水泥基渗透结晶(CCCW)...西部严寒地区水电工程的应用_李杨.pdf

四 川 水 利水泥基渗透结晶（）材料在西部严寒地区水电工程的应用李 杨，陈 亮，李家正，林育强，石 妍（长江水利委员会长江科学院材料与结构研究所，武汉，；华电西藏能源有限公司大古水电分公司，成都，）【摘 要】西部地区水电工程建设普遍面临混凝土开裂和耐久性损伤问题，而水泥基渗透结晶（）材料能够提高混凝土的表面密实程度及损伤自愈合能力。文章结合目前世界上海拔最高的碾压混凝土（）重力坝工程，在西藏地区开展了 材料的应用与防护效果研究，并通过特征环境下的现场工艺试验，掌握严寒低气压环境下 材料的施工特性，从而保障了 材料的施工质量，蓄水验收后的实际防渗效果满足技术要求。总结这些资料有利于促进 材料的应用。【关键词】西部地区 严寒环境 渗透结晶材料 混凝土 耐久性 中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）水电在我国能源结构中占有较大的比重，而随着川滇水电工程建设的相继完成，西部地区水电开发日益受到重视，但该区域水电工程建设普遍面临“高海拔、低气压、严寒多风、大昼夜温差和强日照辐射”等问题，混凝土出现裂缝、渗漏、溶蚀和冻融破坏的风险较高。因此，严酷环境下服役混凝土的耐久性问题成为工程界普遍关注的重点。涂层防护技术是提升混凝土结构耐久性的有效手段。根据作用机理的不同，涂层材料可分为浸渍类、涂覆类和渗透结晶类；而根据性能的差异，涂层材料可分为有机材料和无机材料。有机涂层材料多为浸渍类和涂覆类材料，包括聚脲、环氧树脂、氟碳、聚氨酯等；无机涂层材料多为渗透结晶类材料，包括水泥基渗透结晶（）材料、水溶性渗透结晶（）材料等。大量的工程应用表明，有机涂层材料在西部地区存在服役寿命有限、耐候性不足、表面颜色易变化、长期变硬变脆等缺陷。渗透结晶材料克服了有机防护材料的不足，通过渗透结晶、络合沉淀的方式修复混凝土微细裂纹，并填塞小尺寸毛细孔，从而提高基体的自愈合能力与抗渗性能，实现混凝土损伤的多次修复以及与结构同寿命服役的目标。本文结合西部严寒地区某水电工程，采用 材料对厂房坝段下游面进行防渗处理，介绍了 材料的作用机理和现场施工情况，总结了安全管理和质量控制的要点，从而为其他同类工程的推广应用提供参考。工程概况西藏地区某水电站工程位于雅鲁藏布江中游，为目前西藏装机容量最大、技术最先进的水电项目，也是当前世界上海拔最高的碾压混凝土（）重力坝工程。电站采用坝后式厂房设计，基金项目：国家自然科学基金：长江中上游大坝混凝土耐久性提升理论与方法研究（）；中央级公益性科研院所基本科研业务费：基于均匀化理论的水工混凝土弹性模量多尺度计算研究（）；水利部示范项目：基于渗透结晶原理的输水建筑物裂缝修复与防护技术集成示范（）。通讯作者李 杨，陈 亮，李家正，等：水泥基渗透结晶（）材料在西部严寒地区水电工程的应用 混凝土浇筑总量为 万，坝址处控制流域面积为 万，多年平均流量为 ，大坝坝顶长，最大坝高为，总装机容量为。电站位于高海拔严寒地区，坝址区气候呈明显的“日温差大、气压低、长日照、强辐射”等高原特征，其中昼夜温差最高可达，每年发生冻融循环天数多达一百余天。混凝土性能要求较高，服役环境比较严酷。传统的有机防护材料难以胜任环境气候要求，并且结合面问题、低温脆化问题突出。因此，工程采用 材料进行表面防护的技术方案。考虑混凝土结构设计和抗渗性能要求，现场针对厂房坝段下游面胸墙、尾水隧洞顶板进行处理。施工海拔高程为，最大施工高度近，累计刷涂面积约，材料用量为。由于工程蓄水的进度要求，施工时间为冬季的 月底至次年的 月初。原材料和技术原理 原原材材料料性性能能使用长江科学院生产的 型 材料进行施工，材料性能检测结果如表 所示。型 材料呈粉状，由精细石英砂、硅酸盐水泥和活性物质组成，可采用刮涂、刷涂或喷涂的方法进行施工。考虑 的技术特点与层间结合面性能，本次采用手工刷涂的工艺。表 型 材料性能含水率（）氯离子含量（）抗折强度（）（）抗压强度（）（）湿基面粘接强度（）细度（筛）（）技技术术原原理理 材料的技术原理如图 所示，圆球代表活性物质。渗透和结晶是 材料作用发挥的关键环节，其中渗透是指 材料活性物质跟随外界水分在混凝土内部发生迁移和扩散；结晶是指活性物质自身反应、水泥水化反应，以及活性物质与水泥水化产物之间发生反应，这些反应可生成大量的产物，从而填塞小尺寸毛细孔、修复微细裂纹和提高密实程度。整体上，渗透深度决定了 材料作用的区域范围，结晶过程决定了 材料的修复能力。（）渗透作用（）结晶作用图 材料的技术原理活性物质是 材料的关键组分，不同厂家对活性物质的种类、配比都严格保密，而各产品之间性能的差异也主要与活性物质有关。常见的活性物质包括、和甘氨酸等，它们不仅能够与水泥水化产物发生反应，生成、（）、等物质，也可激活并催化未水化的水泥颗粒，促进水泥水化产物的进一步生成，从而实现混凝土的自愈合与损伤修复。环境温度和湿度是 材料反应得以进行的前提条件，而活性物质吸收量和浓度是影响 材料修复能力的关键因素。材料对宽度小于 裂缝有较好的修复效果，但随着修复过程中裂缝宽度的不断减小和渗漏水量的不断减少，材料反应速率持续降低并最终停止，而在混凝土再次出现裂缝和外部水分侵入后，材料的反应又重新启动，从而实现对混凝土损伤的多次修复。施工方法 现现场场工工艺艺性性试试验验 材料含有硅酸盐水泥，其凝结硬化需要在适宜的温度和湿度下进行。现场工艺性试验 四 川 水 利主要是结合环境温度、湿度、风速、水分蒸发情况和混凝土吸水特性等信息，明确 材料适宜的施工时间段、每次拌合量、涂刷间隔、养护方式和时长等参数范围，为后续的涂刷施工做好准备。施工期日温度的变化情况如图 所示，现场昼夜温度变化明显，最大昼夜温差近。夜晚 点后温度降至 以下，并在次日上午 点后回升至 以上，最高温度出现在下午 点左右。材料需在温度高于 时施工，并在温度低于 时停止养护。因此，材料较为合适的施工时间范围是上午 点至下午 点。图 施工期日温度变化情况 材料采用机械搅拌、手工刷涂的方式施工。涂刷分两次进行，两次的刷涂方向垂直交叉，并防止漏涂。第一次涂刷完毕后，或表面达到手触面干状态时才可进行第二次涂刷。按照 材料体积（松散体积）与水体积之比为 制浆（相应的质量比近似为 ），同时为防止 材料在涂刷过程中出现凝结成块的现象，现场控制每次的拌合量为，搅拌时间为，拌和后 内使用完毕。实测 材料涂刷遍数与用量的结果如表 所示，第一遍刷涂用量为 ，第二遍的刷涂用量为 ，总的刷涂用量为 左右。实际涂刷过程中，混凝土表面常存在孔洞、麻面、错台、蜂窝、裂缝等问题，需要使用 材料进行填塞和找平，这部分材料用量约占总工程用量的 左右。因此，考虑施工各环节后的 材料总用量约为 。表 实测 材料涂刷遍数与用量的结果试验次数刷涂遍数材料用量（）材料水总质量（）搅拌时长（）材料用量（）材料总用量（）（）（）（）（）（）（）施施工工方方法法和和控控制制要要点点 材料的施工程序与环氧树脂、聚脲等有机防护材料的施工程序相似，但 材料无需对混凝土基体进行干燥，仅要求涂刷过程中混凝土应处于饱和面干的状态，防止混凝土吸水而影响 材料的凝结。同时，材料可直接涂刷，无需对混凝土基面进行找平、粘接强化等处理。图 材料施工程序现场 材料施工中遵循的程序如图 所示，主要包括混凝土基面打磨与清洗、表面缺陷修补与处理、基面润湿和饱水、材料制浆和涂刷、表面养护与保湿，以及完工后的验收和质量评定等阶段。各阶段的质量控制要点如下：（）基面打磨与清洗。主要是对混凝土表面的浮浆、泥皮、碳化层、附着物及其他污染物进行打磨清理，并将混凝土错台应打磨平整，同时对钢筋头、管件等用角磨机割除并磨平，结束后用水冲洗干净。（）缺陷修补与处理。主要是针对混凝土表面蜂窝、麻面、孔洞、细微裂缝等缺陷，先将混凝土表面的蜂窝、麻面、孔洞、细微裂缝等缺陷进行修凿，其中细微裂缝沿缝修凿成燕尾槽，然后对修凿后的基面充分湿润后，用水泥基渗透结晶型防水材料按材料 水 比例拌和半干料填补齐平面板表面，待初凝后，表面及周围 范围涂刷水泥基渗透结晶型防水材料灰浆。李 杨，陈 亮，李家正，等：水泥基渗透结晶（）材料在西部严寒地区水电工程的应用 针对影响程度较大的局部骨料架空、空洞、局部破损等施工缺陷，先采用电钻等凿除松动骨料和砂浆，露出新鲜、坚硬基面，用水泥基渗透结晶型防水材料按材料 水 比例拌和半干料填补齐平面板表面，待初凝后，表面及周围 范围涂刷水泥基渗透结晶型防水材料灰浆。（）基面湿润和饱水。材料施工前应保持混凝土基面处于饱水湿润状态。接水管直接冲洗基面或采用洒水箱喷淋基面至其充分湿润、润透后将基面明水用抹布擦拭洁净。如施工过程中发现局部基面过于干燥，必须重新湿润。（）材料制浆。采用机械搅拌的方法进行制浆，制浆过程如图 所示。现场就近安排专人称量材料及调和浆液，控制 材料与拌合水的体积比为 。搅拌后戴胶皮手套检查浆料，浆料中不能有没拌开的干料球。同时，一次拌料不宜过多，要求每次浆料调和搅拌均匀后在 内务必用完。图 材料搅拌和制浆（）材料涂刷。现场 材料涂刷施工如图 所示，控制 材料的综合用量不低于 。浆料拌和完成后，人工用硬毛刷均匀地涂刷至混凝土表面。涂刷分两遍进行，横竖各一遍，两遍涂刷相互重叠，确保基面无漏刷。涂刷过程中对暴皮、剥落部位应及时进行补刷。图 材料涂刷施工 养养护护和和保保温温养护和饱水是 材料施工的重要环节。材料中硅酸盐水泥的凝结和硬化需要水，活性物质的渗透与结晶也需要水。因此，材料涂刷后需及时进行养护，现场采取的养护方式如图 所示。浆料终凝后，或根据湿度达到足够硬后，采用喷雾式洒水养护，保证涂层处于湿润状态，但为了防止活性物质流失，不得用水浸泡养护。养护时应每天喷水养护 次 次，连续。图 材料涂刷后的保湿养护水泥基材料的凝结和硬化需要在适宜的温度下进行。冬季施工时，养护宜在温度较高的时段进行，并防范养护结束后涂层材料的结冰风险。实际施工时，当养护结束 后环境温度降至以下或温度超过 持续为负温时，应采取表面保温措施。结论 材料在隧洞、地下室、港航、污水净化等领域已有较多的应用，但在西藏高海拔严寒地区实施较少，特别是干燥低湿、昼夜温差大、多风强辐射等不利因素大大增加了 材料的施工难度，也给技术推广和应用造成困难。本文结合特征环境下的现场工艺试验，掌握西藏严寒环境下 材料的施工特性，并通过施工工艺调整与优化，保障了 材料的（下转第 页）四 川 水 利态，库表水温 ，库底水温 ，垂向温差 。丰水年及枯水年库区水温及其演变规律基本相似，月水温分层较强，其余月份垂向趋于同温或弱分层。（）月、月月均低温水幅度最大，丰水年、平水年、枯水年 月月均低温水幅度分别为、，月月均低温水幅度分别为、，其中丰水年由于 月库区蓄水量较大，而 月、月供水量相对稳定，因此导致 月、月低温水相对平水年、枯水年显著。各典型年 月至次年 月则存在不同程度的高温水，丰水年、平水年、枯水年最大月均高温水幅度分别为 、，均出现在 月。（）为了减缓低温水对大石包水库坝下鱼类、农田灌溉的不利影响，拟在 月采用叠梁门取水。相比于底层取水方案，叠梁门方案在 月对低温水的改善效果较明显，下泄水温升幅在 。由此可看出，采取叠梁门分层取水措施能够有效地提高水库下泄水温。参 考 文 献邓 云，李 嘉，罗 麟河道型深水库的温度分层模拟水动力学研究与进展（辑），（）：陆俊卿，张小峰，强继红，等水库水温数学模型及其应用水力发电学报，（）：黄安阳，邓 云，脱友才，等分层型水库水温水质耦合模型研究及其应用人民珠江，（）：陈秀铜，李 璐减少低温下泄水不利影响的水库取水方法研究人民长江，（）：高学平，陈 弘，李 妍，等水电站叠梁门分层取水流动规律及取水效果天津大学学报（自然科学与工程技术版），（）：阮 娅，脱友才，邓 云，等乌东德水库水温预测及低温水减缓措施长江流域资源与环境，（）：作者简介：徐留兴（），男，四川成都人，博士，副教授，主要研究方向为环境保护。（上接第 页）施工质量，经蓄水验收，实际防渗效果满足技术要求。参 考 文 献李 响，李正平，胡 贤，等水泥凝灰岩粉煤灰复合胶凝材料硬化浆体微观结构特征长江科学院院报，（）：周志东，刘春文，王 位西藏高寒地区混凝土的耐久性问题及对策水利水电技术，（）：李广彦水泥基渗透结晶型防水材料制备及其自修复性能广州：华南理工大学，王媛怡，陈 亮，汪在芹水工混凝土大坝表面防护涂层材料研究进展材料导报，（）：蒋正武，黄青云混凝土结构劣化与表面防护新技术地下空间工程防水与渗漏治理技术研讨会，乌鲁木齐，姜 骞，穆 松，刘建忠，等水性渗透结晶材料对混凝土性能提升研究及机理分析新型建筑材料，（）：王 全，唐 明多组分改性水泥基渗透结晶型防水材料的研究混凝土，（）：姚嘉诚基于纳米改性水泥基渗透结晶材料的混凝土自修复性能研究江苏大学，姚嘉诚，延永东，徐鹏飞，等水泥基渗透结晶型防水材料和纳米二氧化硅改性混凝土自修复性能的研究硅酸盐通报，（）：，（）：，（）：作者简介：李 杨（），男，河南驻马店人，工程师，博士，主要从事水泥基材料微观性能研究与调控工作。：