水利工程壩后保溫板抗裂防凍害技術應用研究

高 鵬

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊830022)

0 引言

嚴寒地區氣溫年變幅大，極端溫差可達90 ℃，且寒潮頻繁，水工混凝土面臨溶蝕、凍融剝蝕、冰拔、冰推和冰撞等凍害問題。這些凍害問題導致混凝土表面出現裂縫、剝蝕、脫落、坑窩、麻面、露石露筋和鋼筋腐蝕等一系列病害問題，嚴重威脅水工結構的整體性和耐久性[1]。國內外多個工程實踐證明，保溫法是防止嚴寒地區水工混凝土產生凍害的有效措施之一，即在水工混凝土表面設置保溫材料，其目的是冬季阻隔大氣負溫對其基面的侵襲，提高地溫，從而減小凍深和消除混凝土板材的凍脹，以達到水工混凝土抗凍脹的目的[2-4]。

在實際應用中，常因保溫板密度較低、陳化時間不足、粉化等自身原因，以及粘結材料與被粘結材料的不相容、不匹配，抹面砂漿與保溫板的導熱系數相差過大等外因，引起保溫層脫落和抹面砂漿開裂而失去保溫作用[5-7]。在極端條件下，保溫板內外表面極高的溫度差值使得保溫板內部存在不均勻溫度場，材料本身熱脹冷縮的性質會產生不均勻的溫度變形，出現保溫板翹曲或撓曲變形、保溫板與基層混凝土之間粘結破壞等，這就需要研制一種導熱系數與保溫板相近，具有一定保溫板適應性的抗裂砂漿[8]。單組分聚脲防水涂料在水工建筑物抗凍害防護中已廣泛應用，并取得良好的效果，可涂布于抗裂砂漿表面起防護作用[9]。本文以新疆某水利工程壩后混凝土保溫層防護工程為研究對象，采用自改性聚合物抗裂砂漿、單組分聚脲防水涂料等材料，通過分縫嵌填+表面逐層漸變釋放應力的方式，根據施工現場情況，在無養護條件下，研究該抗裂防凍害技術的應用效果，為嚴寒地區水工混凝土保溫抗裂防凍害的控制提供借鑒。

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

新疆北部某水利樞紐工程是具有不完全多年調節功能的控制性工程，是引額供水工程中重要的樞紐工程之一，屬Ⅰ等大Ⅰ型工程。樞紐工程主要建筑物包括碾壓混凝土重力壩主壩，1#、2#副壩(瀝青心墻土石壩)，泄水建筑物(溢流表孔、泄水中孔、放水底孔)，發電引水系統，以及廠房等。其中主壩及副壩按1 000年一遇洪水設計，主壩按5 000年一遇洪水校核，副壩按1萬年一遇洪水校核。壩址處多年平均徑流量33.27億m3，多年平均流量105 m3/s。水庫正常蓄水位739 m，對應的庫容20.45億m3；死水位680 m，死庫容1.28億m3；防洪限制水位738 m；防洪高水位739 m，設計洪水位741.69 m；校核洪水位743.63 m，總庫容24.19億m3。電站裝機容量140 MW，年發電量5.19億kW·h。工程總投資26.87億元，總工期58個月。

該工程建成后經過多年運行，壩面保溫板及防滲層老化破損，局部保溫層脫落，已失去保溫作用。現場查勘情況如圖1～4所示。

圖1 保溫板粉化Fig.1 Pulverization of insulation board

圖2 保溫板脫落Fig.2 Insulation board falling off

圖3 保溫板外防護層脫落Fig.3 Outer protective layer of insulation board falling off

圖4 保溫板空鼓、錯臺Fig.4 Hollow and staggered about insulation board

1.2 難點分析

壩面保溫板抗裂防凍害施工存在的難點：市場上水泥、砂石原材料質量參差不齊，其質量難以保證；施工面廣、施工難度大，灑水養護難以實現；施工現場風較大，加快抗裂砂漿表面水分散發，加大開裂概率；抗裂砂漿施工完后需快速起強，荷載一定壓力，二道表面封閉防護施工；保溫板與抗裂砂漿的導熱系數需相近；抗裂砂漿與粘結材料的相容性、匹配性；粘結材料與表面封閉防護材料的相容性、匹配性；保溫板板間縫的處理；抗裂砂漿內應力的釋放。

1.3 抗裂防凍害技術防護原則

抗裂防凍害技術防護原則：逐層漸變柔性釋放應力；普通水泥砂漿不應作為保溫體系表面的找平及保護層材料；防護層抗裂問題是控制裂縫的主要屏障；充分考慮各層材料的相容性及匹配性；加強保溫板間縫處的柔性密封；抗裂砂漿分塊防護，釋放內應力及封閉；最外層材料耐久性好、柔性大且與冰不粘結。

2 保溫板抗裂砂漿

2.1 原材料

乳液(A)：自制；丙烯酸共聚乳液(B)：南京永豐化工有限公司；標準型聚羧酸減水劑(固含量10%)：新疆科能新材料技術股份有限公司；普通硅酸鹽水泥(42.5、42.5R、52.5、52.5R)：新疆屯河水泥有限責任公司；水洗砂、石英砂：烏魯木齊市瑞達石英砂廠；水：飲用水，符合JGJ63—2006《混凝土用水標準》；粉煤灰：Ⅰ級，新疆瑪納斯發電有限公司。

2.2 儀器設備

SHBY-40型標準恒溫恒濕養護箱(河北萬諾試驗儀器有限公司)；TYA-300B Ⅰ型微機控制恒加載抗折抗壓試驗機(無錫新路達儀器設備有限公司)；DW-40型低溫試驗箱(河北省獻縣恒瑞達建材儀器廠)；HC-2000A型智能粘結強度檢測儀(北京海創高科科技有限公司)。

砂漿抗裂性的快速檢測參照發明專利水泥砂漿開裂性能測試方法(專利號：CN200610000946.3)，作為與保溫板適應性的判斷依據，其他性能執行標準SL352—2006《水工混凝土試驗規程》，抗裂砂漿的評估結合保溫板上砂漿開裂一般前3 d發生和進行下道作業防護的情況，以測試3 d性能為準。

2.3 抗裂砂漿適配性

本研究下的抗裂砂漿根據多年施工應用情況，將水膠比定為22%，配合比設計如表1所示。

表1 抗裂砂漿設計配合比

2.3.1聚合物乳液

聚合物乳液的添加不僅可以減少用水量，而且聚合物乳液在水泥水化時失水形成聚合物膜，與水泥漿體呈連續相，改善了硬化水泥砂漿的物理組織結構與結構內應力，大大減少了微裂縫出現的可能性。同時，聚合物纖維越過裂縫，起到架橋和填充作用，限制了裂縫的蔓延，切斷其與外界的通道，填充了空隙，從而使砂漿抗裂性、粘結強度、抗碳化、抗滲和抗氯離子滲透能力均得到極大提高。

本文以自制乳液(A)和常用聚合物乳液丙烯酸共聚乳液(B)為試驗乳液，每種原材料摻量以設計配合比為準，結果如表2所示，不同聚合物乳液對砂漿開裂性的影響如圖5所示。

(7)檢測防暴車轉向性能。結合利用汽車轉向盤的轉向力測試儀與BQDC100-8型機動車流動檢測線，來檢測防暴車的轉向性能。

表2 不同聚合物乳液對性能的影響

圖5 不同聚合物乳液對砂漿開裂性的影響Fig.5 Effect of different polymer emulsions on cracking behavior of mortar

由試驗數據可以看出，在同等摻量的情況下，乳液A制備的抗裂砂漿較B乳液制備的抗裂砂漿3 d抗壓強度提高15.9%，3d抗折強度提高13.2%，單位面積裂紋情況較少，與保溫板適應性較好。

收縮性是影響抗裂砂漿耐久性能的重要指標，其大小直接關系到砂漿能否在基礎材料上粘結牢固，決定結構能否出現裂縫[10]。乳液摻量對收縮量的影響較大，不同聚合物乳液摻量對性能的影響結果如表3所示，不同聚合物乳液A摻量對砂漿開裂性的影響如圖6所示[11]。

表3 不同聚合物乳液A摻量對性能的影響

圖6 不同聚合物乳液A摻量對砂漿開裂性的影響Fig.6 Effect of A content of different polymer emulsion on cracking behavior of mortar

由表3可知，A乳液摻量為20%時7 d抗壓強度、抗折強度最大，收縮量適中，但從與保溫板的適應性來看，15%的乳液摻量最佳。

2.3.2水泥

為達到高韌性、起強快、強度高，與保溫板適應性強的目標，針對水泥的類型進行一系列試驗，水膠比22%，配合比如表4所示。按照表4配比，不同類型水泥對性能的影響結果如表5所示，不同水泥型號對砂漿開裂性的影響如圖7所示。

表4 抗裂砂漿配合比

表5 不同類型水泥對性能的影響

2.3.3砂子

表6 抗裂砂漿配合比

表7 不同類型砂子對性能的影響

圖8 不同類型砂子對砂漿開裂性的影響Fig.8 Effect of different types of sand on mortar cracking

2.4 與保溫板匹配性驗證

經試驗確定抗裂砂漿配合比如表8所示。按配合比進行配制，涂抹于保溫板上，在無灑水養護條件下，放置3 d，檢測與保溫板的匹配性，結果如表9所示。

表8 抗裂砂漿配合比

表9 與保溫板匹配性試驗結果

3 施工工藝及應用效果

3.1 施工工藝

(1)保溫板基面打磨、清理和補板。使用角向磨光機對保溫板表面已碳化、失去強度部位進行打磨并用吹風機清理干凈，針對缺失、起翹的部位，進行重新補板。

(2)保溫板板間縫處理。用專用柔性膠對保溫板板間縫進行密封處理。

(3)涂抹抗裂砂漿。按規定配合比進行配制抗裂砂漿，總厚度1 cm，采用分塊模式涂抹施工，使長×寬為4 m×6 m，中間預留伸縮縫深×寬為1 cm×1 cm。無水條件下養護3 d，進行下道作業。

(4)嵌填密封膠。保溫板預留縫用低模量彈性密封膠進行嵌填，表面收平。

(5)涂刷聚脲底涂。抗裂砂漿表面進行打磨、清理，涂刷聚脲底涂，要求刮涂均勻不漏點。

(6)鋪設聚酯網格布。待聚脲底涂涂刷完畢，直接鋪設聚酯網格布，聚酯網格布的規格為網眼尺寸5 mm×5 mm。

(7)涂刷單組分聚脲防水涂料。待底涂表干時即可進行單組分聚脲防水涂料涂刷，涂刷時要求涂層均勻無流墜現象，涂刷可分2～3次進行，施工完成后聚脲層表面光滑，厚度為(1.5±0.2)mm。

3.2 應用效果

經過壩后保溫板板縫填充，表面抗裂砂漿的涂抹、分縫和嵌填彈性密封膠，抗裂砂漿表面單組分聚脲防水涂料的耐久性防護，結果顯示該措施可以顯著改善大壩混凝土表面及內部的溫度分布，形成變幅很小的較穩定的大壩溫度場，減小保溫板的溫度變形，防止表層出現開裂現象，保證壩體的安全運行。在其表面刮涂聚脲防護層后，其抗老化性能顯著提高，并對冰拔、冰推和冰撞等凍害起到有效的緩解作用，提高混凝土大壩的耐久性。實際應用效果如圖9所示。

圖9 施工1年后運行效果Fig.9 Operation effect after one year

4 結束語

以新疆某水利工程壩后混凝土保溫層防護工程為研究對象，采用自改性聚合物抗裂砂漿、單組分聚脲防水涂料等材料，通過分縫嵌填+表面逐層漸變釋放應力的方式，研究其抗裂防凍害應用效果。結果顯示，在無養護條件下，水膠比22%、粉煤灰(Ⅰ級)摻量10%、單位用水量13 kg/m3、減水劑摻量2%、水泥P.O 42.5R、石英砂(細度模數為2.3)的抗裂砂漿，3 d抗壓強度25.3 MPa、抗折強度5.1 MPa，與保溫板適應性好，適用于嚴寒地區水工建筑物混凝土表面保溫防護。

嚴寒地區保溫板抗裂砂漿的適應性和匹配性至關重要，水工建筑物保溫層的防護需采用“逐層漸變柔性釋放應力”的施工組合方式，方能達到預期效果。