水工混凝土建筑物新型修补材料及其技术的研究

第2期(总第160期)
2006年5月
No.2(TotalN0.160)
May.2006
性能指标
一个圆柱形玻璃容器抗压强度/MPa抗折强度/MPa粘接强度/MPa抗压弹模/MPa干缩变形/10-6
抗冻/次吸水率/%抗渗性/MPa聚合物砂浆
>25>7.0>2.515000~16000
<6.0>F200≤3.0>W8
备注
与老混凝土粘接采用小“8”字模
温度20℃±2℃,湿度60%±5%
快冻法浸泡30天表1
聚合物水泥砂浆性能
水工混凝土建筑物新型修补材料及其技术的研究
王国秉
孙志恒
(中国水利水电科学研究院结构材料研究所、水利部水工程建设与安全重点实验室、北京100038)
山西水利科技
SHANXIHYDROTECHNICS
1006-8139
(2006)02-01-04建国以来,我国兴建了大量水工建筑物,它们在国民经济的发展中发挥了重要作用。由于基础和建筑物本身存在的问题,规范不完善、设计欠妥、施工材料选择不当、施工质量不佳、运行条件变化、运行年限增加、运行管理存在问题以及地震等不利因素,致使为数不少的水工混凝土建筑物存在不同程度的病害,有些已严重影响工程安全运行。
据悉,在水利系统管理的83725座水库中,共有病险库30381座,其中大型水库143座,中型1092座,分别占大、
中型水库的42%和4l%。水库存在病险隐患,不仅威胁防洪安全,而且严重影响
车库翻板门水库兴利效益的发挥。一般修补工程对修补材料性能及施工技术的要求比较高,因此修补材料及其技术选择不当,可能会在修补后短时间或长时间内对修补效果产生不利影响,甚至导致失败。本文在总结我们参加的修补工程及使用材料的基础上,介绍了近年来有关国内外及我所新研制、
开发应用的修补材料及其技术、工程应用等经验,可供修补工程、科研、设计、施工参考。
防渗材料的开发与研究
1.1
水泥基渗透结晶型防水材料
水泥基渗透结晶防水材料是波特兰水泥、硅砂和多种特
殊的活性化学物质组成的灰粉末状无机材料。这种材料具有特有的活性化学物质,涂刷在混凝土表面,利用水泥混凝土本身固有的化学特性和多孔性,以水为载体,借助于渗透作用,在混凝土微孔及毛细管中传输,再次发生水化作用,形成不溶性的枝蔓状结晶并与混凝土结合成为一整体。由于结晶体填塞了微孔及毛细管孔道,从而使混凝土致密,达到永久性防水、防潮和保护钢筋、增强混凝土结构强度的效果。我所研究结果表明,混凝土渗透深度可达5cm以上。对于微细裂缝还具有自愈修复能力。
这种材料上世纪70年代国外市场畅销,90年代进入我国市场。例如,由加拿大引进的XYPEX水泥基渗透结晶型防水材料系列,在我国水工混凝土建筑物防渗修补中也逐渐得到应用,我所在天生桥二级、大坳、安康、引黄入晋等水利
工程的修补中应用均取得了良好效果。
1.2聚合物水泥砂浆类材料
自上世纪80年代初在国内首先推出新型防渗、防腐、防
冻材料丙乳砂浆后,我国相继研制成功并在工程中推广氯丁、氯偏、丁苯、偏氯乙烯、水溶性环氧等各种聚合物水泥砂浆。聚合物水泥砂浆是通过向水泥砂浆掺加聚合物乳胶改性而制成的一类有机无机复合材料。这类砂浆的硬化过程是:伴随着水泥水化形成水化产物刚性空间结构的同时,由于水化和水分散失使得胶乳脱水,胶粒凝聚堆积并借助毛细管力成膜,填充结晶相之间的空缺,形成聚合物相间网状结构。聚合物相的引入提高了水泥石的密实性、黏结性,又降低了水泥石的脆性。与普通水泥砂浆相比,聚合物水尼砂浆的弹模低、抗拉强度高、极限拉伸率高、与老混凝土的粘结强度高,因此聚合物水泥砂浆层能承受较大振动、反复冻融循环、温湿度强烈变化等作用,耐久性优良,适用于恶劣环境条件下水工混凝土结构的薄层表面修补。施工方法有人工涂刷,喷涂及灰浆机湿喷,大大提高了施工速度及施工质量。我所已成功地应用于引大入秦、引黄入晋工程和天生桥二极、安康、东风等水电站修补加固工程。我所研制开发的聚合物水泥砂浆的性能见表1。
摘要:水工建筑物的病害治理需要有可靠的技术,其中修补材料的选择是十分重要的一
环。本文中在总结中国水利水电科学研究院结构材料研究所参与的修补工程及使用的材料的基础上,介绍了近年来有关国内外及该所新研制、开发应用的修补材料及其技术、工程应用等经验,可供科研、设计、施工参考。关键词:防渗;抗冲耐磨;补强加固,水工混凝土建筑中图分类号:TV441
文献标识码:B
・1
第2期(总第160期)2006年5月No.2(TotalN0.160)
May.2006
表2聚脲弹性体材料的物理力学性能
物理力学性能
拉伸强度/MPa
邵尔硬度
撕裂强度/kN・m-1
伸长率/%
与混凝土粘接/MPa
与钢板的粘接(喷砂处理)/MPa与铝的粘接/MPa
耐磨性能(阿尔隆法)/mg
冲击强度/(kg・cm)
性能指标10~27.530A-65D43.9~105.4420~1000
>2.8
>13.7
>13.7
≤45
≥50
1.3聚胺酯/聚脲喷涂弹性体材料
聚胺酯/聚脲喷涂弹性体技术是国外近十年来开发的新型无溶剂、无污染的绿涂装技术,该喷涂弹
性体材料具有防水、防腐、耐磨的优良性能,但是需要采用专用喷涂设备。其主要特点是:快速固化,施工速度快,每分钟可喷涂9m2,喷涂厚度0.3mm ̄5mm,一次成型;材料本身及施工过程均无毒无污染;施工不受环境影响,在-15℃至60℃可正常施工;对各类底材如金属、混凝土、木材等均有良好附着力;该材料防水抗渗性、耐高温性、抗拉性能、柔韧性、耐磨性优良;耐化学品性能,抗腐蚀物质(如:酸、碱、盐、有机溶剂)性能良好;抗老化性能强,使用寿命不少于50年。
该材料的主要物理力学性能指标见表2。
聚脲喷涂弹性体材料在水利水电工程方面主要用途包括:混凝土和金属闸门的防腐防护处理,混凝土结构的防护抗磨,钢架结构、引水管线、沿海闸坝、护堤的防护防腐,特别对海水侵蚀的构件具有独特的防护作用。
最近,我所已将喷涂聚脲弹性体技术成功地应用在引滦入津输水隧洞防渗处理和新安江大坝溢流面抗冲、防渗修补处理工程的现场试验。
2柔性防水涂料的开发与研究
2.1聚氨酯柔性防水涂料
弹性聚氨酯柔性防水材料是一种由含端异氰酸酯基的预聚体和浆组成的双组分型高档柔性防水材料,它品种多,性能优异,使用寿命长,无毒、耐老化,可用于防水、防腐工程,其主要技术指标:抗拉强度≥3.0MPa;断裂伸长率≥200%;低温柔性:-30℃无裂纹;固含量≥94%;粘接强度:1.5MPa ̄2.5MPa。老化系数70°C×72h大于0.85。柔性防水涂料施工工艺为;先处理好基面。必须把基面上的漏水点封堵好,如遇有大面积不平整基面,则先将基面修复平整,以免浪费防水材料;基面必须清除疏松层、油污、灰尘等杂物,用打毛机和钢丝刷将混凝土表面打毛,并用压力水清洗干净。如果处理后混凝土表面存有局部潮湿,可用喷灯或红外线灯将混凝土表面烘干。基底处理好后,先涂一层基底涂料,待基底涂料表面干后,即可涂刷防水涂层,头一道涂层表面干后即可涂刷下一道涂层。同一层中涂料涂刷方向应一致,相邻层的涂刷方向应相互垂直。当防水涂层涂刷达到规定厚度,即涂层施工完毕后,在25℃、24h固化,7天后可达到一定强度。这种材料我所已用于山西省万家寨引黄工程总干线7号、8号洞隧洞土洞段及岩洞段内防渗处理工程,效果较好。2.2聚合物水泥基柔性防渗涂层材料
为克服聚氨酯柔性防水涂料要求在干燥条件下施工的不足,我所结合引黄入晋工程的需要,专门研制了一种可用于潮湿面施工的聚合物水泥基柔性防渗涂料。
聚合物水泥基柔性防渗涂层材料是由粉料(普硅水泥、细砂及其它无机填料组成)、丙烯酸酯一苯乙烯共聚乳液、SK-1减水剂、增塑剂、消泡剂等组成。它是通过把聚合物柔性膜变为连续相而使水
泥水化产物变成非连续相分散于柔性网络的体系,从而得到变形量大、抗拉强度高、防渗及抗冻性优、使用性能好的一类混凝土表面防渗抗裂处理材料,可应用于大坝、水工隧洞、渠道混凝土表面防渗抗裂处理,是一种新型防渗材料。
由中国水利水电科学研究院结构材料所研制的PAE柔性防渗抗裂涂层材料,通过调整聚灰比可以得到变形量大(延伸率100% ̄250%)、本体强度高(抗拉强度大于2.0MPa)、抗渗性能好(在迎水面和背水面抗渗标号均大于W15)、抗冻性优(大于F200)、粘结强度高(与混凝土和砂浆基底粘结强度大于2.0MPa)的柔性涂层材料。在掺入有效增塑剂或聚合物纤维后,各项力学性能指标均有较大改善。该材料己成功应用于桃林口大坝上游坝面防渗抗裂防护和京密引水渠等工程混凝土表面防渗处理。
3新型高抗冲耐磨材料开发与研究
我国从上世纪60年代就开始进行抗冲磨材料的应用研究,主体思路是通过提高抗压强度来提高过流面混凝土的抗冲磨性能,同时加强对过流面混凝土的防护并及时对薄层冲磨破坏进行修补。
目前,在我国水利水电工程中普遍应用的硅粉系列抗冲耐磨混凝土、改性环氧树脂砂浆和防护涂料无疑均具有较好的抗冲耐磨能力,这已被大量的室内试验和工程应用所证明。但由于选用原材料、组成配方和技术路线的限制,使其在工程施工和应用中也暴露出自身难以克服的种种弱点。例如硅粉系列
抗冲磨混凝土早期强度发展过快,中后期强度增长微小,水化热集中释放,干缩和自干燥收缩大,极易发生裂缝;改性环氧类抗冲耐磨砂浆和防护涂料仍含有较多易挥发性溶剂组分,在潮湿和有水环境中的施工性能下降,柔韧性仍显不足,容易空鼓、开裂和成片剥落。
针对当前抗冲耐磨材料在工程应用中存在的遗留问题,结合西部大开发,实现西电东送,兴建大型高水头电站对高抗冲耐磨材料的需求,在国电公司科技项目的资助下,中国水科院开展了“高速水流下新型高抗冲耐磨材料的开发及应用”研究,充分利用现代材料科学发展的新成果和新技术,开发新一代的高性能高抗冲磨材料,以满足当前及今后兴建高坝大库对高性能抗冲耐磨材料的需求。这方面研究包括:
王国秉,等:水工混凝土建筑物新型修补材料及其技术的研究・2・
3.1多元胶凝粉体新型抗冲磨混凝土的开发研究
通过掺人特定颗粒分布的粉体调整水泥熟料粉体的颗粒级配,使混合粉体具有紧密堆积结构;优化多元胶凝粉体的活性组分、含量和细度,调控其各组分胶凝反应的进程匹配、水化放热过程和强度发展过程,达到根据需要定制设计多元胶凝粉体,用于配置高性能高抗冲磨混凝土,克服硅粉系列抗冲磨混凝土早期强度发展过快、水化热集中释放、干缩大的弱点,充分利用中后期的强度增长。
3.2降低高强抗冲磨混凝土体积收缩的技术措施研究硅粉混凝土的干缩和自干燥收缩远大于普通混凝土,这是导致其施工期极易发生裂缝的主要因素之一。收缩大不仅仅是硅粉混凝土的独有弱点,也是低水胶比、高强,特别是早期高强度混凝土的通病。高强混凝土的水胶比普遍较低,其胶凝材料的水化产物在水化早期便很快堵塞了毛细孔通道,阻碍了外部养护水向混凝土内部的迁移,造成内部自干燥(水化吸收水分)失水而收缩。通过掺加减缩剂技术,降低混凝土中毛细孔的毛细张力和收缩力,从而减小干缩和自干燥收缩已成为提高高强混凝土体积稳定性的有效措施,开始逐步在工程中应用。
研究表明,当减缩剂掺量为2%时,干缩值减少约50%,减缩效果明显。自生体积变形试验结果表明,当减缩剂掺量为2%时,硅粉抗冲磨混凝土的自生体积变形由微收缩型转变为微膨胀型。干缩的大幅度降低,自生体积变形的微膨胀对减少硅粉抗冲磨混凝土的体积收缩裂缝将会十分有利。3.3“海岛结构”环氧树脂合金抗冲磨防护材料的开发研究其技术核心是进行分子结构设计并经有机高分子合成制备出具有特种结构的多功能团增韧体系,在加入该增韧体系后环氧树脂在固化过程中的细观结构发生变化,由原来的单相态变成多相态,增韧体系在环氧树脂固化过程中离析出来,形成以环氧树脂为连续相、增韧剂生成尺寸为“海岛结构”,这种多相多组分的环氧树脂被称为环氧树脂合金。采用这种技术研制成的具有“海岛结构”的环氧树脂砂浆可从根本上克服环氧树脂材料的脆性,断裂韧性提高十余倍甚至几十倍,其抗裂性、黏结强度、抗磨损、耐疲劳老化及变形性能都会得到大幅度提高。
4补强加固材料及其技术的研究
近20年来国内外发展了多种直接加固技术,常见的有:增大截面法;外包钢法;预应力法;外粘钢板法;喷射混凝土法和碳纤维加固法。以下重点介绍钢板补强加固和碳纤维补强加固新技术。
4.1钢板补强加固技术
混凝土结构外表面粘贴钢板补强加固技术始于20世纪60年代,目前它已成为国内外适用面较广的一种加固技术。钢板通过粘结力强大的粘结剂与结构紧密结合为一体,共同承担荷载,对结构的抗拉、抗弯、抗剪等能力进行补强,显著提高结构的强度和韧性,恢复承载能力,延长使用寿命。由于钢板贴合部位的混凝土受到约束,可控制已有裂缝的扩展,防止新裂缝的产生。因此,粘结剂的性能及粘贴工艺是结构补强加固成功与否的关键。
粘贴钢板的关键是钢板与混凝土是否能粘结牢固,混凝土结构加固用胶必须具有强度高、粘结力强、耐老化、线膨胀系数小、且有一定弹性,粘贴钢板的最佳厚度应视混凝土的强度等级而定。例如我所在太平哨水电站闸墩混凝土裂缝处理粘贴钢板的厚度选用3mm。施工流程为:混凝土表面打磨处理→裂缝封堵→安装钢板→粘接钢板→灌浆→检验→钢板防腐处理。取得了较好的效果。
4.2碳纤维补强加固新技术
碳纤维补强加固技术是利用高强度或高弹性模量的连续碳纤维,单向排列成束,用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合材料片材,将片材用专用环氧树脂胶粘贴在结构外表面受拉或有裂缝部位,固化后与原结构形成一整体,碳纤维即可与原结构共同受力。由于碳纤维分担了部分荷载,降低了钢筋混凝土结构的应力,从而使结构得到补强加固。由于耐久性好,施工简便,不增大截面,不增加重量,不改变外形等优点,日渐受到国内外工程界重视。
碳纤维片的抗拉强度可达3500MPa,比钢材高7~10倍:弹性模量(2.35 ̄4.30)×105MPa,由于采用了性能优良的粘结材料,不仅树脂渗入混凝土中,将碳纤维片材紧密粘贴在结构外表面,而且树脂有较高的粘结强度,能有效地传递碳纤维与混凝土之间的应力,确保不产生界面粘结剥离现象。与其他补强加固方法一样,碳纤维加固方法亦有其适用范围。当混凝土构件由于刚度不够,导致变形过大而影响使用时,粘贴碳纤维基本不会提高其刚度。此外,碳纤维是高强度、高弹性模量材料,采用它加固钢筋混凝土结构时,由于碳纤维和普通钢筋的极限应变值相差好几倍,混凝土裂缝己扩展很宽,结构已接近破坏,此时碳纤维的应力还很低,因此并不能充分发挥碳纤维的强度作用。
目前国内虽能生产碳纤维片,但在材质均匀性、预浸树脂含量等关键技术方面与国外相比,尚有较大差距。粘结用的环氧树脂材料,对不同部位的使用功能和使用条件需选用不同型号、不同的性能指标。国产树脂性能比较单一,与国外产品性能相比,差异较大,这些都是国产材料急需解决的重要问
pfa喷涂
题。另外,与外贴钢板加固一样,外贴碳纤维布要求所加固结构混凝土强度必需大于C15。
磁悬浮鼠标
碳纤维片补强技术的施工工艺流程为:混凝土结构表面处理、粘贴碳纤维基层处理、涂刷底层胶粘剂、粘贴部位的修补、粘贴碳纤维、养护。
防伪标签识别
近年来,我所应用碳纤维补强加固技术对河北省岗南水库闸墩裂缝、天津海河闸和北京半城子水库公路桥混凝土大梁加固等工程处理,均取得了良好效果。
5结语
水工建筑物的病害治理是一项长期复杂的工作,混凝土建筑物修补与加固,在近几年已形成一门新的学科和新的产业。首先要针对工程不同的缺陷制定出合理(下转第14页)
・3・
(上接第3页)的修补方案,选用新的修补材料和可靠的施工技术。在施工过程中有时还根据工程具体情况对施工工艺做必要的修改,以保证施工方案的实施。
进入21世纪,我们期望水工混凝土建筑物修补加固技术将攀上一个新的高峰,希望有更多、更好的新材料和修补加固技术问世,为我国水利水电
建设事业的新发展作出贡献。
作者简介:
面瘫的中药王国秉,男,1936年生,毕业于莫斯科水利工程学院,教授级高工,研究生导师。
[收稿日期:2005-05-31]
ResearchontheNovelMaterialsandApplication
TechniquesforRehabilitationofHydraulicConcreteStructures
WANGGuo-bingSUNZhi-heng
Abstract:Reliabletechniquesareessentialtothesucccssofrehabilitationofhydraulicconcretestructures.AmongthemthechoiceofpropermaterialsisofulmostimportanceInthispapertheexperiencesandadvancesathomeandabroadaresummarizedandt
henewmaterialsandtheirapplicationtechniques,whichhavebeendevelopedtomeettherequirementsinmanyprojectsinvolvedbyDepartmentofStructuresandMaterisls,IWHRinrecentyears,areintroduced.Theycanserveasreferenceintherelatedresearch,designandconstuction.Keywords:anti-seepageanti-abrasionrehabilitationhydraulicconcretestructures
HCO3-含量5.98mmol/L,Mg2+含量23.81mg/L,SO42-含量147.93mg/L,侵蚀性CO2未检出,水化学类型为HCO3-SO4-Ca-Na型。许河水矿化度为676.70mg/L,PH=8.09,HCO3-含
量6.33mmol/L,Mg2+含量27.22mg/L,SO42-含量156.10mg/L,侵蚀性CO2未检出,水化学类型为HCO3-SO4-Ca-Na型。据《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-99环境水腐蚀判定标准,判定河水对混凝土无腐蚀。
4.3
地基不均匀变形问题
二干压力管线地基由低液限粉土、低液限黏土、砂岩、泥页岩等不同岩性组成,不同岩性的物理力学性质有很大差异,因而存在地基不均匀变形问题。
作者简介:解龙,男,1971年生,1995年毕业于华北水利水电学院,工程师。
[收稿日期:2005-11-03]
EngineeringGeologicalAnalysisandAssessment
onMainPressurepipelineNo.2ofZhangfengReservoir
XIELong
Abstract:Onthebasisofengineeringgeologycommentandphysicalmechanicalparametersofsoilandrockob-tainedfromagreatdealoftests,theanalysisandassessmentofengineeringgeologyconditionon
mainpressurepipelineNo.2ofZhangfengReservoirarepresented.
Keywords:mainpressurepipelineNo.2engineeringgeologyassessementphysicalmechanicalindexcol-lapsecoefficient
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
・14

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