左豐收 趙 龍 吳懷國(guó)

(1.北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101500；2.北京易晟元環(huán)保工程有限公司，北京 101500)

1 概 述

水利水電工程混凝土構(gòu)筑物的病害修復(fù)和耐久性防護(hù)[1]一直是水工混凝土建筑物修補(bǔ)的難題。水工混凝土建筑物因其所處的環(huán)境復(fù)雜，如水工混凝土體積大、裂縫控制難、表面質(zhì)量控制難、混凝土長(zhǎng)期干濕交替和凍融循環(huán)、較高的水壓力滲透溶蝕、容易碳化侵蝕等，致使水工混凝土耐久性修復(fù)和防護(hù)十分必要。多年來(lái)，各種耐久性修復(fù)和防護(hù)材料的技術(shù)研究和應(yīng)用[2]一直在不斷發(fā)展中，如聚合物水泥砂漿薄層修復(fù)技術(shù)、聚合物改性水泥防水涂料技術(shù)、環(huán)氧樹脂砂漿和環(huán)氧樹脂涂料技術(shù)[3]、噴涂聚脲涂層和刮涂聚脲涂層技術(shù)、水泥基滲透結(jié)晶型涂料技術(shù)等，且在水工混凝土建筑物上得到應(yīng)用[4]。這些修復(fù)和防護(hù)技術(shù)暫時(shí)緩解了水工混凝土的病害發(fā)展，但由于材料存在與基面黏結(jié)力快速下降[5]、老化速率快等根本性不足，導(dǎo)致在工程應(yīng)用中難以達(dá)到預(yù)期效果，甚至給工程修復(fù)和防護(hù)帶來(lái)了一定程度上的負(fù)面作用。

筆者根據(jù)多年來(lái)從事水工混凝土修復(fù)和防護(hù)材料的研究經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為這些耐久性防護(hù)和修復(fù)材料的根本性問題在于沒有深入研究與基底混凝土界面的耐久性，如修復(fù)和防護(hù)材料的綜合力學(xué)性能與混凝土的綜合力學(xué)性能不匹配(模量、泊松比、老化性能等)，尤其是界面黏結(jié)性能對(duì)于自然界溫度變化引起的疲勞破壞、老化等作用的耐久性難以實(shí)現(xiàn)，以上“貼皮式”材料存在應(yīng)用的局限性。近幾年緊跟歐美及日本先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，我們研究和開發(fā)出了混凝土表面耐久性修復(fù)和防護(hù)新型技術(shù)——納米無(wú)機(jī)水性滲透結(jié)晶型材料技術(shù)，通過材料的機(jī)理分析研究、大量的應(yīng)用性能研究和實(shí)際工程應(yīng)用，認(rèn)為這種“筋骨式”混凝土修復(fù)和防護(hù)材料，尤其適用于水工混凝土復(fù)雜條件下耐久性修復(fù)和防護(hù)應(yīng)用，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

2 納米無(wú)機(jī)水性滲透結(jié)晶型耐久性防護(hù)材料技術(shù)

“納米膠”是納米無(wú)機(jī)水性滲透結(jié)晶型材料的典型品牌，該材料為無(wú)色、無(wú)味、完全透明、黏度小于15mPa·s的水溶液，溶液中的納米粒徑硅酸鹽膠束粒子分散均勻且穩(wěn)定，粒徑范圍主要分布在3～50nm之間。由于納米粒子的特殊活性，溶液很容易在潮濕的混凝土界面遷移、滲透到混凝土表層內(nèi)部40～70mm深度內(nèi)，與混凝土微細(xì)孔隙、毛細(xì)孔、界面孔隙中的鈣溶液反應(yīng)生成C-S-H凝膠體，進(jìn)而與水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)結(jié)晶體膠結(jié)成整體，有效地充填、固結(jié)和封閉微細(xì)孔隙、毛細(xì)孔隙等，極大地提高了混凝土淺表層密實(shí)度、微觀結(jié)構(gòu)的完整性，在一定程度上較大地降低了新拌混凝土表面由失水導(dǎo)致的收縮開裂、新澆筑混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)過程中的干縮開裂，從而較大地提高了混凝土表層強(qiáng)度、抗?jié)B性能、抗凍融剝蝕能力、抗酸堿腐蝕性能、抗碳化侵蝕性能、抗菌藻生長(zhǎng)能力等混凝土綜合耐久性能。

圖1為應(yīng)用了“納米膠”的混凝土表層40mm處切片微觀電鏡照片，從圖中可以明顯看出，典型片狀氫氧化鈣結(jié)晶體比較少，如藍(lán)色圈區(qū)域。而局部有很多細(xì)針狀結(jié)晶體密集的小區(qū)域并覆蓋在片狀氫氧化鈣結(jié)晶體旁邊，如圖中紅色圈區(qū)域，這些都是納米硅酸鹽滲透進(jìn)來(lái)與氫氧化鈣反應(yīng)生成的C-S-H凝膠結(jié)晶體。

圖1 “納米膠”滲透到混凝土內(nèi)部反應(yīng)結(jié)晶體的掃描電鏡微觀照片

圖2為“納米膠”修復(fù)混凝土淺表層微細(xì)裂隙、毛細(xì)孔隙等缺陷的模擬過程圖。

圖2 “納米膠”修復(fù)混凝土淺表層缺陷的過程示意圖

為了有效考察“納米膠”應(yīng)用于混凝土表面耐久性防護(hù)的實(shí)際效果，分別在中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、國(guó)家道路與橋梁質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、中國(guó)建筑科學(xué)研究院等單位，參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了室內(nèi)條件下混凝土耐久性應(yīng)用試驗(yàn)研究和檢測(cè)，具體結(jié)果見表1。

表1 納米膠應(yīng)用于C40混凝土后耐久性能提高的結(jié)果

3 納米無(wú)機(jī)水性滲透結(jié)晶型耐久性防護(hù)材料應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)

應(yīng)用混凝土表面“貼皮式”耐久性修復(fù)和防護(hù)材料，如環(huán)氧樹脂砂漿和涂料、聚脲涂層等，需要先打磨混凝土基底，露出混凝土內(nèi)部新鮮界面，采取措施確?；炷帘砻姹M量干燥，噴涂或刮涂施工時(shí)，每個(gè)細(xì)節(jié)質(zhì)量都需嚴(yán)格把控，否則整體應(yīng)用效果會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題。納米膠對(duì)基底處理要求不高，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)便和高效，施工細(xì)節(jié)和過程把控相對(duì)容易，整體質(zhì)量可靠性高。具體如下：

a.基底處理要求。無(wú)須對(duì)混凝土表面進(jìn)行打磨見到新渣，只需去除影響滲透的有機(jī)涂層和油漬，一般情況下只需用壓力水(0.3～0.8MPa)對(duì)混凝土表面沖洗即可。

b.基底干燥狀態(tài)要求。對(duì)混凝土基底表面含水率要求不高，在混凝土基底表面無(wú)明水的潮濕狀態(tài)下即可施工。傳統(tǒng)的“貼皮式”修復(fù)和防護(hù)材料要求在盡量干燥狀態(tài)下才可以涂刷界面劑。

c.施工工藝簡(jiǎn)便。基底處理好后，無(wú)須涂刷界面劑等復(fù)雜繁瑣工序，只需噴灑2～3遍，區(qū)域噴灑施工只需1人，多區(qū)域可以安排多人平行噴灑施工，施工效率高，每人每小時(shí)可施工30～100m2。傳統(tǒng)的“貼皮式”修復(fù)和防護(hù)材料需要先涂刷界面劑，等待界面劑表干后才可以正式刮涂或噴涂施工，施工相對(duì)比較緩慢，一般每人每天施工100m2左右，工期較長(zhǎng)。

d.施工后的養(yǎng)護(hù)時(shí)間短且簡(jiǎn)單。納米膠每遍施工間隔一般在30～60min，施工后保持基本環(huán)境要求，只需要關(guān)注24h內(nèi)不受雨水淋刷即可。而傳統(tǒng)的“貼皮式”修復(fù)和防護(hù)材料一般至少需要養(yǎng)護(hù)3天以上，且受天氣和環(huán)境影響較大。

圖3為不同工況下現(xiàn)場(chǎng)噴灑施工情況?？闯鲠槍?duì)不同的工程條件可以選用不同的自動(dòng)化施工設(shè)施。

圖3 不同工況下納米膠噴灑施工

4 在不同工程中的應(yīng)用情況

a.北京市水廠輸水隧洞防滲防護(hù)修復(fù)工程。北京市水廠輸水隧洞，1995年5月建成通水，隧洞為鋼筋混凝土圓形壓力隧洞，直徑為3.5m，洞長(zhǎng)3078m，混凝土襯砌強(qiáng)度等級(jí)為C20，襯砌厚度約400mm。

2020年隧洞維修改造時(shí)，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)混凝土襯砌表面存在較多以環(huán)形或半環(huán)形為主的裂縫，裂縫寬度一般在0.5mm以下，大部分裂縫內(nèi)有白色鈣質(zhì)析出物質(zhì)，局部有鋼筋露頭現(xiàn)象，在外水壓力下隧洞慢滲較為嚴(yán)重，洞口部位碳化現(xiàn)象較嚴(yán)重，表面微細(xì)龜裂較多。

考慮到洞內(nèi)混凝土面潮濕及施工空間限制、修復(fù)和防護(hù)施工工期緊等方面因素，于2020年11月10—19日采用納米膠對(duì)隧洞混凝土襯砌層進(jìn)行防滲防護(hù)處理。施工完14天后進(jìn)行表面回彈強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明使用納米膠后強(qiáng)度增加約8MPa。測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 使用納米膠后表面回彈強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

從表2結(jié)果可以看出，施用了納米膠后混凝土表面回彈強(qiáng)度從21.8MPa變?yōu)?9.9MPa，提高了37%，說明混凝土表面密實(shí)度得到提高，可以有效提高混凝土整體防止外水慢滲能力，并提高混凝土整體抗碳化性能。經(jīng)觀察，施用納米膠后的混凝土表面原有的裂縫已被封堵，微滲水點(diǎn)基本消失，效果十分顯著。

b.廣西水利樞紐工程耐久性防護(hù)修復(fù)工程。廣西水利樞紐工程自2006年竣工投入使用，至今已有14年，在自身時(shí)變因素和服役環(huán)境(交變荷載、溫度循環(huán)、干濕循環(huán)、侵蝕性離子等)的雙重作用下，壩體混凝土的各項(xiàng)物理性能和耐久性能隨著時(shí)間的推移而下降，影響到大壩的安全運(yùn)行。2019年11月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查發(fā)現(xiàn)上游壩面已存在滲漏和碳化問題，下游壩面布滿苔蘚和存在碳化問題。

2020年8月1—15日，先處理混凝土表面較大的裂縫(寬度大于0.2mm以上)、缺損、滲漏等病害，然后在混凝土表面整體噴涂納米膠。施工1個(gè)月后抽取芯樣，由權(quán)威第三方進(jìn)行抗?jié)B等級(jí)測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 廣西水利樞紐工程使用納米膠后抗?jié)B等級(jí)變化情況

5 結(jié) 語(yǔ)

水工結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性是水工建筑安全運(yùn)行的可靠保障因素之一，而耐久性能下降主要是混凝土表面或淺表層在自然界和運(yùn)行環(huán)境條件下逐步劣化導(dǎo)致的，故水工混凝土表面修復(fù)和防護(hù)材料及應(yīng)用技術(shù)尤為重要。納米無(wú)機(jī)水性滲透結(jié)晶型修復(fù)和防護(hù)材料技術(shù)，具有與傳統(tǒng)“貼皮式”修復(fù)和防護(hù)材料不同的作用機(jī)理，從微觀上有效提高混凝土淺表層密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)宏觀上顯著提高混凝土的綜合耐久性能，同時(shí)其應(yīng)用技術(shù)具有簡(jiǎn)便、高效、科學(xué)可靠等優(yōu)點(diǎn)，且其應(yīng)用后不會(huì)影響后續(xù)的修復(fù)和防護(hù)工作；而“貼皮式”修復(fù)和防護(hù)材料一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題或本身耐久性問題，需要耗費(fèi)更多的財(cái)力和人力成本進(jìn)行修復(fù)，即工程中的“五倍律”和“十倍律”問題。因此，納米無(wú)機(jī)水性滲透結(jié)晶型修復(fù)和防護(hù)材料技術(shù)值得大力推廣和應(yīng)用。