司金艷 王光明 王灝

北京市市政工程研究院 100037

引言

在城市排水設施中，沿排水管道一般每隔30m ～50m就會設置一口檢查井，以便工作人員通過檢查井對排水管道進行檢查和維護，因此檢查井在城市排水系統(tǒng)中占據(jù)重要位置。但是由于汽蝕、車輛荷載、土體破壞等原因，檢查井不可避免地出現(xiàn)滲漏、腐蝕、砂漿面層脫落、破裂、井周沉降、結構破壞等現(xiàn)象，使得檢查井的破壞極為普遍。也正因此，檢查井的修復工作十分的必要且艱巨［1］。

目前國內(nèi)檢查井修復主要有四類，原位澆筑內(nèi)襯法、原位固化法、注漿法和噴涂修復法。原位澆筑內(nèi)襯一般采用混凝土或無機砂漿類，修復后的內(nèi)襯層與原井壁粘結性能好，但是強度較低，很難實現(xiàn)結構補強作用；原位固化法，類似于管道的紫外固化，但是由于檢查井內(nèi)有踏步，原位固化很難形成一個整體，從而影響修復后檢查井的抗?jié)B性能；注漿法是在井周澆筑混凝土或砂漿類，但是由于土體復雜性，很難保證將檢查井全部包裹，修復效果大打折扣［2］。這三類修復方法只能對檢查井起到防腐、防滲等功能性修復，無法達到結構補強的作用。

要達到對檢查井的結構補強和功能修復，需要一種改性砂漿，具備良好的力學性能和抗?jié)B、抗腐蝕的良好耐久性，同時具備易于施工和操作的特性。粘結強度、回彈量、流變參數(shù)都是配制噴涂砂漿的重要參數(shù)指標。本文以這三項指標為控制因素，通過分析不同組分對三項指標的影響，調整配合比，確定噴涂砂漿的最優(yōu)化配合比，并介紹了噴涂修復的相關工藝。

1 噴涂砂漿配合比試驗設計思路

噴涂砂漿的配合比以超高性能混凝土材料體系為基礎，通過調整集料摻量和減水劑摻量，以粘結強度、回彈量、流變參數(shù)為控制指標，復配而成。

回彈量是噴涂砂漿施工中要考慮的因素。影響回彈的主要因素有三個，砂率、硅灰摻量和速凝劑摻量。若要有效減少噴涂砂漿回彈量，需要提高砂率，適當加入硅灰和速凝劑。在超高性能混凝土材料體系中，加入硅灰取代部分水泥，同時采用石英砂或細砂，沒有石子，集料比表面積很大，材料均勻連續(xù)，可以有效減少回彈，因此可以采用UHPC材料體系中，水泥、級配石英砂和硅灰的摻量比例；另外為了有效控制回彈，需要在材料中加入適當摻量的速凝劑，使噴涂砂漿可以具備良好的保水性，同時可以快速凝結，附著于井壁，有效減少回彈量。

粘結強度決定了噴涂砂漿與原有井壁的貼合度，也是噴涂砂漿的一項重要控制因素。粘結強度與基材表面粗糙度、砂漿本身粘結性能、砂漿與基材相容性有關。超高性能混凝土材料與基材都屬于無機材料，相容性很好，且其正拉粘結強度值遠遠大于基材的粘結抗拉強度，所以超高性能混凝土材料體系的粘結強度符合設計要求。

流變參數(shù)是水泥漿體材料流動性能、工作性能的重要指標。水灰比、硅灰摻量、減水劑摻量都會影響水泥漿體的屈服應力和塑性黏度的變化，通過試驗可以確定水泥砂漿的最佳配合比及摻合料、外加劑的使用量，從而可以指導水泥砂漿的配合比設計或化學外加劑性能的改進。

綜上所述，試驗中水泥、硅灰、石英砂含量通過回彈量控制因素，確定其質量比遵循UHPC材料體系比例，為水泥∶硅灰∶石英砂＝29∶5∶39，

速凝劑摻量通過試驗確定，此外硅灰摻量還需通過流變參數(shù)進一步復核。水灰比、減水劑摻量通過流變參數(shù)控制，并由力學性能指標和黏結強度進行復核。通過上述試驗可以確定噴涂砂漿的最終配合比。

2 噴涂砂漿配合比各組分的確定

2.1 速凝劑摻量確定

水泥采用混凝土外加劑檢測專用P.I 42.5 基準水泥，砂采用標準砂，膠砂比為1∶3，水灰比為0.4，速凝劑為無堿速凝劑，摻量從0 到5%，分別測定砂漿的初凝和終凝時間，以及砂漿的3d和28d 的抗折、抗壓強度。其試驗結果如圖1所示。

圖1 速凝劑摻量對砂漿性能的影響Fig.1 Influence of accelerating agent content on material property of mortar

通過圖1 可以看出，速凝劑的的摻入可以有效減少水泥砂漿的初凝和終凝時間，當速凝劑摻量在1% ～3%時，降低幅度很大，當速凝劑摻量大于3%時，降低效果不太明顯了，這是因為，加入速凝劑后，加速了鈣礬石和硫鋁酸鹽的反應，而隨著速凝劑摻量的增多，一方面，有效水化成份逐漸減少，另一方面，水化產(chǎn)物加速凝結，使得一部分水泥未發(fā)生水化反應就被水化產(chǎn)生的絮狀物包裹，水化反應終止，因此，隨著速凝劑摻量的增加，水泥砂漿早期強度逐漸增加，而后期強度先增加后降低，如圖2、圖3 所示。確定噴射砂漿中速凝劑的摻量為3%。

2.2 流變試驗

1.試驗方法

試驗采用MCMR 可移動式混凝土砂漿流變儀測試機噴水泥砂漿的流變性，將要測試的水泥砂漿按照比例在攪拌機中攪拌均勻，倒入多功能測試釜，水泥砂漿達到測試釜的刻線位置，然后安裝精密夾具，并與測試支架系統(tǒng)和流變儀主機相連，控制測試速度和攪拌力度；流變儀主機通過數(shù)據(jù)線與控制主機相連，利用主機的操作系統(tǒng)可以設置夾具參數(shù)，控制試驗狀態(tài)并記錄數(shù)據(jù)。

2.水灰比對水泥砂漿流變性的影響

水泥采用混凝土外加劑檢測專用P.I 42.5 基準水泥，砂采用標準砂，膠砂比為1∶3，水灰比分別為0.3、0.35、0.4、0.45、0.5，然后分別測試不同水灰比下，機噴水泥砂漿的流變參數(shù)。

表1 不同水灰比下砂漿流變參數(shù)Tab.1 Rheological parameters of mortar with different water-cement ratio

通過表2 可以看出，隨著水灰比的增大，屈服應力和塑性黏度反而減小，這是因為隨著水灰比的變化，漿體中自由水和漿體分散程度不同造成的。水灰比較低時，漿體中自由水較少，絮狀結構物沒有完全分散開，水泥漿體流動阻力較大，因此屈服應力和塑性黏度都較大，隨著水灰比的增加，自由水變多，絮狀結構物單元也更加分散，漿體之間的內(nèi)摩擦力變小，流動阻力變小，所以屈服應力和塑性黏度都隨之降低。

砂漿的流變性隨著水灰比的增加而增加，良好的流變性是保證水泥砂漿良好施工性的基礎，但是水灰比過大，水泥砂漿的力學性能降低，抗?jié)B和耐腐蝕性都降低，而且流動度過大，噴涂砂漿回彈量會增大，會出現(xiàn)表面流漿等現(xiàn)象。

試噴試驗中分別選取水灰比為0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 的水泥砂漿進行試噴試驗，噴涂面如圖2 所示，其回彈量及漿體掛壁情況匯總如表2 所示，水灰比在0.3 ～0.35 左右，噴涂回彈量小，噴涂表面光滑均勻，但是當水灰比為0.3時，塑性黏度過大，砂漿流動性較差，不利于噴漿送漿的連續(xù)性，所以確定最終的水灰比為0.35。

表2 不同水灰比試噴試驗結果匯總Tab.2 Summary of test spray test results with different water-cement ratio

圖2 噴涂面Fig.2 Spraying surface

3.硅灰含量對水泥砂漿流變性的影響

試驗時水泥采用混凝土外加劑檢測專用P.I 42.5基準水泥，砂采用標準砂，膠砂比為1∶3，固定水膠比0.35，硅灰摻量使用內(nèi)摻法分別為2%、4%、6%、8%、10%，測試水泥漿體的流變參數(shù)。

表3 不同硅灰摻量下砂漿流變參數(shù)Tab.3 Rheological parameters of mortar with different silica fume content

由表3 可知，在保證水膠比不變的前提下，隨著硅灰摻量的增加，屈服應力呈下降趨勢，而塑性黏度反而增長。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，硅灰顆粒形狀大多為圓球形，表面光滑，在集料中起到滾珠作用，可以使集料表面潤滑，所以屈服應力減小。而硅灰的密度比水泥小，當?shù)攘看嫠嗪螅瑫黾幽z體體積，黏度就會增大［3］。

硅灰增加，水泥砂漿流動性增加，黏度增大。水泥漿體黏度過大，噴涂面層容易產(chǎn)生顆粒狀鼓包現(xiàn)象，這是因為砂漿黏性過大，分子顆粒間連接性更好，噴涂時顆粒之間的黏聚力對噴涂出漿產(chǎn)生一定的影響，出漿速度不連貫，漿體也不是均勻噴出，另外漿體黏性過大，由于重力因素漿體在井壁未完全粘結時會產(chǎn)生流掛現(xiàn)象。因此硅灰在保證材料性能的前提下，應適當減少比例。當硅灰摻量為水泥摻量的6%時，其塑性黏度和屈服應力與水灰比為0.35 時的指標接近，符合施工需求，所以確定了硅灰的最佳摻量為6%。

4.減水劑摻量對水泥砂漿流變性的影響

聚羧酸減水劑是工程中較常用的外加劑之一，尤其對于流動性較差的水泥混凝土來說，高性能減水劑更是不可或缺的組分之一。本節(jié)從流變學角度分析高性能減水劑對水泥砂漿流變性能的影響。選用水灰比為0.5 的水泥砂漿，減水劑摻量分別為水泥質量的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

由圖3 可以看出，隨著減水劑摻量的增加，水泥砂漿的屈服應力和塑性黏度均呈現(xiàn)下降趨勢。其中，砂漿塑性黏度的變化較??；砂漿屈服應力的變化幅度隨減水劑摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，減水劑摻量為0.2%時，砂漿的屈服應力降低幅度很大，但減水劑摻量達到0.3%后，砂漿屈服應力降低幅度明顯減小。

圖3 減水劑摻量對砂漿流變性的影響Fig.3 Influence of water reducing agent content on Rheology of mortar

加入減水劑后，砂漿的屈服應力和塑性黏度之所以會降低，一方面是由于減水劑的分散作用；另一方面，水泥顆粒表面吸附減水劑后，會形成具有一定強度的溶劑化水膜，破壞水泥的絮凝結構，釋放出包裹在其中的拌合水。這些水釋放出來后成為自由水，可以有效增加拌合物的流動性能，增大水泥凈漿的流動度［4］。

另外，試驗結果也說明了減水劑的摻量對水泥漿體的流動影響有一個臨界點，超過臨界點后，減水劑對水泥的流變性影響降低，這是因為減水劑在水泥水化過程中，會形成高分子鏈結構，互相穿插纏繞在水泥水化的絮狀結構中，對流變的影響降低。由圖3 可以看出，減水劑摻加量超過0.2%后砂漿塑性黏度和屈服應力降低趨勢明顯減緩。

通過對不同減水劑摻量的水泥砂漿力學性能指標試驗，表明減水劑可以有效提高水泥砂漿的強度，但是超過一定范圍后，提高效果降低，通過這些試驗確定減水劑的摻量為0.2%。

2.3 檢查井噴涂砂漿最終配合比

上述試驗均為單一變量試配試驗，考慮外加劑的協(xié)同效應，在上述試驗基礎上，試配5 組不同配比試驗（表4），通過抗折、抗壓、正拉粘結強度、凝結時間、塑性粘度等指標綜合對比，確定檢查井噴涂砂漿的最終配合比。

通過表5 數(shù)據(jù)顯示，隨著石英砂的增加，砂漿力學性能指標增加，塑性黏度也會增大；而減水劑得增加，使得砂漿強度增加，但是減水劑有緩凝和增加流動性的作用，塑性黏度過小會出現(xiàn)流漿和掛壁現(xiàn)象；速凝劑的加入會改變砂漿的凝結時間，在考慮盡量提高砂漿強度的前提下，需要保證施工時間和一定塑性黏度指標，綜合權衡，確定檢查井噴涂砂漿的最優(yōu)配合比為序號2所列，具體各組分含量如表6 所示。

表4 檢查井噴涂砂漿配合比Tab.4 Spray mortar mix ratio of inspection well

表5 不同配合比性能對比Tab.5 Performance comparison of different mix ratios

表6 檢查井噴涂砂漿的最佳配合比Tab.6 The best mix ratio of spray mortar for inspection well

3 檢查井噴涂砂漿與普通砂漿性能對比

普通砂漿和本文配制的檢查井噴涂砂漿做對比，其中普通砂漿水泥采用混凝土外加劑檢測專用P.I 42.5 基準水泥，砂采用標準砂，膠砂比為1∶3，水灰比為0.35。

3.1 粘結抗拉強度對比

檢查井修復中，砂漿要與原井壁緊密結合，所以粘結抗拉強度是一個重要的力學性能指標。試驗選取了普通砂漿和檢查井噴涂砂漿作為對比，試驗結果見表7。從表7 可以看出，配制的檢查井噴涂砂漿比普通砂漿的粘結抗拉強度有顯著提升，隨著養(yǎng)護齡期的增加，粘結抗拉強度逐漸增大。其原因是由于硅灰與水泥和石英砂形成了級配連續(xù)和最優(yōu)化的結構，有效成為了一個整體，高效減水劑的加入又使得結構更為緊密，很大程度上提高了噴涂砂漿的粘結抗拉強度。

表7 砂漿粘結抗拉強度結果（單位：MPa）Tab.7 Mortar bond tensile strength results（unit：MPa）

3.2 耐腐蝕性能對比

通過檢查井的破壞形式可以看出，檢查井井壁的汽蝕現(xiàn)象十分嚴重，這需要噴涂砂漿具備良好的耐腐蝕性能，本試驗分別采用PH ＝2、7、13 的強酸、中性和強堿溶液，將制作的70mm ×70mm×70mm的普通砂漿試塊和噴涂砂漿試塊放到溶液中浸泡，2 個月后觀測表面情況有無松散剝落坑槽等現(xiàn)象，觀測其耐腐蝕性，并測試抗壓強度有無損失，測試結果如表8 所示。從表8 可以看出，養(yǎng)護完后的噴涂砂漿試塊抗壓強度平均值為72.5MPa，普通砂漿試塊抗壓強度為42.5MPa，檢查井噴涂砂漿的耐腐蝕性優(yōu)于普通砂漿。這是因為噴涂砂漿致密的內(nèi)部結構，阻止了水分的浸入，提升了材料的耐腐蝕性。

表8 砂漿防腐性能試驗Tab.8 Mortar corrosion resistance test

4 檢查井噴涂修復工藝及應用

4.1 檢查井噴涂修復工藝

檢查井噴涂修復中，通過控制提升下放速度可以控制每回次噴涂厚度為2mm ～3mm，采用多回次往復噴涂可以達到所需的內(nèi)襯厚度。

在檢查井噴涂修復之前要對檢查井壁進行預處理，提高噴涂砂漿與原檢查井壁的粘結性能。預處理包括：（1）井底鋪設網(wǎng)袋，防止高壓沖刷清洗產(chǎn)生的雜物掉入排水管道中，造成淤堵；（2）高壓水沖刷掉檢查井壁的雜物、灰塵等；（3）檢查井壁應保證無油漬、污泥等，且檢查井壁的松散脫落結構都應清除干凈；（4）如果有局部滲漏、裂縫等，應先對局部結構進行修復后再進行噴涂修復；（5）如果檢查井有大部分凹陷或結構脫落的話，應先用砂漿抹平，再進行噴涂修復。

預處理合格后，可以對檢查井進行噴涂修復，其步驟包括：（1）打開檢查井蓋，通風；（2）配制修復材料；（3）通過旋噴機將配制好的修復材料多回次噴涂在檢查井內(nèi)壁；（4）24 小時后，用檢測設備進行探傷檢查，并復查修復后檢查井內(nèi)壁的噴涂層厚度、表面粗糙度、表面平整度和裂縫情況，并進行評估分析；（5）若修復后檢查井內(nèi)壁未達標，重復第三步。

4.2 檢查井噴涂修復應用

經(jīng)有關部門協(xié)調，選取北京市5 處檢查井進行了噴涂修復試噴試驗，經(jīng)驗證噴涂表面光滑平整，厚度均勻，無裂縫產(chǎn)生，28d 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示噴涂層無脫落、開裂情況，噴涂修復工藝適用于實際工程應用。噴涂修復過程如圖4所示。

圖4 檢查井噴涂修復Fig.4 Spray of inspection well

5 結語

本文以超高性能混凝土材料體系為基礎，通過粘結強度、回彈量、流變參數(shù)等確定檢查井噴涂砂漿的優(yōu)化配合比，優(yōu)化后的檢查井噴涂砂漿其粘結強度和耐腐蝕性等指標遠遠高于普通砂漿，并經(jīng)實際噴涂驗證，噴涂材料與檢查井壁結合緊密，井壁表面光滑，噴涂修復工藝適用于實際工程應用，操作簡便，易于施工。