水工混凝土表面及内部封堵修补材料的性能综合比选

王国逵

(朝阳市水务局，辽宁 朝阳 122000)

在北方地区由于气候寒冷，温差变化大，气候干燥及盐碱腐蚀等气候和自然因素综合影响，水工混凝土结构在长期使用过程中容易出现裂缝等病害缺陷。混凝土受到这些病害缺陷影响，其结构耐久性降低，钢筋锈蚀程度加快，结构的安全稳定难以得到保障[1]。因此，从水利工程全寿命周期研究水工混凝土耐久性提升技术，需要结合有效的修补和防护技术来提高水工混凝土在高寒、气候干燥等恶劣环境条件下的使用周期[2]。通过表层防护和内部封堵处理技术延长水工混凝土的使用周期，其主要原理在于：表层密实度提高后可隔断外界物质对混凝土表层的侵蚀影响，通过对混凝土表层结构产生的缺陷进行合理修补防护的工程措施可以有效提高混凝土表层结构性能，从而降低混凝土受外界恶劣环境影响程度[3]。一些研究成果表明混凝土表层密实度提高后可有效降低外部湿气、盐碱腐蚀离子等有害物质对其性能结构的影响，尤其对于新建混凝土结构可以有效减少其内部孔隙物质的迁移从而提高耐久性[4]。近些年来，针对长距离引调水工程环境特点的水工混凝土表面修补材料性能对比试验取得一定研究成果[5- 14]，但是这些研究成果大都针对单一修补材料进行试验，对多个材料进行性能对比的研究成果还较少，尤其是对北方地区水利工程点研究还较少，为此本文依照选用新型研发产品、引进其他行业使用广泛且效果良好的材料和目前水利行业应用较为成熟的材料这3个方面的思路，筛选了1种界面剂和5种表面修补防护材料进行性能对比，确定了水工混凝土主要缺陷的修补防护材料优选顺序。研究成果对于北方地区水工混凝土修补材料选取具有重要参考价值。

水工混凝土病害缺陷修补防护材料选取原则主要为：①修补材料必须是基本不收缩或不引起黏结强度下降的收缩；
②当采用混合后体积膨胀的混凝土修补老的裂缝混凝土时，要选择完全能够限制膨胀过多的材料即要事先确定膨胀反应何时发生，并在其膨胀发生前修补完毕；
③修补大体积或大面积裂缝混凝土时，热膨胀系数在新老混凝土之间相类似；
④当采用高弹模材料修补时，被修补材料也应是高弹模材料，否则，在荷载平行于黏结面时，低弹模材料的变形将导致荷载转移到高弹模一侧使其破裂；
⑤液体和蒸汽能够被材料渗透的程度表示为渗透性，一般而言液体不会从质量好的混凝土进行渗透，而蒸汽可以从混凝土内部孔隙进行渗透，渗透能力较弱的材料用于混凝土表层结构防护时会存留在混凝土顶层和表层之间的黏结面，或者不同材料之间的薄弱面，造成对混凝土结构性能的破坏；
⑥对由钢筋锈蚀引起的损害而要求修补的材料也要避免使用非渗透性的材料，影响锈蚀率的一个因素是混凝土导电的能力，这和混凝土的渗透性有直接的关系，所有混凝土，除非是在炉中干燥的，都有一定的导电性，由于该混凝土一部分被没有导电能力的修补材料所代替，通过混凝土的电流将集中在较小的断面上，因此加速了腐蚀过程；
⑦在选择裂缝内部封堵材料时，应以先水泥浆(即颗粒浆)后化学浆(真调液浆)作为选择次序。

依照选用新型研发产品、引进其他行业使用广泛且效果良好的材料和目前水利行业应用较为成熟的材料这3个方面的思路，筛选了1种界面剂和5种表面修补防护材料进行性能对比。具体如下。

(1)界面剂。该界面剂是以环氧树脂为基本原料，加入一定数量的化学助剂和填料，经过科学配制而成，可以作为其他表面防护材料的界面粘结剂。该界面剂首次被引进到辽宁地区水利水电枢纽工程上应用。

(2)硅烷浸渍剂。硅烷浸渍剂为小分子结构，可渗透到混凝土内部与暴露在酸性或碱性环境中的空气及混凝土内部水分子发生化学反应，形成憎水保护层，从而抑制水分进入到基层中。硅烷浸渍技术首先在欧美发达国家得到了成功的实践应用，但多数是应用于道桥、码头、机场等混凝土结构的防水防腐工程中，水利水电枢纽工程的混凝土结构并未引进使用。我国在2000年后相继将硅烷浸渍处理技术纳入海港工程、公路混凝土工程、铁路混凝土工程的防腐规范中，近些年，硅烷浸渍技术被引进到了水利水电枢纽工程中，作为防水、防氯离子侵蚀和防止冻融破坏的措施。

(3)甲基丙烯酸甲酯防水涂料。该防水涂料是由甲基丙烯酸甲酯和引发剂、增塑剂等合成的高分子聚合物，黏度小且可以通过聚合度的控制进行调整，适宜于细裂纹的修复与修补。该材料多应用于民用建筑、路桥等工程的细裂缝修补和防水工程中，在水利水电工程中的应用较少。

(4)弹性涂料。环氧基团为弹性涂料主要材料，黏接性能良好，且具有较高的抗冲磨及抗老化性能。

(5)慢固化脂肪族聚脲类涂料。通过改变活性基团的反应活性慢固化脂肪族聚脲类涂料可以提高操作涂料的时间，高弹性、耐低温、抗紫外线等特点使得慢固化脂肪族聚脲类涂料的黏结效果更强，混凝土保护涂层使用该材料后其抗冻、抗紫外、抗冲磨效果得到显著增强。

(6)手刮聚脲。手刮聚脲由含多异氰酸酯的高分子预聚体(简称A组份)与经封端的多元胺(简称B组份)混合，并加入其他功能性助剂所组成。被视为一种新型无溶剂、无污染的绿色涂料，其优异的防水、防腐、防冲磨的物理力学性能及适用性在全国各类水利水电工程的大坝、电站、水闸、隧洞、溢洪道等水工混凝土建筑物中得到广泛的应用。

针对筛选出的5种代表性表面修补防护材料，从耐老化性、抗冻性等7个方面对其性能特点，以辽宁某水利工程为试验点进行了对比，从而提出不同材料的适用性和优缺点。

3.1 耐老化性对比试验

分别采用3种试验方法结合弹性涂料、慢固化脂肪族聚脲类涂料和手刮聚脲的特点及试验条件进行耐久性试验分析，试验结果见表1。

通过耐久性试验分析，水工混凝土表面在高温酷热天气进行修补防护时，慢固化脂肪族聚脲类涂料要尽量不在烈日爆晒下使用，或者提前到现场进行试验确定修复材料是否可以满足修补要求。

3.2 抗冻性能对比试验

寒区季节温差和昼夜温差大，临水或潮湿的混凝土结构很容易发生冻融破坏。根据弹性涂料、慢固化脂肪族聚脲类涂料等材料进行冻融循环试验，从而有针对性选用抗冻性能较高的修补材料。各类材料冻融循环试验结果见表2。

表1 弹性涂料、慢固化脂肪族聚脲类涂料和手刮聚脲耐久性能对照表

表2 不同修补材料的冻融循环试验结果

混凝土抗冻性能最为明显的为硅烷浸渍剂，对于混凝土抗冻具有较好的保护作用。其他材料可形成一定厚度涂层在混凝土表面，可用于表面裂缝的封堵，也可以形成密实度较高的保护涂层来提高抗冲磨性能。混凝土基面和慢固化脂肪族聚脲类涂料在冻融循环破坏过程中可形成相对较高的黏结强度。性能相对优异的材料可在裂缝、冲磨、空蚀等病害缺陷集中的区域采用，其他材料可用于其他部位的修补，从而进行修补方式的组合应用。

3.3 抗冲磨性能对比试验

根据辽宁地区某水利工程实际应用情况，总结了4种表面修补防护材料的抗冲磨性能，结果见表3。

表3 4种试验材料的抗冲磨性能对照

由表3可知，4种材料中，手刮聚脲材料的抗冲磨性最好，防水涂料的抗冲磨性良好的为弹性涂料和甲基丙烯酸甲酯，尚未见到这2种材料在极高速水流冲刷的区域使用的实例，弹性涂料作为水闸溢流面的表面防护涂层在辽宁地区水利工程中曾使用过，应用部位的水流速度为2m/s。

3.4 表面密封性能对比试验

根据试验和工程实际应用情况，总结了5种修补防护材料的表面密封性能，试验结果见表4。

表4 修补材料的封闭效果对比

由表4可知，5种材料的封闭性均较好，其中，手刮聚脲、弹性涂料、甲基丙烯酸甲酯防水涂料均具有极佳的封闭作用，适用于表面防护。硅烷浸渍剂作用机理为渗透性结晶封闭，具有单向透气性；
致密涂层封闭效果在涂覆慢固化脂肪族聚脲类后也可形成，但材料状态在温度发生变化时容易发黏，流淌性能在高温时恢复。

3.5 施工操作性对比试验

通过试验和工程实际应用情况对比，弹性涂料、甲基丙烯酸甲酯防水涂料和甲基丙烯酸甲酯防水涂料都属于双组份材料，按规定进行均匀混合。因此要根据修补面积大小对此类双组分材料进行用量控制。施工中单组份的手刮聚不需要现场配比，可有效减少现场人工配比产生的修补材料质量问题，专门的施工设备无需在涂刮过程中使用，涂层的均匀性可通过分层涂刮施工来实现，有效保证施工质量。单组份膏体状的硅烷浸渍剂材料的施工方法可以为刷涂、滚涂等，垂直立面和天花板面施工尤其适用，流失损失较低，且不改变原有建筑物外观。

本文在水工混凝土表层防护材料分析的基础上，还筛选出实际水利工程中常用的、具有良好的施工性能的亲水性、亲油性、环氧类、水玻璃等6种主要内部封堵材料，从关键性能、环保性、耐久性、适用性等4个方面进行了对比分析，总结了这些材料的共性与区别，结果见表5。

从对比结果可看出，于大规模化学灌浆止水工程较适用采用亲水性和亲油性的聚氨酯类灌浆材料，裂缝开度变化较大不适用脆性较大的环氧类材料，而水玻璃材料耐久性不足。

综上，通过对5种表面修补防护材料以及7种内部处理材料性能对比，确定长距离引调水混凝土主要缺陷的修补防护材料优选顺序，见表6。

对于长距离输水工程，水工混凝土表层若出现≥0.2mm的裂缝，首选手刮聚脲进行表面修补防护，其次可选用弹性涂料，选用水性聚氨酯灌浆材料作为此类缺陷的内部处理材料。对于裂缝<0.2mm的缺陷类型，其表面修补防护材料优选顺序分别为硅烷浸渍剂、手刮聚脲、甲基丙烯酸甲酯防水涂料，环氧类灌浆料、水性聚氨酯灌浆材料可作为此类缺陷类型的内部处理材料。对于伸缩缝及渗漏缺陷类型，其表面修补防护材料优选顺序为手刮聚脲、弹性涂料，选用水性聚氨酯灌浆材料作为伸缩缝缺陷类型的水工混凝土内部处理材料。对于渗漏缺陷类型，其内部处理材料可优先选用疏水性单液型PU发泡堵漏剂。对于剥蚀缺陷类型，其表面修补防护材料优选顺序分别为手刮聚脲、甲基丙烯酸甲酯防水涂料，其内部处理材料优选顺序分别为环氧灌浆材料、水玻璃。对于碳化缺陷类型，其表面修补防护材料优选顺序分别为硅烷浸渍剂、手刮聚脲、弹性涂料。

表5 7种内部封堵材料的性能对比

表6 水工混凝土主要缺陷的修补防护材料优选

(1)硅烷浸渍剂施工方便灵活，特别适用于垂直立面和天花板面的水工混凝土表层防护施工，由于不流淌，可有效减少流失损失，且不改变建筑物原有外观状态，可作为水工混凝土表面裂缝<0.2mm及碳化缺陷类型的首选修补材料。

(2)手刮聚脲、弹性涂料、甲基丙烯酸甲酯防水涂料均具有极佳的封闭作用，适用于表面防护。慢固化脂肪族聚脲类涂料施工后也能形成致密涂层封闭效果，但材料在温度变化时较容易发黏。

(3)本文对各类修复材料的环保性能还未行分析，有所不足，尤其对于饮水工程而言，其环保性能的适用性还需要进行深入探讨。

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