高性能修補材料在高寒地區水電站上的應用
——以牡丹江蓮花水電站為例

張 恒，熊復慧，李險峰

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 工程概況

牡丹江蓮花水電站位于中國黑龍江省海林市三道河子鄉木蘭集村與林口縣蓮花村交界處，距牡丹江市210 km，總庫容42億m3，是黑龍江省最大的一座水電站。該工程設計年發電量7.97 kW·h，是一座以發電為主，有防洪、灌溉、養殖等多功能的水利水電工程。經過20多年的運行，電站尾水閘墩以及邊墻在▽160.00～▽164.00區域內，混凝土表面有不同程度的剝蝕破壞，剝蝕深度5.0～10.0 cm，局部露筋的部位達20.0 cm。依據現場勘查結果及蓮花電站提供的資料判斷分析，造成該工程混凝土表面剝蝕破壞的原因是氣蝕、碳化及凍融等多種因素的復合作用結果：

(1)尾水出口排出的是高水頭下承壓水，泄壓過程中揮發出水中的溶解氣體(主要是CO2)導致氣蝕、碳化作用。

(2)電站機組運行是間歇式運行，尾水水位波動區域大，且在冬季運行期，單位時間內凍融次數增加，進而導致剝蝕破壞面積大，剝蝕破壞程度嚴重。

2 補強加固處理方案

2.1 修補材料的選擇確定

本文中補強加固處理方案對剝蝕缺陷部位采用SB-R型混凝土和SB-R型修補砂漿填充補強，表面涂刷聚脲涂層，剝蝕部位補強處理材料結構見圖1。由SB-R聚合物配置的修補砂漿(混凝土)具有防氣蝕碳化、耐老化、適應變形能力強、強度高、抗滲及抗凍性能優良等優點，抗凍性能達到F300以上。聚脲涂層能夠進一步提高處理剝蝕部位的抗沖磨性能和耐久性能。

圖1 剝蝕部位加固處理材料結構示意圖

SB-R型砂漿(PCC)作為混凝土修補材料可以解決普通水泥砂漿無法解決的問題，如：(1)與舊混凝土界面黏結性問題；(2)無法滿足高強、高性能及抗滲、抗凍等耐久性要求，其力學性能與耐久性能的技術指標見表1。SB-R型砂漿可涂抹、噴涂，SB-R型混凝土還可澆筑水下不分散混凝土。結合噴錨工藝施工，與普通混凝土施工工藝比較，具有工序少、工效高、工期短、綜合造價低、性能優良等特點。

表1 SB-R型砂漿技術指標

手刮聚脲為單組分，分為“抗沖磨型”和“防滲型”兩種?！翱箾_磨型”比“防滲型”材料強度高，硬度大，但延伸率相對較低(大于220%)；“防滲型”材料延伸率大，硬度小，但強度相對較低(拉伸強度大于16MPa、撕裂強度大于40 kN/m)?！翱箾_磨型”和“防滲型”材料的主要技術指標見表2[1-4]。

表2 單組分手刮聚脲的主要技術指標

2.2 處理部位

本次項目處理部位為高程范圍在▽160.0～▽163.0 區域內混凝土表面，主要因為這個范圍內的混凝土屬于尾水閘的主要水位變化區，尾水出口平面尺寸見圖2，受凍融變化的影響混凝土剝蝕非常嚴重，嚴重影響了建筑物的安全運行。

圖2 尾水出口平面尺寸示意圖(單位：m)

3 處理過程、工藝及施工要點

3.1 處理過程

處理過程主要有施工準備(浮排安裝及運送物料支架安裝)、鑿毛處理、鋼筋除銹、打孔置錨筋、基面清洗、界面處理、置掛鋼絲(筋)網、填充聚合物砂漿(或聚合物細石混凝土)、表面罩聚合物砂漿、表面涂刷手刮聚脲[5]。

3.2 處理工藝

(1)懸空腳手架工程。根據工程處理部位與面積進行大面積搭建。

(2)鑿毛處理。主要是處理破損建筑物受剝蝕和侵蝕嚴重的表層，使建筑物的基層指標達到下部工序要求。

(3)鋼筋除銹。對銹蝕的鋼筋結構采用物理方法和化學方法相結合的方式機進行處理，使膨脹銹蝕的鋼筋達到繼續服役的要求。

(4)打孔置錨筋。置錨筋的主要作用是作為鋼絲(筋)網骨架、提高界面抗剪強度，以提高聚合物砂漿、混凝土的整體穩定性。

(5)基面清洗。采用高壓水槍清洗表面浮灰和附著物，降低影響新舊界面黏結的各種不利因素。

(6)界面處理。涂刷或噴涂SB-JM型界面處理劑，以保證新、舊界面黏結牢固。在涂刷的過程中采用飽和涂刷的方式，保證混凝土界面飽滿、均勻的涂刷界面膠，使新老混凝土的黏結強度大幅提高，并通過界面膠的柔性克服新老混凝土在變形方面的不同步性[6]。

(7)置掛鋼絲(筋)網。鋼絲(筋)網置掛應平整牢固，提高新混凝土的抗裂性，以滿足下一工序要求。

(8)填充SB-R型聚合物細石混凝土(或聚合物砂漿)。當SB-JM型界面處理劑進入固化期時，及時采用聚合物細石混凝土覆蓋(或聚合物砂漿)找平。深度大于5.0 cm的部位填充SB-R聚合物細石混凝土，深度小于3 cm的部位采用SB-R砂漿分層填充，表面罩面層找平壓光，保證新界面對水流的沖擊力降低到最小。

(9)手刮聚脲涂層。此種材料具有耐老化，耐化學腐蝕；抗凍，防滲、抗沖磨性能好；強度高、延伸率大，與基礎混凝土黏結好；在零下45 ℃情況下材料仍為柔性等諸多特點。

3.3 施工要點

(1)界面處理。新舊界面的耦合效果對混凝土補強加至關重要，所以必須對老化的混凝土界面進行多次的處理。采用多道工藝處理界面來保證新老混凝土的粘結效果。首先保證破損混凝土鑿出新鮮堅固的界面，然后對其進行清新和表面增強，最后要保證修補材料和界面材料涂抹的均勻沒有空隙產生。

(2)鋼筋處理。為了防止銹蝕鋼筋對混凝土建筑物繼續破壞，必須對其進行除銹處理，以防止因鋼筋銹蝕膨脹引起的混凝土結構破壞。在涂刷除銹劑過程中務必做到均勻與飽滿，分多次進行除銹，知道鋼筋露出新鮮亮面為止。

(3)養護處理。水利工程施工的環境條件相對較差，我們采用的材料對環境的適應性相對較高，但當環境溫度極高或者極低時也需要考慮降溫和保溫等方式進行養護，或者根據實際情況對配合比等條件進行相應的處理。

(4)手刮聚脲施工處理。手刮聚脲是一種單組分材料，由封閉的胺類化合物和異氰酸酯預聚體、各種助劑等組成的液態混合物，采用涂抹、輥涂或刮涂等方法施工，在空氣中水分作用下，封閉的胺類化合物產生端氨基并與預聚體產生交聯點而形成的彈性膜，在防護的建筑物表面形成一種剛柔相濟的保護層。此種材料在涂刷過程中嚴格控制使用溫度和界面條件，降低環境因素對材料使用造成的不良影響[7]。

4 結 語

(1)黑龍江省水利水電工程環境條件惡劣，極易產生各種病害問題，SB-R型纖維修補砂漿(混凝土)等材料能夠克服這些不利因素的影響，提高混凝土的耐久性能，延長水工建筑物的使用壽命。

(2)新型修補材料與技術在寒區水利水電工程的推廣與應用，縮短了工程的施工工期，達到了工程的度汛要求，保障了工程的安全運營，并且提高了工程的外觀質量。

(3)水利水電補強加固工程，特別是在寒區水工建筑物補強加固上，涉及和需要考慮的問題和影響因素很多，它包括工程條件、環境條件、材料的適應性、修復質量和修復效果、綜合造價等多方面因素的影響，通過實踐證明，合理的采用新技術、新工藝、性能優良的新材料對工程進行修復是一種節約工程資金投入、節省施工工期、保證工程質量的一種有效途徑。

(4)高寒地區水利水電工程面臨的氣候條件復雜多變，相應的維護與修復技術也面臨著越來越嚴重的挑戰，對水利水電工程建筑物防護、修補、加固的要求也越來越高，未來水工新材料新技術將會越來越多的應用到工程中去，更會向安全環保、經濟耐用、施工簡單的方向發展，來保障水利水電工程的長治久安。