料，極細(xì)的硅粉顆粒可使?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(jié)體抗壓強(qiáng)度顯著提高。（5）孔隙分布更細(xì)，抗?jié)B、耐久性能優(yōu)良。 3.2化學(xué)灌漿材料 水泥漿液由于顆粒粒徑的限制，難于灌入一些細(xì)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(shí)際應(yīng)用中地下水流速小于80m/d才可灌注水泥漿，超過(guò)需在水泥漿液中摻加速凝劑。遇到基礎(chǔ)涌水、基巖夾泥斷層破碎帶，水泥灌漿便無(wú)法操作。,化學(xué)灌漿材料比水泥具有好的可灌性，而且能按工程的需要調(diào)節(jié)漿液的膠凝時(shí)間，故也適用于有流動(dòng)水部位的堵漏或防滲。有的化學(xué)灌漿材料還具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉、抗壓強(qiáng)度，適用于混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)處理?；瘜W(xué)灌漿在改進(jìn)工程質(zhì)量、提高施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)合理性方面都有作用?；瘜W(xué)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(xì)微裂縫。2、凝膠體具有較好的密實(shí)性、防滲性和耐久性，用于補(bǔ)強(qiáng)加固灌漿的，還須具有一定的抗壓、抗拉強(qiáng)度，用于混凝土裂縫處理則需有良好的粘結(jié)強(qiáng)度。3、須特殊操作工藝，漿液有較長(zhǎng)時(shí)間的適用期，便于漿液能進(jìn)入裂縫深處，還要求漿液的膠凝時(shí)間容易調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的灌漿要求。4、漿液無(wú)毒或低毒，不會(huì)造成環(huán)境污染。 化學(xué)灌漿材料按灌漿對(duì)象可分為：防滲堵漏材料和補(bǔ)強(qiáng)加固材料: 防滲堵漏材料：水玻璃類(lèi)、丙烯酰胺類(lèi)、丙烯酸鹽類(lèi)、發(fā)泡型聚氨酯類(lèi); 補(bǔ)強(qiáng)加固材料：環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、丙烯酸酯類(lèi)、聚酯樹(shù)脂類(lèi)、加固型聚氨酯類(lèi)。 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(xì)微裂縫，在0.20.3MPa壓力下，漿液能夠滲入混凝土內(nèi)46cm，起到浸漬作用，固化物粘結(jié)強(qiáng)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(shù)脂類(lèi)漿材 環(huán)氧樹(shù)脂具有粘結(jié)力強(qiáng)，收縮小，常溫固化等特點(diǎn)，由于本身粘度較大，作為灌漿材料使用時(shí)必須降低其粘度。按稀釋體系的種類(lèi)可分為3類(lèi)。 （1）非活性稀釋劑體系。采用丙酮、二甲苯等非活性稀釋劑來(lái)稀釋環(huán)氧樹(shù)脂，配制簡(jiǎn)單，固化反應(yīng)放熱小，使用方便，但是由于稀釋劑不參與反應(yīng)，因此固化物物理力學(xué)性能下降，粘結(jié)力較低。 （2）活性稀釋劑體系?；钚韵♂寗┛蓞⑴c固化反應(yīng)，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(shù)脂漿液。此法配制的漿材起始粘度降低為110cp數(shù)量級(jí)，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(wèn)題。 3.2.3加固型聚氨酯類(lèi)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(yù)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(huì)產(chǎn)生體積膨脹，提高了漿體在裂縫內(nèi)的充填率，但隨著摻入的稀釋劑逸出還會(huì)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(xué)灌漿材料既可用于補(bǔ)強(qiáng)加固，也可用于防滲堵漏。其主要由丙烯酸酯、聚氨酯預(yù)聚體和復(fù)合固化劑組成，粘度較低，調(diào)節(jié)丙烯酸酯和聚氨酯預(yù)聚體的比例可得到不同性能的漿體，以滿(mǎn)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(kāi)度為0.05mm的細(xì)微裂隙，用于混凝土裂縫加固的同時(shí)，還可以滲入混凝土裂縫兩側(cè)的微小氣孔內(nèi)，起到浸漬加固的作用。固化物抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)60MPa，粘接強(qiáng)度可達(dá)2.22.5MPa，潮濕界面粘結(jié)強(qiáng)度可達(dá)1.5MPa，能夠滿(mǎn)足普通混凝土細(xì)微裂縫的補(bǔ)強(qiáng)加固要求。水溶性聚氨酯聚合時(shí)間可調(diào)，且誘導(dǎo)期較長(zhǎng)，漿液適用時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)體積不收縮，根據(jù)配比的不同