適用于碾壓混凝土壩層間縫處理的新材料

匡楚豐，韓行進，樊 勇，王 杰，李永豐

(1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南中南水電水利工程建設有限公司，湖南 長沙 410014)

層間縫滲漏是碾壓混凝土壩普遍存在的常見病害之一，長期的滲漏水影響將導致水工建筑物內部產生不穩定的滲透壓力，侵蝕建筑物，降低混凝土強度，若不及時處理層間縫缺陷，最終將危及大壩安全穩定運行[1-4]。目前，我國處理此類問題的常用方法是灌漿，灌漿材料有普通、化學及普通+化學等材料，具體材料由工程作業特點及材料性能決定[5-8]。文章針對含動靜水的碾壓混凝土壩層間縫結構缺陷處理，結合水泥、水玻璃、環氧、單組分聚氨酯材料的優點，提出了灌漿初期快凝型的水泥+水玻璃、中期防滲型的水泥+單組分聚氨酯+水玻璃、后期滲固型的水泥+環氧+水玻璃三種混合灌漿材料，通過室內試驗確定三種材料的性能最優配比，并在現場試驗灌漿驗證成功，可供類似工程借鑒參考。

1 裂縫狀況及原因分析

1.1 現場檢查

某水電站主壩自蓄水發電運行以來，通過監測發現碾壓混凝土溢流壩與重力壩壩體部位層間縫存在不同程度潛滲濕潤現象。擬對主壩4#壩段鄰近4#結構縫側壩后滲水較嚴重的層面縫進行現場試驗，即對主壩4#壩段鄰近4#結構縫右側5～8m、高層220～233m的滲水層面縫進行處理技術研究與試驗應用。試驗壩段取樣與壓水試驗檢測結果表明，壩體碾壓混凝土層間整合性狀較差，局部碾壓欠密實，存在蜂窩缺陷。

1.2 原因分析

(1)混凝土堿骨料[1-6]

混凝土堿骨料線物理力學參數(如彈性模量和線膨脹系數)較大，易在骨料與水泥、外加劑、摻合料或拌合水等材料混合時發生堿骨料反應。反應導致拌合料吸水膨脹，使碾壓混凝土產生不均勻內應力，使混凝土強度降低，同時產生不同類型的層間裂縫或蜂窩缺陷。

(2)混凝土內外溫差[1-6]

碾壓混凝土入倉到硬化期間，溫度未得到有效控制，通水通溫不及時，容易導致碾壓混凝土壩壩體表層材料溫降梯度較大，致使由溫差引起的應力作用效果高于其他荷載作用的應力效果，當溫度應力超過混凝土的應力極限時，將會出現表層裂縫。當內外溫差不斷增大時，將發展成深層裂縫。

(3)間歇期過長[1-6]

汛期前后碾壓混凝土停筑時間較長，新老混凝土壩面黏接性較差，當新混凝土收縮時，會產生拉應力，同時老混凝土存在溫度應力。碾壓混凝土壩施工間歇期過長是新混凝土收縮應力和老混凝土溫度應力產生的關鍵原因，也將導致混凝土的裂縫生成。

(4)養護及保溫[1-6]

混凝土強度等性能正常發揮和干縮裂縫不發生的關鍵措施是及時有效的充分養護，混凝土澆筑完一層后，應灑水養護以保持混凝土表面溫濕度。大量工程實踐證明，當不同部位的混凝土溫差達25～26℃時，混凝土內部將產生10MPa左右的拉應力，遠大于一般混凝土的抗拉強度，此時就會產生裂縫，尤其是在混凝土施工中后期，這種現象更為明顯。

2 灌漿材料研究

2.1 灌漿原材料

(1)水泥

現場試驗灌漿用水泥，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥顆粒細度通過80μm方孔篩的篩余量不大于5%，現場試驗灌漿水泥參數見表1。

表1 現場試驗灌漿水泥檢驗報告

(2)水

現場試驗灌漿用水采用水庫蓄水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》的規定。

(3)化學材料

現場試驗灌漿是采用長沙普照生化科技有限公司生產的PZ-1086E3型高滲透水下環氧漿材，黏度為≤10mPa·s。為加強防水效果，現場試驗采用單組分聚氨酯化學材料，由重慶市九龍坡區譚氏防水建材廠提供的專用建筑防水材料。

(4)外加劑

現場試驗外加劑根據漿液性能要求選用。現場試驗灌漿速凝劑采用水玻璃材料，模數為3.0、波美度為38°Be′；早強劑采用工業氯化鈉材料。

2.2 灌漿材料配比確定

水泥-環氧-水玻璃混合漿液是純水泥漿液與環氧漿液混合后添加一定量的水玻璃，形成的一種混合漿液。水泥-環氧-水玻璃混合漿液在對碾壓混凝土層面細微裂隙或細小孔隙充填與滲潤灌注施工時，可將環氧漿液泌出，產生有效的滲透浸潤固結灌注，從而達到充填與滲透浸潤復合灌漿目標[9-11]；水泥-單組分聚氨酯-水玻璃混合漿液是一種單組分聚氨酯與水泥漿液均勻混合后并添加一定量水玻璃形成的一種混合型防滲型漿液，可對碾壓混凝土層面較細小裂隙或空隙充填與滲透灌注，可有效提高層間縫防滲性能和抗溫變效應性能[12-13]；水泥-水玻璃混合漿液研究是在水泥穩定漿液中依據水泥漿液中的含水量添加一定量的水玻璃漿液，形成一種快凝混合型漿液，該混合漿液在進行含動靜水的碾壓混凝土密實層面蜂窩空洞充填封堵灌注時，可快速凝結堵洞，并形成具有一定物理性能的固結體[14-15]。

室內試驗主要對三種漿液的各項性能進行試驗，主要包括水泥-環氧混合漿液配比與性能試驗；水泥-單組分聚氨酯混合漿液性能優化試驗；水泥、水泥+單組分聚氨酯和水泥+環氧與水玻璃混合漿液的性能檢測試驗。

(1)水泥-環氧混合漿液配比與性能試驗

該試驗主要依據環氧泌出性能與泌出環氧固結性能進行配比優化試驗，材料配比優化試驗按照正交法進行，材料組合配比及性能試驗成果見表2。水泥-環氧混合漿液泌出率與試驗壓力成正比，有效環氧泌出率與水灰比成正比。

表2 水泥-環氧配比優化試驗表

(2)水泥-單組分聚氨酯混合漿液性能試驗

該試驗主要對漿液配比、漿液黏度、固結體性能進行優選測定，試驗初步成果見表3。混合漿液黏度與單組分聚氨酯摻量成正比，漿液可灌性較好，7d固結體呈微彈性且抗壓強度滿足碾壓混凝土層間縫處理的防滲加固技術要求。

表3 水泥-單組分聚氨酯性能優化試驗成果表

(3)水玻璃混合漿液的性能檢測試驗

水泥、水泥+單組分聚氨酯和水泥+環氧與水玻璃混合漿液的性能檢測試驗主要研究在早強劑(氯化鈉)摻入量一定時，水玻璃摻入量對混合漿液初凝時間的影響。純水泥漿液、水泥-環氧混合漿液、水泥-單組分聚氨酯混合漿液的初凝時間與水玻璃摻入量成反比。水玻璃摻量在5%以下時可采用單液灌注，大于5%時宜采用雙液灌注。早強快凝型漿液配比優化試驗結果見表4。

表4 早強快凝型漿液配比優化試驗表

3 現場試驗研究

3.1 層面縫試驗灌漿

依據前期鉆孔芯樣資料、灌前壓水檢測、涌水測試、連通性試驗及現場試驗鉆孔逐步揭露的碾壓混凝土層面縫結構性狀，表明主壩碾壓混凝土層面缺陷區均有較復雜的滲漏通道，可灌性較好，且有不同程度的承壓涌水。現場灌漿試驗工藝參數與控制標準見表5。

表5 工藝與控制標準參數表

3.2 結構縫試驗灌漿

為達到對試驗灌漿區的整體處理效果，對試驗區左側4#結構縫采用水泥+橡膠粉+環氧+水玻璃組成的復合彈性快凝漿液進行了封閉處理灌漿試驗。結構縫封堵灌漿按照自下而上依次鉆孔穿縫進行灌注。4#結構縫封閉處理共布置了7個灌漿孔。開灌直接采用水泥+橡膠粉+環氧+水玻璃組成的復合彈性速凝漿液進行快速封閉，復合漿液配比為水∶水泥∶橡膠粉∶環氧∶水玻璃=0.5∶1∶(0.2～0.5)∶0.1∶(0.01～0.15)，灌漿脈沖壓力為1.0MPa，屏壓灌注10min，即結束結構縫單孔封堵灌漿。

3.3 效果檢查

(1)鉆孔取芯

現場試驗灌漿結束28d后進行鉆孔取樣檢查，J1檢查孔鉆孔取芯獲取率為99.04%、RQD值為90.77%，芯樣具體成果見表6。結果表明：檢查孔芯樣層面、裂隙、塊間孔隙可見明顯水泥結石和化學材料浸潤，取出的芯樣較完整，密實性與完整性較灌漿前顯著提高，且4#壩段表面濕潤現象有明顯改善。

表6 檢查孔鉆孔取芯統計分析表

(2)壓水試驗

現場試驗區灌漿前，各孔段均進行了簡易壓水試驗，據灌前壓水成果資料，試驗灌漿孔段壓水試驗透水率為0～54Lu，且多集中在第2、4、5段。試驗灌漿后壓水試驗檢查成果表明，檢查孔全孔段透水率均小于0.5Lu。具體結果見表7。

表7 J1檢查孔壓水及滲水測試成果統計匯總表

4 結論

(1)優選確定了水泥+水玻璃快凝型(水∶水泥∶水玻璃比為 0.8∶1∶5%)、水泥+單組分聚氨酯+水玻璃防滲型(水∶水泥∶聚氨酯∶水玻璃比為 0.8∶1∶0.2∶3%)、水泥+環氧+水玻璃滲固型(水∶水泥∶環氧∶水玻璃比為 0.8∶1∶0.2∶2%)三種組合混合漿液為最優配比。三種混合漿液室內性能試驗均滿足碾壓混凝土壩層間縫防滲加固的技術性能要求，且可灌性好。

(2)三種組合混合漿液在灌漿試驗初、中、后期進行依次變換，可有效提高碾壓混凝土層間縫試驗灌漿處理效果。鉆孔和壓水試驗結果表明：檢查孔鉆孔取芯獲取率為99.04%、RQD值為90.77%，檢查孔全孔段透水率均小于0.5Lu。檢查孔芯樣可見明顯水泥結石和化學材料浸潤，芯樣完整性、壩體強度及抗滲性能較灌漿前顯著提高，且表面濕潤現象有明顯改善。