彭子凌 李响 陈霞 李杨 周显

摘要： 水下混凝土裂缝长期处于饱水环境中，导致对其修补存在着诸多难题，因此研发一种适用于水下施工的修补材料具有重要意义。为此，采用快凝快硬硫铝酸盐水泥作为主要胶凝材料，以PAM为絮凝组分，研制了一种新型环保的水泥基水下快速修补净浆材料。以水下抗分散性和流动性为首要设计指标，初步确定了修补材料的核心组分及配比，并研究了其凝结时间、力学性能与粘结性能;采用试验室钢板插拔法来模拟混凝土裂缝，研究了修补后混凝土的力学性能;同时，借助X 射线衍射（XRD）进行了微观快凝早强机理分析。结果表明：新型环保修补材料流动性较好、水下抗分散性优异、凝结时间可调、强度适中、黏结性能良好，有望用于混凝土水下裂缝的快速修补。

关 键 词： 水下修补材料; 混凝土裂缝; 快凝快硬硫铝酸盐水泥; 水下抗分散性

中图法分类号：  TV431

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.032

0 引 言

混凝土材料因受各种应力作用[1-2]、温差[3]、收缩[4-5]等原因，导致其内部或表层极易出现不同程度的开裂。这不仅影响建筑物的外观，还会对其耐久性造成危害，甚至会对整个结构的安全性构成直接威胁[6-9]。而水下混凝土裂缝的处理难度相对更大，部分大坝、桥墩等水工建筑物的裂缝处于水下环境，无法完全与水隔离进行修补，需要在有水条件下进行施工作业[10-14]。目前，针对不同类型的混凝土水下裂缝，已有较为成熟的修补材料，但以有机高分子材料为主，长期与水接触可能会对水体产生一定的污染。相较而言，无机材料的安全环保性更为突出，因此亟需研制一种适用于水下施工的以无机材料为主体的新型环保修补材料[15-18]。

对于混凝土水下裂缝修补材料，水下抗分散性是最基本的要求[19]。普通的水泥基修补材料属于亲水性材料，在水下极易分散，无法用于水下混凝土裂缝的修补。为此，需添加絮凝组分以增强水泥基材料组分之间的黏度，使得修补材料能在水下保持良好的抗离析性。同时，水下修补材料还需要具有良好的流动性，以确保修补材料能够流动并均匀密实地填充裂缝[20]。此外，水下修补材料的凝结时间不宜过短或过长：一方面考虑预留出水上拌和的时间以及操作人员完成修补工作的时间;另一方面也需要满足快速堵漏的要求。

本文基于无机材料体系，设计了一种新型环保的水下快速修补材料，在确保其具有良好的水下抗分散性以及流动性的前提下，对不同配比的修补材料的凝结时间、力学性能与粘结性能进行研究;同时，进行混凝土裂缝水下修补室内模拟试验，并对修补后的力学性能进行了分析;最后，借助X射线衍射（XRD），从微观角度阐述了其快凝早强机理。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

试验采用快凝快硬硫铝酸盐水泥，其物理性能和化学成分检测结果见表1～2，絮凝剂采用800万分子量的聚丙烯酰胺（PAM），减水剂采用江苏苏博特公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率为27.6%。本次试验采用2种速凝剂，分别为东营市宏福建筑外加剂厂生产的混凝土粉状速凝剂和江苏博特生产的SBT -N（I）液体速凝剂。

1.2 试验方法

1.2.1 流动性

在预先润湿的水泥净浆搅拌锅内，加入一定量的水泥、外加剂和水进行搅拌，随后将搅拌好的净浆迅速注入放在玻璃板上的截锥圆模内，提起截锥圆模，使修补材料自由流动至停止。用卡尺测量流淌部分互相垂直两个方向的最大直径，以两者的平均值作为流动度初始值。

1.2.2 水下抗分散性

参照 DL/T 5117-2000《水下不分散混凝土试验规程》中新拌混凝土抗分散性试验的方法并加以修改，以在水中自由落下后的水泥流失量和水的pH值来评定修补材料的水下抗分散性，具体操作如下。

（1） 称重法测水泥流失量。在高400 mm的塑料桶底部放置一广口容器，桶内装水至高度350 mm，将拌好的修补材料从水面自由落体倒入水中的广口容器内，使其装满广口容器，不得撒漏，静置5 min后将广口容器从水中提起，排掉修补浆体上表面残留的水，根据前后重量差来计算水泥流失量，见式（1）。

水泥流失量= a-b a-c ×100% （1）

式中：a为浸水前修补材料和容器的总重;

b为浸水后修补材料和容器的重量;

c为容器的重量。

（2）  pH值测定。修补材料在水中自由落下后通过测定水的pH值来评价其抗分散性，pH值的测定按照GB/T 6920-1986《水质pH值的测定》的规定执行。

1.2.3 凝结时间

对于修补材料水上凝结时间的测定，采用标准 GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》，用配制的修补材料代替规范中的水泥，同步成型试件后放入20 ℃的水中进行养护，以测定修补材料的水下凝结时间。

1.2.4 抗压强度

将各组分材料拌和均匀后，将修补材料浆体制成40 mm×40 mm×40 mm的凈浆强度试件，6 h后脱模，养护方式分别采取标准养护方式和20 ℃水养，养护至1，3，28 d后，测试其抗压强度。

1.2.5 黏结强度

使用“8字模”进行水下修补材料的黏结抗拉强度试验。首先成型“8”字模基准试件（配比为水泥 ∶水=1 ∶0.45），1 d后拆模，随后放入水中养护，7 d后取出，放入抗拉强度夹具内，加荷至断裂，形成近似“0”字形试件。将已拉断的“0”字形基准试件的断裂处用水湿润，放回“8”字模的一半内，然后将预试验用的水下修补材料浇筑到未放基准试件的另一半“8”字模中，经振动、压实、抹平，成型出黏结后的“8”字形试件。黏结“8”字形试件，带模在水中养护6 h后脱模，至龄期1，3 d后进行拉伸试验，测定黏结抗拉强度。

1.2.6 混凝土水下裂缝修补室内试验

成型混凝土立方体试件（150 mm×150 mm×150 mm），采用钢板插拔法來模拟混凝土裂缝，即准备不同厚度（2，10 mm）的钢板，在浇筑混凝土时将钢板插入，并在混凝土初凝之后终凝之前将钢板拔出，从而模拟不同宽度、不同尺寸的混凝土裂缝（见图1）。

将带缝的混凝土立方体试件在温度为20 ℃±2 ℃、湿度为95%的条件下养护28 d后，采用注入式工艺，用修补材料对混凝土裂缝在水下进行修补。其中，按比例将各组分材料搅拌均匀后，立即将水下修补材料灌入注射器内，进行水下裂缝修补操作。修补后将混凝土置于20 ℃的水中养护。

在水上同步进行以上操作，并将试件置于标准养护室养护;所有修补后的试件继续养护到相应龄期（7，28 d）后，测试试件的强度。同时，同步成型水下养护的完整混凝土陪伴试件，以作对比。

2 试验结果与分析

2.1 流动性及抗分散性

试验采用水胶比为0.45的水泥净浆，与聚丙烯酰胺（PAM）混合配制浆液，测定净浆的初始流动度，同时观察净浆倒入水中的浑浊情况，测定水泥流失量和pH值，以评价水泥浆液的水下抗分散性，结果见表3。从表3中可以看出，在不添加减水剂的条件下，水灰比为0.45的水泥净浆初始流动度为175 mm（样品A1）。在此基础上加入0.5%的PAM后，初始流动度即变为100 mm，净浆几乎不流动（样品A2）。PAM的絮凝作用较强，掺量仅为0.5%时，浆液便具有较好的水下抗分散性，但水下修补材料需要同时具有良好的流动性，因此需与聚羧酸高效减水剂配合使用，以改善净浆的流动度。

减水剂掺量设定为0.7%，配制浆液并测试其流动度和水下抗分散性，结果如表3及图2～3所示。试验结果证明：聚羧酸高效减水剂可明显增加净浆的初始流动度，在不掺PAM的情况下，掺入减水剂后初始流动度大大增加，超出了测试初始流动度所用的玻璃板（500 mm×500 mm）（样品B1）。PAM掺量为0.1%时，掺入聚羧酸高效减水剂后，初始流动度为201 mm，其流动性较好，但黏稠性较差，导致其水下抗分散性较差，浆液在下落过程中出现明显浑浊，水泥流失量也不能满足DL/T 5117-2000的技术要求（样品B2）。 PAM掺量增加到0.2%时，初始流动度为192 mm，此时水下抗分散性略有提高，浆液在下落过程中出现轻微浑浊（样品B2）。继续增加PAM的掺量至0.3%时，初始流动度为175 mm，水下抗分散性也较好，水泥流失量和pH值均能满足DL/T 5117-2000的技术要求（样品B3）。而当PAM的掺量增加至1.0%时，其增稠作用已十分明显，以至于净浆失去了流动能力（样品B6）。

本次试验致力于得到流动性和水下抗分散性均较好的水下修补材料，因此，取B4组净浆配合比为下一步试验的初始净浆配合比，其水泥流失量为1.0%，在水中自由落下后pH值为7.5，水下抗分散性满足DL/T 5117-2000的相关技术要求，其流动度为175 mm，具有较好的流动性以充分填充裂缝空隙。

2.2 凝结性能

为满足不同工程的施工要求，需制备出凝结时间可调的水下裂缝修补材料。因此，在修补材料体系中加入速凝剂，以缩短水泥的凝结时间，加速水泥的凝结硬化过程。本次试验共使用了2种速凝剂分别为东营市宏福建筑外加剂厂生产的混凝土粉状速凝剂和江苏博特生产的SBT -N（I）液体速凝剂。

表4及图4～5为不同掺量粉状速凝剂、SBT -N（I）液体速凝剂对不同水下修补材料体系凝结时间的影响。由试验结果可知：两种速凝剂都能明显缩短净浆体系的凝结时间，并且掺量越大效果越明显。通过调整粉状速凝剂的掺量，使其掺量在0～8%的范围内变动时，修补材料的水上初凝时间可控制在18～48 min范围内，水上终凝时间可控制在34～86 min范围内;通过调整SBT -N（I）液体速凝剂的掺量，使其掺量在0～8%的范围内变动时，修补材料的水上初凝时间可控制在20～48 min范围内，水上终凝时间可控制在33～86 min范围内，水上与水下的凝结时间差异均较小。通过观察，掺速凝剂后修补材料的水下抗分散性均较好，流动度均有所下降，且随着速凝剂掺量的增加而逐渐减小，掺SBT -N（I）液体速凝剂的修补材料的流动性优于掺粉状速凝剂。

2.3 力学性能

2.3.1 抗压强度

不同粉状速凝剂、SBT -N（I）液体速凝剂掺量下修补材料的抗压强度见图6～7。由试验结果可知：修补材料具有早强的特性，20 ℃水养条件下，1 d抗压强度可达11.0～18.7 MPa。随着粉状速凝剂掺量增加，水下修补材料的抗压强度整体呈现逐渐

增大的趋势，20 ℃水养条件下，掺8%粉状速凝剂的修补材料的28 d抗压强度相对于未掺速凝剂的修补材料来说，从22.4 MPa增加到25.8 MPa。随着SBT -N（I）液体速凝剂掺量增加，水下修补材料的抗压强度逐渐减小，20 ℃水养条件下，掺8%液体速凝剂的修补材料的28 d抗压强度相对于未掺速凝剂的修补材料来说，从22.4 MPa减小到16.9 MPa。标准养护与20 ℃水养的抗压强度差异均较小。

2.3.2 黏结强度

由表5中的试验结果可见，不同配比的水下修补材料均具有一定的黏结抗拉强度。掺入粉状速凝剂可提高修补材料的黏结抗拉强度，掺入8%的粉状速凝剂后，其3 d黏结抗拉强度从0.86 MPa升高至1.01 MPa;掺入SBT -N（I）液体速凝剂可降低修补材料的黏结抗拉强度，掺入8%的SBT -N（I）液体速凝剂使其3 d黏结抗拉强度从0.86 MPa降低至0.47 MPa。

2.4 混凝土水下裂缝修补室内试验

采用钢板插拔法模拟不同宽度（2，10 mm）的裂缝，缝深均为10 mm，选用B4组配比的修补材料进行混凝土水下裂缝修补试验。由试验结果可知：没有使用水下修补材料的空白试件，其7 d和28 d的抗压强度均相对较低，其中2 mm裂缝和10 mm裂缝的空白混凝土试件其28 d水下抗压强度分别为28.1 MPa 和27.5 MPa，低于完整混凝土试件（32.0 MPa）。而采用B4配比的修补材料进行水下修补后，其28 d水下抗压强度分别为31.5 MPa 和31.2 MPa，均只略低于完整混凝土试件（32.0 MPa），说明所配制的修补材料对两种宽度的裂缝均具有良好的裂缝修补能力，且水上和水下的抗压强度差距较小。此外，在混凝土水下修补试验中发现，修补材料的注入效果较好，在水下不易分散，同时也证明了修补材料具有较好的水下抗分散性。

2.5 快凝早强机理分析

采用X射线衍射技术（XRD）分析B4、C3组配比水泥浆体在不同水化龄期（1，3 d和28 d）的水化產物，XRD图谱见图8。从图中可以看出：主要水化产物为钙钒石（AFt），此外，能检测到的物质还包括硫铝酸钙和C2S，XRD图谱底部的弥散峰表明水化产物中C-S-H凝胶、铝胶等存在的可能性[21]。水泥样品中没有发现Ca（OH）2的衍射峰，有可能是水化过程中生成的氢氧化钙相参与水化反应又被消耗掉。水泥净浆的水化较快，在初期即水化生成较多钙矾石，这是水下修补材料具有快凝早强性能的主要原因。此外，随着龄期的增长，形成的钙矾石的衍射峰依次增强，生成的钙矾石逐渐增多，其水化进程大体如下式所示：

C4A3S +2CS H2+34H→C3A·3CS ·H32+2AH3（gel）  （2）

C3A·3CS ·H32→C3A·CS ·H12+2CS H2+16H （3）

C2S+2H→C-S-H（gel）+CH （4）

XRD图谱中，掺粉状速凝剂的PAM水泥净浆（C3）相比较未掺粉状速凝剂的PAM水泥净浆（B4）来说，衍射峰的强度明显增强，这是因为粉状速凝剂的加入使水泥的水化速度加快，从而提高了钙矾石的生成速度。

3 结 论

（1） 以流动度和水下抗分散性为首要设计指标，确定水下修补材料的初始净浆配合比（B4组）如下：水灰比0.45，减水剂掺量0.7%，PAM掺量0.3%。此时修补材料具有良好的水下抗分散性，且流动性较好。

（2） 在B4组配比的基础上掺入粉状速凝剂或SBT -N（I）液体速凝剂，均能明显缩短净浆体系的凝结时间;掺入粉状速凝剂可提高水下修补材料的抗压强度，而SBT -N（I）液体速凝剂则使水下修补材料的抗压强度有所降低。

（3） 混凝土水下裂缝修补室内试验证明，所配制的水下修补材料对2，10 mm宽的混凝土裂缝均具有良好的裂缝修补能力，修补后的混凝土抗压强度均只略低于完整混凝土试件。

（4） 研制的新型环保修补材料流动性较好、水下抗分散性优异、凝结时间可调、强度适中、黏结性能良好，有望用于混凝土水下裂缝的快速修补。

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（编辑：胡旭东）

引用本文：

彭子凌，李响，陈霞，等.混凝土水下裂缝快速修补环保材料试验研究

[J].人民长江，2021，52（8）：208-213.

Experimental study on environment-friendly rapid repair materials

for underwater concrete cracks

PENG Ziling，LI Xiang，CHEN Xia，LI Yang，ZHOU Xian

（ Research Center of Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Underwater concrete cracks are difficult to repair as they are in a saturated environment constantly.Therefore，it is of great significance to develop a repair material suitable for underwater construction.To this end，a new type of environment-friendly cement-based underwater rapid repair material was developed by using rapidly solidification sulphoaluminate cement as the main cementing material and PAM as the flocculating agent.The core components and proportion of the repair material were initially determined taking underwater anti-dispersibility and fluidity as the primary design indicators，and the setting time，mechanical properties and bonding properties of the repair material were studied.In addition，the steel plate insertion method was used to imitate the concrete cracks，and the mechanical properties of the repaired concrete were studied.Meanwhile，the fast setting mechanism was analyzed by means of X-ray diffraction （XRD）.The results show that the new type of environment-friendly repair materials has good fluidity，excellent underwater anti-dispersibility，adjustable setting time，moderate strength and good bonding behavior，which is expected to applied in the rapid repairing for underwater concrete cracks.

Key words：

underwater repair material;concrete crack;rapidly solidification sulphoaluminate cement;underwater anti-dispersibility