水下混凝土缺陷的修复材料和应用

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cicihaicic
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  摘要:每种新型的修复材料性能有所不同,尺有所长、寸有所短。因此应根据具体工程的不同而做相应的调整,尽量发挥出自身的优势。同时水下混凝土的施工技术也是决定能否发挥出其自身优势的关键因素。两者要相互配合才能发挥出最大的优势。
  关键词: 新材料 水下聚合物混凝土 应用
  中图分类号:TV544文献标识码: A
  混凝土缺陷是一种普遍存在的现象,如混凝土裂缝、孔洞、蜂窝等等,对混凝土缺陷的修复材料也有许多,但大多数均适用于干燥环境。而在水利、桥梁、港工、海洋等工程领域中经常会遇到水下混凝土的缺陷,这些缺陷对于混凝土的结构形成很大的危害,如对于水库大坝来说,一旦混凝土出现裂缝等缺陷,就会导致渗漏现象的产生,而渗漏的出现又会进一步造成钢筋锈蚀、析钙等现象,从而使混凝土的强度降低、使用寿命减少,最终有可能影响到水库大坝的正常运行,因此必须对这些缺陷进行有效的处理,但这些缺陷的修复往往不可能形成旱地施工的条件,这就需要开发出适用于水下施工的混凝土缺陷修复材料以及与这些材料相配合的施工技术。根据多年来的实践经验及对相关技术的研究,结合水下混凝土缺陷修复材料的性能以及应用实例,目的是为今后类似疑难工程的处理提供一个有效的参考及借鉴。
  在此首先介绍一下水下混凝土缺陷修复材料的种类以及特性:从目前来说,可用于水下修复的材料除加有外加剂的普通混凝土外,还有水泥基类的水下不分散混凝土(Non-dispersible Underwater Concrete,即NDC)、由高分子作为粘结剂的聚合物混凝土(Polymer Concrete)、水下快速密封材料、水下金属和混凝土构件的保护涂料、水下化学灌浆材料、水下混凝土伸缩缝的处理材料等一系列材料。
  一、HK-NDC水下不分散混凝土
  水泥基类的水下不分散混凝土(Non-dispersible Underwater Concrete,简称NDC)是在普通混凝土拌合物中加入絮凝剂,从而在水泥颗粒之间形成架桥结构,增大了吸附力,提高了粘性,抑制了混凝土拌合物的稀释,增加了拌合物的触变性和保水性,减少了骨料的沉降和离析,从而使混凝土获得了在水下硬化前具有一定程度的抗分散性。NDC比较多地用在水下大体积混凝土的浇筑和修补处理中。HK-NDC水下不分散剂由高分子絮凝剂及其它外加剂组成,它的基本特性如下:
  1、优良的抗分散性能,在水中落差为50cm时,浇筑的水下混凝土不分散、不离析;
  2、能自流平、自密实,塌落度在18—24cm,扩展度在32—42cm。
  3、初凝时间:20—25小时:终凝时间:30—35小时;
  4、可配置C20—C40水下不分散混凝土,而且七天令期的抗压强度可达到20MPa以上,抗折强度可达5MPa以上。
  5、可进行薄层水下混凝土施工,垂直构件断面可达20厘米。
  6、可以配置特殊情况下使用的快速固化水下混凝土和水下密封剂。
  水下不分散混凝土曾在多项工程中应用,如新安江护坡水下混凝土浇筑、太平湾电站、天生桥电站二级导墙水下淘空洞浇筑、云南漫湾水电站冲坑修补等。
  二、水下聚合物混凝土
  聚合物混凝土是以树脂为粘结剂,将其与骨料(石子、砂、水泥)固结而形成的混凝土,它具有高分子和无机材料的综合性能。可选择不同类型的树脂品种,并通过固化剂用量的调节,使它在水中快速固化。聚合物混凝土的强度增长可以大大快于NDC水下不分散混凝土,有些品种在一天内即达到30MPa以上的抗压强度。用于水下聚合物混凝土有PBM和环氧树脂等,可以由这些树脂出发制备水下混凝土修复用的水下涂料、水下高强锚固剂、水下腻子、水下聚合物砂浆和水下聚合物混凝土等。PBM聚合物混凝土是以不饱和聚酯等高分子材料为胶结料而形成的具有互穿网络结构的材料,可在水下快速固化,强度增长迅速,与混凝土和金属粘结强度高,而且它在水中可自流平,自密实,同时还可以进行薄层浇筑,适用于水下混凝土孔洞和缺陷的快速封堵。而环氧混凝土则以环氧树脂作为胶结料,也可在水中自流平、自密实,其固化产物强度高,性能可在一定范围内调节,固化速度可通过加入不同的固化剂来调节。由于PBM树脂和环氧树脂均不溶于水,可赋予所包裹的材料以很高的粘性,因此拌合料在水中不分散,施工时不需要导管,可直接倒入水中,也不需要振捣就可形成自流平、自密实的水下混凝土,可以对混凝土缺陷进行薄层的和快速的修补。水下聚合物混凝土的主要性能特征
  1、可在水下快速固化,如PBM混凝土的水下固化时间可在十几分钟至数小时内进行调节;
  2、在水下不分散、不离析,可不需导管,直接倒入水下处理部位;
  3、不需震捣,可自流平,自密实;
  4、水下混凝土的各项强度均很高,抗压强度可大于70MPa,抗折强度大于20MPa,抗拉强度大于12MPa,粘接强度强度大于2.5MPa;
  5、可在水下进行以厘米计的薄层修补;
  6、可以进行垂直面的立模浇注和平面摊铺;
  7、可对水下金属管道进行快速堵漏处理。
  聚合物混凝土曾在丹江口大壩水下水平缝灌浆处理、浙江碗窑碾压坝水下混凝土孔洞修补、青铜峡泄水孔底板掏空水下处理等数十项工程中得到成功应用。
  三、两种水下聚合物混凝土的性能
  采用改性的聚酯树脂和改性的环氧树脂制备的聚合物混凝土有着各自不同的特点,现以PBM水下混凝土和963水下环氧混凝土为例来比较:
  改性聚酯混凝土PBM比改性环氧混凝土固化要快,特别在低温下,环氧材料固化速度很慢,即使掺加促进剂,也很难满足数小时内达到高强度的要求。但PBM混凝土仍可以在低温下较快固化。因此需要水下快速固化时,选PBM为好,但不是对强度增长要求过急,可选择963水下环氧混凝土,因为最终强度还是环氧混凝土高。从抗压强度和抗折强度来看,两种聚合物混凝土都很高,但就抗拉强度而言,963环氧混凝土明显较高,说明他比较有韧性。
  环氧混凝土可以通过掺加促进剂来加快其固化速度,以满足工程的需要。但实验结果表明,掺加促进剂后对环氧混凝土早期强度的增长虽有明显的促进,但后期的强度反而不如不参加促进剂的高(其结果见表3)。因此在不是必须的情况下应尽量不加促进剂,以保证固化产物的性能。
  四、SXM水下快速密封剂
   SXM是一种双组份快速密封剂,具有水下不分散、固化快、与水下混凝土粘结力强、无毒、使用方便等特点,可用于水下混凝土裂缝的密封、孔洞的修补,也可用于大坝混凝土伸缩缝、裂缝在运行水下化学灌浆时的灌浆管埋设及缝面止封处理等。其固化速度可在一定范围内进行调节,以满足不同工程的需要。
  五、水溶性聚氨酯化学灌浆材料:
  水溶性聚氨酯化学灌浆材料是一种亲水性的高分子材料,遇水可以乳化、分散进而固结,其固结体具有较好的延伸性,能适用活动缝的变形,而且材料本身具有遇水膨胀的性能,其水膨胀性可以调节,最高可达到250%左右,具有“以水止水”双重功效。该材料在分子结构中引入了亲水性基团,在水下与混凝土表面具有较强的粘结力,是一种理想的活动裂缝处理材料,广泛用于各种裂缝、缺陷的封闭处理。在水下进行灌浆时需用配套的水下密封材料来进行封缝处理,以保证灌浆效果。该材料曾在丹江口水电站水下水平缝灌浆处理、新安江大坝伸缩缝水下灌浆处理以及三峡、龙羊峡等数以百计工程的伸缩缝、裂缝的防渗堵漏中得到应用。
  六、HK-963 水下环氧涂料
   HK系列环氧材料是以环氧树脂为主,通过添加增韧剂、活化剂、固化剂等一系列的助剂而制成,可适应不同的工程需要。其中HK-963水下涂料分子结构中引入了强极性亲水基团,并采用专用的水下固化剂,使得它在水中具有较好的涂刷性能,且与钢板、混凝土等材料有着很强的粘结力,广泛应用于水下工程的缺陷修補、结构补强、表面保护等等
  七、混凝土伸缩缝的水下处理材料-----SX防渗模块
  SX防渗模块,是华东院科研所最新研制的由SR塑性止水材料、SR混凝土防渗盖片、HK963水下粘合剂等系列配套止水材料复合而成的、可以在水中混凝土迎水表面直接施工操作的柔性防渗材料。它具有施工简便、接缝变形适应性强、防渗效果好、检查维修方便、材料成本低等特性,其主要构成材料性能如下:
  1、SR塑性止水材料是专门为面板堆石坝混凝土接缝止水而研制的嵌缝、封缝止水材料,现已形成SR-1、SR-2、SR-3等适应不同面板坝工程和其它建筑工程混凝土接缝防渗的系列产品。经十余年五十余项面板坝工程和数百项其他水电工程的应用和试验研究表明,SR塑性止水材料具有独特的耐老化性、高塑性、温适性、延伸性、抗渗性、常温冷操作施工以及与基面牢固粘结等特性(表7),在SX防渗模块中起填充缝面缺陷、适应接缝变形的作用。
  2、SR混凝土防渗保护盖片:SR混凝土防渗保护盖片是由SR塑性止水材料和高强度聚酯毡、聚酯膜复合而成的片状防渗卷材,具有对混凝土防渗、防裂、防碳化和防冰冻作用。它即可单独进行防渗施工,又可与SR塑性止水材料联合使用,能够在常温下冷操作施工。SR混凝土防渗保护盖片是SX防渗模块的基础材料。
  SX防渗膜块曾在新安江大坝伸缩缝水下处理中得到应用。
  八、混凝土缺陷水下施工的设备及方法
  水下施工质量的好坏与施工器具的机械化程度有密切的关系,作为水下施工机具,一般有液压和风压两种,目前比较先进的是采用液压动力设备。此种设备以液压动力站为动力源,通过传输管带动液压钻、液压锤、液压切割机、液压铲、液压链锯等工具,在水下实施清缝、开槽、钻孔、立模、锚固、焊接等各种操作,同时随着科技水平的不断提高,目前已经可以做到通过水下摄像系统随时监控水下施工情况,并通过水下通讯设备与潜水员联系,由岸上技术人员对水下施工及时进行指导。毫无疑问,有了这些设备,水下施工的质量可以得到很大的提高。
  对于不同的混凝土缺陷,其处理方法各有不同,一般来说,主要由以下几个步骤:
  1、水下检查;水下处理前应进行仔细的水下检查,以确保混凝土的破坏情况,为处理方案提供依据。
  2、制定方案:根据水下检查的情况,确定不同的处理方案。一般来说,对于混凝土蜂窝、孔洞等缺陷可采取在原混凝土表面浇筑聚合物混凝土的方法,对于裂缝等缺陷则开采取灌浆、嵌填SR塑性止水材料等,对于混凝土表面由于细微裂缝产生的渗漏情况则可在原混凝土表面粘贴SX防渗模块的方法。
  3、表面清理:利用液压设备对混凝土缺陷进行认真的表面清理,以保证新、老混凝土之间的良好粘结。对水下部位的表面清理包括:清除碎屑和沉积物;消除有机物和水生物;凿除表面松动混凝土;对混凝土表面进行打磨;对裂缝进行必要的扩缝等处理;利用水下锚固剂埋设锚杆以增加新老混凝土的结合等等。表面准备和修复工作之间的时间间隔要短,最好在修复工作开始前的短期内进行混凝土表面的冲洗。
  4、修补材料的配制:主要是聚合物混凝土的配置。聚合物混凝土由树脂、固化剂(或促进剂和引发剂)和骨料(石子、砂、水泥)组成。稠度由树脂和骨料的比例来调节,一般树脂用量占15%—30%不等。如果在平面浇铺,可以稠些,树脂的用量可以少些。而若在立面进行间隙2—3厘米模版内填充,或流动度要大时,则要稀些。对于快速修补材料来说还必须对固化时间进行调整,应根据当时当地的温度情况,通过现场试验来进行校核,选择一个兼顾施工周期和固化速度的配比,以确保施工质量。
  5、浇筑:对立面的混凝土缺陷要做薄层修补处理时,可沿着处理的部位(凿槽或不凿槽可根据情况而定),安装有边框的模版,和基面的间隙为3厘米左右、模版可用模板或塑料板作成,并涂有脱模剂或衬塑料布。通过水下锚杆、水下射钉枪将模版固定在混凝土基面上。然后将配置好的聚合物砂浆装在泥桶中或袋中,让潜水员在水下将其倒入模板内。其处理的垂直裂缝很长,可以分段(如1—2米)立模浇筑,聚合物砂浆由于其本身的特性,其相互之间的粘接很好。
  九、结束语
  聚合物混凝土是相对应用较为成熟的材料之一,这种材料在水中不分散、自流平、自密实,可直接通过水层操作,而且固化快,综合强度高,因此可用于上流坝面、闸底板输水洞、围堰、水管等在水下部位的快速修补和止水处理。因为材料的性能不同,因此要根据工程的具体要求来选择不同品种的聚合物混凝土。
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