納米膠混凝土防護技術在水利工程中的應用

陳星辰 陳 鐘 柳 斌

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100)

1 項目背景

目前，國內的多數混凝土工程都存在實際壽命與設計壽命相差較大的情況，混凝土工程設計壽命一般在50年以上，重點工程要求的設計壽命在100年以上，但是在實際應用中，混凝土工程通常使用20～30年，就開始陸續出現各種問題和安全隱患，不得不花費大量資金和時間進行修復與加固，直接影響到經濟效益和安全運行。

混凝土是在工程建設時大量采用的基礎材料，2018年全國混凝土用量約為15.9億m3，但是在使用混凝土進行工程建設時，建設單位一般關心的都是強度能否達到設計指標，價格是否符合預算，對于使用壽命只簡單地按照工程重要程度分為50～100年，對于工程實際的耐久性缺少具體指標，也沒有檢驗要求。實際上，混凝土暴露在自然環境中會面臨種種腐蝕因素，影響混凝土的使用壽命，主要如下：

a.化學作用。如碳化、鹽害、硫酸鹽腐蝕、堿-骨料反應等。

b.物理作用。如凍融、干濕循環、磨損等。

c.微生物作用。如菌藻扎根、分泌物腐蝕等。

混凝土的腐蝕問題如果在設計建設階段沒有被充分考慮的話，工程一般在實際使用5～10年后就會陸續出現細微裂縫、表層剝落、順筋裂縫、鋼筋銹蝕、骨料剝落、結構損壞等，最后只能大修或重建，所以要高度重視混凝土的防護與修復工作。

目前國內混凝土工程防護方法較少，修復效果不明顯，且部分防護工藝費時費力，一般使用的防護方法分為內部防護和表層防護兩大類。內部防護主要以采用耐蝕材料和電化學保護為主，防護效果較好，但是會導致工程造價大幅上升，而且一般只適用于新建工程，對于既有工程很難應用。表層防護主要分為有機材料(如環氧樹脂、丙烯酸、聚氨酯、聚脲等材料)防護和無機材料(如硅酸鹽等)防護。目前在國內主要采用的是有機材料表層防護技術，但是由于有機材料普遍存在耐候性差易老化、與混凝土附著性差，及對施工人員技術水平和設備質量依賴的問題，導致有機材料對混凝土的有效保護時間普遍較短。而無機材料對混凝土的防護機理較好，但是對材料的制備水平要求較高，因此早期材料性能并不理想，直到近年來納米材料制備工藝的成熟，才體現出良好的效果。

納米膠是在引用無機水性硅酸鹽表面滲透結晶材料的基礎上，采用納米級制備技術，研發出的混凝土耐久性防護和修復材料，它可以顯著提高混凝土耐久性，達到延長工程壽命、提高工程經濟與社會效益的目的，該技術將在水利、交通、建筑等混凝土工程中得到廣泛應用。

2 化學原理

硅酸鹽水泥在水化反應中，生成水化硅酸鈣(C-S-H)和氫氧化鈣(Ca(OH)2)，納米膠具有高度的納米活性，可以快速滲透到混凝土內部40mm以上的深度，在滲透層內其主要成分與混凝土中的氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣凝膠，封堵混凝土中的細微裂縫，形成致密層，阻滯水、鹽、酸堿、二氧化碳和微生物的侵入，并保持混凝土堿性環境，防止鋼筋銹蝕，從而顯著提高混凝土耐久性。

2.1 硅酸鹽水泥水化

硅酸三鈣(硅酸鹽水泥主要成分)在常溫下的水化反應中生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣，化學方程式為：

2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·(n-2+x)H2O+(2-x)Ca(OH)2

(1)

xCaO·SiO2·(n-2+x)H2O為水化硅酸鈣(凝膠)，水化硅酸鈣為六面立方椎體，結構很穩定，可增強混凝土的強度，而氫氧化鈣Ca(OH)2為層狀結構，易風化、腐蝕、裂縫，對混凝土強度極為不利，是提高混凝土強度要解決的核心問題。

2.2 納米膠補強與修復原理

在混凝土加入納米膠后，其主成分會與混凝土中的氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣凝膠，填補混凝土中的縫隙，形成致密層，增強混凝土強度，保持混凝土堿性環境，并阻滯水、鹽、酸堿、二氧化碳和微生物的侵入，同時起到保護鋼筋不銹蝕的作用，化學方程式為：

Na2O·SiO2+xCa(OH)2+yH2O→xCaO·SiO2·zH2O+2NaOH+(x+y-z-1)H2O

(2)

Na2O·SiO2為納米膠的主成分，xCaO·SiO2·zH2O為一種水化硅酸鈣(凝膠)，通過將氫氧化鈣轉化為水化硅酸鈣凝膠，提高混凝土表層致密度；同時無機水性滲透結晶型材料(納米膠主要成分)根據其主成分與氫氧化鈣持續反應能力的不同，分為固化型和反應型兩種；固化型納米膠使用后增加混凝土強度，反應型納米膠即使在干燥后，一旦被供給水分，就會和氫氧化鈣繼續產生反應，具有持續自修復能力。

2.3 物理滲透原理

混凝土是一種非均質的多孔復合材料，孔是混凝土微結構中重要的組成之一。混凝土中的孔有兩類：凝膠孔和毛細孔。凝膠孔與水化硅酸鈣的結構有關，其尺寸在幾個納米之間。但毛細孔是存在于不同水化產物之間的孔，尺寸在幾百個納米至幾個毫米之間。而混凝土的耐久性除了受其本身化學組成的影響外，主要就由孔隙率、孔隙特征和微裂縫等因素決定，孔徑小于20nm的為無害孔，孔徑在20～50nm的為少害孔，孔徑在50～200nm的為有害孔，孔徑大于200nm的為多害孔。一般只有大于100nm的毛細孔才會影響混凝土的強度和滲透性。而納米膠顆粒粒徑為1～20nm，可以對水泥硬化漿體中20nm以上的微孔進行滲透，并起到填充效應，有效改善孔隙率和孔隙結構，并可自行反應填充0.2mm以下的裂縫，封閉腐蝕因素的侵入通道，從而提高混凝土的強度與耐久性能。

3 主要工藝及特性

3.1 納米膠分類及防護機理

納米膠目前有兩種型號：適用于新混凝土防護的為納米膠Ⅰ型，見圖1；適用于已劣化混凝土的修復和防護的為納米膠Ⅱ型，見圖2。

圖1 Ⅰ型防護機理

圖2 Ⅱ型防護機理

3.2 簡便的工藝流程

納米膠施工簡便，主要過程如下：

a.基底處理。無須對混凝土表面進行打磨，只需用高壓水槍沖洗，去除影響滲透的有機涂層和油漬等即可；對混凝土表面含水率要求不高，濕潤狀態下(無表面徑流)也可施工。

b.環境要求。建議施工環境溫度為5～35℃，無風或微風時可以直接噴涂，風力大于四級時可以采用滾刷工藝，風力大于六級建議采用薄膜敷設法施工。

c.施工人員要求。施工用具簡便，施工方法簡單，見圖3，對施工人員技術素質無特殊要求，只需按量噴涂即可。

圖3 現場施工工具及方法

d.養護要求。施工方案中設計多次施工，施工間隔不少于30min，施工后保持基本環境要求，24h后即可使用。

3.3 工藝特性

納米膠與傳統防護技術相比有如下特性：

a.納米膠是對混凝土本體進行改性和增強，對比傳統技術采用的有機涂膜工藝，效果更加持久，無老化、脫落問題。

b.納米膠對多種劣化作用都有抑制作用，能延長已劣化混凝土的壽命。

c.全無機成分，無毒無重金屬，安全環保，符合飲用水工程標準。

d.施工簡便，對人員技能要求低。

e.施工環境要求低，基本不受季節、環境和基面含水率影響。

f.施工費用低，維護管理費用大幅降低。

4 實際應用

4.1 北京向陽閘水閘耐久性防護修復工程

向陽閘位于北京市順義區馬坡鎮向陽村東，橫跨潮白河，是一座大(Ⅱ)型水閘，其主要功能是蓄水和泄洪。該水閘于1984年竣工并投入運行。向陽閘已運行35年，目前水閘混凝土出現了各種老化病害現象，已影響該閘正常運行。

應用中選取閘墩、橫梁及翼墻部分區域，進行了試驗。于2018年4月9—12日對所選區域進行了混凝土各病害修復和納米膠噴涂，4月26日納米膠噴涂14天后抽取芯樣，并送有關機構進行加速碳化深度試驗，抽芯碳化深度檢測結果見表1。

表1 抽芯碳化深度檢測

以上碳化試驗結果表明噴涂納米膠后碳化深度從23.7mm變為11.8mm，抑制率為50.21%，此結果相當于為混凝土基體延長20年的使用壽命，工程質量評估合格，施工效果得到建設方的一致肯定，該工藝使用效果優良。

4.2 天津濱海新區漢沽海擋外移工程

漢沽海擋外移工程位于濱海新區漢沽北疆電廠與中心漁港之間，2011年5月完工，已運行8年。從現場勘查情況來看，迎海面已出現鋼筋外漏、麻窩、裂縫、缺損等現象，需要及時進行修補以確保海堤的安全運行。2018年5月26—27日，施工隊伍先處理混凝土表面較大的裂縫、缺損、漏筋等病害，然后對選定區域的混凝土表面整體噴涂納米膠Ⅱ型，并對混凝土表面整體涂刷一層表面防護涂層材料。

2019年5月28日，施工1年后抽取芯樣，送有關機構進行氯離子遷移系數試驗，氯離子遷移系數的檢測報告見表2。

表2 氯離子遷移系數檢測

從抗氯離子侵蝕結果可以看出，噴涂納米膠后混凝土的氯離子遷移系數從 6.41×10-12m2/s變為3.69×10-12m2/s，抗氯離子滲透等級由Ⅰ級變為Ⅱ級，抗氯離子滲透能力增強，混凝土的耐久性大大提高，延長了混凝土的壽命。據此并選定納米膠作為新建混凝土擋浪墻工程的防碳化、防氯離子侵蝕的防護材料。

5 結 語

納米膠混凝土耐久性防護和修復技術大幅度延長了混凝土的使用壽命，降低了混凝土的防護難度和成本，在全國水利及建筑等行業有較大應用前景，應加快此項技術的推廣轉化；國內水利水電、交通、市政、港口工程、橋梁、隧道、住房等混凝土建筑面廣量大，納米膠混凝土耐久性防護和修復技術的進一步推廣應用，將為各類工程帶來巨大的經濟與社會效益。