CW 聚合物水泥砂漿在盤石頭水庫泄洪洞加固工程中的應(yīng)用

何香建，邵曉妹，孫 正

（1. 湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2. 武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，湖北 武漢 430010）

1 概 述

盤石頭水庫位于河南省鶴壁市淇濱區(qū)西南衛(wèi)河支流淇河中游，是一座以防洪、供水為主，兼顧農(nóng)田灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大（Ⅱ）型水利樞紐工程，主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、右岸1#、2#泄洪洞、左岸非常溢洪道、左岸輸水洞及電站等。水庫控制流域面積1 915 km2，總庫容6.08 億m3，最大壩高102.2 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2 000 年一遇[1～3]。1#、2#兩條泄洪洞布置在右岸雞冠山下，均為無壓城門洞型泄洪洞，承擔(dān)水庫主要泄洪任務(wù)。

盤石頭水庫自2007 年6 月蓄水運(yùn)行以來，右岸雞冠山單薄山體始終存在繞壩滲漏問題[4]，嚴(yán)重影響兩條泄洪洞的結(jié)構(gòu)安全。據(jù)調(diào)查，在外水壓力長期作用下，兩條泄洪洞洞身襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較多裂縫，多處裂縫寬度已超過規(guī)范允許范圍；同時(shí)由于滲水及碳化作用，裂縫內(nèi)鋼筋出現(xiàn)銹蝕，鋼筋截面積銹蝕率已超過20%。因此，為保證水庫安全運(yùn)行和防洪、供水等正常功能，對泄洪洞進(jìn)行加固處理十分必要和緊迫。

1#、2#泄洪洞洞身加固工程主要包括洞頂回填灌漿、全洞身固結(jié)灌漿、洞身裂縫處理、洞身表面防護(hù)和排水孔疏通等。由于泄洪洞洞身結(jié)構(gòu)斷面大，灌漿及裂縫處理難以將微細(xì)裂縫全部充填密實(shí)，此外檢測發(fā)現(xiàn)洞身混凝土襯砌存在輕微碳化。針對以上問題，選擇合適的涂層材料作表面封閉處理，能夠阻斷微細(xì)裂縫與外界接觸，同時(shí)防止CO2向混凝土內(nèi)部侵蝕擴(kuò)散，起到減緩混凝土碳化、減少內(nèi)部鋼筋銹蝕的作用[5]，從而保證工程安全有效運(yùn)行。

2 表面防護(hù)涂層材料的選擇

選擇混凝土表面防護(hù)材料時(shí)既要考慮構(gòu)件的整體防護(hù)性和耐久性，還須考慮材料適用的施工環(huán)境。目前常用的水工混凝土表面防護(hù)材料有聚脲材料、環(huán)氧類材料、水泥基材料和聚合物水泥砂漿等[6，7]。其中聚脲材料抗沖磨性能優(yōu)異，較其他防護(hù)材料具有一次成膜厚、施工便捷等特點(diǎn)，但聚脲在潮濕環(huán)境下易發(fā)泡，對施工工藝要求高，且涂層易發(fā)生整體脫落，使用成本高。環(huán)氧類材料滲透性強(qiáng)，與基底粘接強(qiáng)度高，固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度高，但在潮濕面粘接強(qiáng)度低，只能薄涂，抗沖磨效果一般，易老化，環(huán)保性也較差。聚合物水泥砂漿與水泥基材料相比，具有力學(xué)強(qiáng)度高，極限拉伸率大，抗沖磨、抗?jié)B性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；與聚脲材料和環(huán)氧類材料相比，具有與潮濕面粘接強(qiáng)度高，施工操作方便，價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于水工、路橋、化工等等領(lǐng)域的混凝土缺陷修補(bǔ)及表面防護(hù)[8～10]。

考慮到泄洪洞外水滲透壓力較大、滲水點(diǎn)眾多、施工條件苛刻，經(jīng)多方分析論證，確定選擇CW 聚合物水泥砂漿及聚合物水泥凈漿作為泄洪洞混凝土表面防護(hù)涂層材料。材料主要性能要求為：厚度5.0 mm、28 d抗壓強(qiáng)度＞30.0 MPa、28 d 抗折強(qiáng)度＞10.0 MPa、28 d 粘接強(qiáng)度＞3.0 MPa、抗凍融性＞200 次、2 d 吸水率≤4.0%。

3 CW 聚合物水泥砂漿室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 原材料

水泥采用河南鶴壁同力水泥公司生產(chǎn)的42.5 復(fù)合硅酸鹽水泥；砂料采用鞏義市美碩水處理材料有限公司生產(chǎn)的石英砂，中砂；聚合物乳液采用武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的CW721 抗沖磨型聚合物乳液，性能符合DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》要求；拌和用水取自盤石頭水庫，水質(zhì)達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 室內(nèi)配合比試驗(yàn)

確定聚合物乳液、水泥、石英砂、水的比例，以滿足材料設(shè)計(jì)性能和施工要求。首先進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟為：

1）成型不同配比的40 mm×40 mm×160 mm 試塊，進(jìn)行抗折、抗壓強(qiáng)度和吸水率試驗(yàn)；成型不同配比的40 mm×40 mm×10 mm 試塊，進(jìn)行粘接強(qiáng)度試驗(yàn)；

2）成型不同配比的凈漿，用毛刷涂刷在水泥砂漿試塊斷面，將斷裂的試塊粘接好并用膠布豎向固定，測試其抗折、粘接強(qiáng)度；

3）將不同配比的聚合物水泥砂漿及凈漿試件進(jìn)行快速凍融循環(huán)、高濃度碳化試驗(yàn)[11]。試驗(yàn)方法依據(jù)DL/T 5126-2001 進(jìn)行。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選出CW 聚合物水泥砂漿及凈漿的配合比，配合比參數(shù)見表1，對CW 聚合物水泥砂漿室內(nèi)檢測結(jié)果見表2。由表2 結(jié)果可知，CW 聚合物水泥砂漿各項(xiàng)性能均能滿足設(shè)計(jì)要求，即可進(jìn)行現(xiàn)場施工。

表1 CW 聚合物水泥砂漿及凈漿配合比 kg/m3

表2 CW 聚合物水泥砂漿室內(nèi)檢測結(jié)果

4 施工工藝

CW 聚合物水泥砂漿工藝流程具體步驟如下：

1）施工準(zhǔn)備：布置施工所需的材料、工具和設(shè)備，確保施工供水、供電、通訊、道路正常。根據(jù)工程量及材料配比，計(jì)算各施工原材料用量。

2）基底處理：清除混凝土基底表面污物、灰塵和混凝土疏松層，用角磨機(jī)將混凝土基面打磨粗糙，并用清水將基面沖洗干凈，施工前應(yīng)保持工作面飽水狀態(tài),施工時(shí)不應(yīng)有積水。

3）底層凈漿配制及涂刷：按照聚合物乳液與水泥質(zhì)量比1∶1～1∶2 稱量原材料，先將聚合物乳液倒入攪拌機(jī)內(nèi)，再邊緩慢加入水泥邊攪拌2～3 min，拌至均勻。將凈漿涂刷于混凝土基底，要求薄而均勻，不漏涂，不流淌。凈漿應(yīng)在45 min 以內(nèi)使用完畢，否則應(yīng)重新配制基液后再進(jìn)行涂刷。

4）中層砂漿配制及涂刮：按照室內(nèi)試驗(yàn)確定配合比稱量原材料，先將水泥、砂干混均勻，再加入聚合物乳液及水，用攪拌機(jī)攪拌2～3 min，拌至均勻。砂漿施工應(yīng)在底層基液涂刷完成后30～60 min 內(nèi)進(jìn)行，砂漿涂刮厚度為（5.0±0.2）mm；砂漿拌好后應(yīng)在45 min 內(nèi)用完。涂刮要求表面平整均勻，不漏涂不流掛。

5）面層凈漿配制及涂刮：按照聚合物乳液與水泥質(zhì)量比1∶2～1∶3 稱量原材料，先將聚合物乳液倒入攪拌機(jī)內(nèi)，再邊緩慢加入水泥邊攪拌2～3 min，拌至均勻。中層聚合物水泥砂漿施工完2～4 h 后，進(jìn)行面層凈漿涂刮。面層凈漿也應(yīng)在45 min 以內(nèi)使用完畢。

6）涂層養(yǎng)護(hù)：涂刷面層凈漿后，待涂層表面略干，采用噴霧養(yǎng)護(hù)涂層。12 h 后灑水養(yǎng)護(hù)7 d、3 次/d，然后再自然養(yǎng)護(hù)21 d。陽光直射或風(fēng)口部位，應(yīng)采取遮光保溫措施。

5 現(xiàn)場運(yùn)行效果分析

為了保證CW 聚合物水泥砂漿施工質(zhì)量及效果，在施工現(xiàn)場進(jìn)行了抽樣檢查。施工過程中，對1#、2#泄洪洞涂層材料的厚度和粘接強(qiáng)度進(jìn)行抽樣測試，并對配制的砂漿留樣檢測，檢測結(jié)果見表3。分析表3 結(jié)果可知，現(xiàn)場施工的CW 聚合物水泥砂漿性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 CW 聚合物水泥砂漿現(xiàn)場抽檢結(jié)果

CW 聚合物水泥砂漿施工于2017 年6 月開始，于2017 年8 月結(jié)束，共計(jì)消耗砂漿198 t，凈漿87 t。施工結(jié)束后，泄洪洞隨即投入使用，經(jīng)過兩次汛期泄洪后，泄洪洞身表面未出現(xiàn)干縮開裂、明顯滲水、表面坑洞、沖刷缺陷等不良現(xiàn)象，證明施工取得了良好效果，保證了泄洪洞的正常運(yùn)行。

6 結(jié) 語

盤石頭水庫泄洪洞采用CW 聚合物水泥砂漿作為混凝土表面防護(hù)材料，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場效果表明，CW 聚合物水泥砂漿在抗沖磨、防碳化、防滲漏等方面體現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，與聚脲防護(hù)材料和環(huán)氧類防護(hù)材料相比，具有應(yīng)用范圍廣、施工工藝簡單、節(jié)省投資和工期的顯著效果，具有實(shí)用和推廣價(jià)值。