滲透結晶型防護技術在混凝土表面防護中的運用

王華學 ， 邊 旻

(1.長江委陸水試驗樞紐管理局樞紐工程管理中心，湖北 赤壁 437300；2.湖北世紀鼎騰水利水電工程有限公司，武漢 430000)

南水北調中線工程效益日漸凸顯，丹江口水庫大壩也將彰顯出水源地的龍頭作用。為加強丹江口大壩防護、提高混凝土耐久性，增強大壩新、老混凝土(大壩加高前后)表面整體協調性，建設生態綠色大壩、提升工程整體形象，2021年4月起，長江水利委員會南水北調中線水源有限責任公司開始實施丹江口大壩混凝土表面防護工程。

本工程采用滲透結晶型防護材料進行施工，這是目前混凝土防護涂料中較為先進的一種新型材料。它是美國CTI提供的一種大壩混凝土防護材料，該混凝土超級防護涂層系統由AC-1、AC-1+、AC-2、AC-2+組成，通過滲透作用，以實現密實縮小混凝土表層毛細孔和密封混凝土表面的目的，從而實現混凝土的整體防護性能，集抗裂性、抗滲性、增固性、耐磨性、抗碳化、防腐蝕、呼吸性為一體。

通過該技術在丹江口大壩混凝土表面防護工程中的實踐運用，客觀、真實地介紹施工過程中的工藝流程、材料組合、技術要求、質量把控、材料優劣比較及改進建議。

1 工程簡介

1.1 丹江口水利樞紐

丹江口大壩位于湖北省丹江口市漢江與丹江匯合口下游1.5km處，丹江口水利樞紐由兩岸土石壩、混凝土壩、升船機、發電站等建筑物組成。1958年9月正式開工建設，初期規模于1973年建成，后期大壩加高工程開始于2005年，2013年通過蓄水驗收。大壩加高(14.6m)后，樞紐由左岸土石大壩(長1 424m)、河床混凝土大壩(長1 141m)、右岸土石大壩(長877m)及岸邊組成，總長3 442m。丹江口水庫是南水北調中線水源工程的源頭工程。

混凝土大壩分為58個壩段，自右向左分別為：右岸聯接壩段(右13～右1，1～7)，長339m；泄洪深孔壩段(8～13)，長144m；溢流表孔壩段(14～24)，長264m；廠房壩段(25～32)，長174m；左岸聯接壩段(33～44)，長220m。混凝土壩全長1 141m。

右岸(續建工程)土石壩與右岸混凝土壩右5、右6壩下游面橫縫處正交聯接，全長877m。左岸土石壩由5個不同半徑的園弧段和若干個直線段所組成，全長1 424m[1]。

1.2 丹江口大壩混凝土表面現狀分析

丹江口原有大壩建設于上世紀50年代末，歷經60多年的風雨滄桑，伴隨著大氣中有害的氣體、酸雨、油煙等污染和化學反應，混凝土表面形成局部老化現象，加高部分新建混凝土和舊混凝土結合處差異性明顯。

(1)混凝土表面侵蝕較嚴重。混凝土結構體長期暴露在大自然中，接觸氧化物、二氧化碳、水份等物質，鋼筋頭長期外露，破壞鋼筋鈍化保護膜，表面風化、剝蝕、碳化現象較為嚴重。

(2)混凝土堿性值降低。混凝土裸露在自然界中遭受雨水、紫外線、油污等的侵蝕，使混凝土逐漸失去堿性，日趨中性化，混凝土表面出現疏松情況。

(3)混凝土外觀形象較差。混凝土表面長期承受日光照射、氣溫變化以及雨水沖刷，表面青苔、雜草較多，灰塵沉積厲害，污物水痕較多，自潔效果差。

1.3 混凝土表面防護工程建設范圍及規模

大壩上游面防護部位包括高程162.0m以上混凝土表面；下游面防護部位包括左聯壩段、廠房壩段、溢流壩段、深孔壩段、垂直升船機排架柱、右聯壩段；土石壩防護包括左右岸土石壩防浪墻、人行道及下游混凝土隔墩；壩頂混凝土防護除壩頂地面、道路、綠化外的混凝土欄桿、樓梯、電梯井等混凝土表面。施工總面積約13.09萬m2。

1.4 主要工作內容

(1)表面清理：包括對涂刷施工的混凝土面灰塵、污漬、污垢、灰渣等的處理；混凝土結構輪廓陽角線條的處理。

(2)缺陷修復，包括裂縫處理，錯臺、掛簾的處理，表面蜂窩、麻面、氣泡密集區的處理；混凝土面外露鋼筋頭、鋼管件頭的處理。

(3)混凝土表面排水孔洞引排處理。

(4)涂料施工：按照樣板試驗成果及設計技術要求進行AC-1和AC-2+涂料噴涂[1]。

2 透滲結晶防護技術簡述

2.1 透滲結晶防護材料

美國CTI的CO-MA-SEAL?AC混凝土抗碳化防腐涂層由AC-1和透明面涂AC-2組成，是通過滲透作用帶動一系列的物理和化學交鏈反應，以密實縮小混凝土表層的混凝土毛細孔和密封混凝土表面為目的，從而實現混凝土的抗碳化的性能。

CO-MA-SEAL?AC混凝土抗碳化防腐涂層AC生成的硅晶體能保持混凝土自由呼吸，且不會剝落。還具有很強的混凝土補強的作用，對混凝土被腐蝕而起砂起塵的粉化表面有很強的修復能力。該材料為無機物硅晶體，具有較長的使用壽命，且更環保，VOC趨零。

2.2 AC系列涂層作用原理

(1) AC-1作用機理

AC-1能深滲透進混凝土表層，起到密實混凝土表層毛細孔作用，施工后的混凝土表層集抗裂性、抗滲性、增固性、耐磨性、抗碳化、防腐蝕、呼吸性為一體。

①產生硅化反應的機理：AC-1的活性物質滲透到混凝土內部與混凝土中的物質產生化學反應，生成大量凝膠，通過密實混凝土的毛細孔使水、二氧化碳、酸雨等侵蝕介質失去了進入混凝土內部進行破壞的通道，從而實現和結構融為一體的防護層。

②與二氧化碳交聯反應：生成疏水結構的晶體嵌入滲透層，進一步增強防水性能和密實性能。

(2)AC-2作用機理

AC-2更偏重于在混凝土表面生成致密的硅晶膜，故其滲透能力較AC-1低，但表面硅晶體成膜能力較AC-1強，其形成的結晶膜能牢牢的固結在混凝土表層，從而進一步增強涂層的整體防腐性能，使涂層更致密、更耐污，抗雨水、二氧化碳、酸雨等侵蝕介質的能力更強，抗沖擊、抗老化性能進一步增強。

2.3 AC無機防護材料的性能優勢

(1)獨一無二的“結合”——硅化作用。AC涂層體系超耐久的秘訣在于它與混凝土基面的硅化作用，與混凝土基面發生化學結合并可滲入基面約3mm，形成防水、防酸的硅化石表層，與混凝土基面牢固地結合為一體，具有較長時間的使用壽命。

(2)優異的防水性能。AC涂層體系中的AC-1和AC-2分別都可以作為專業級防水材料使用，二者疊加后防水性能更加出色，可以有效的阻止碳酸鈣根離子、硫酸根離子、氯離子等腐蝕性物質以水為載體，向混凝土內部滲透而產生腐蝕。

(3)防水的同時讓建筑物“自由呼吸”。AC涂層的反應生成物結晶硅，其水化后留有透氣不透水的微氣孔，故具有優異的透氣性。

(4)卓越的防塵自潔、耐污、無菌無霉、可以沖洗。AC涂層能抗酸，不產生靜電，吸引塵埃而堆積成污物，并且涂層致密，可以沖洗。

同時，AC涂層因屬無機物(不含營養素)，能防止菌類及苔蘚生長，具有堿的特性及高呼吸力，使建筑物表面保持干燥而避免細菌滋生。

(5)無毒無味、環保。AC沒有任何毒性，VOC含量極低，對人體、環境和生物均沒有危害。

3 滲透結晶防護材料在丹江口大壩工程中的實踐運用

3.1 施工過程中的實踐運用

(1)樣板試驗實踐

為達到根據實際處理效果對材料、施工工藝進行優化、改進，了解新材料性能、施工工序與工藝、材料用量、涂飾工具、質量缺陷預防措施等情況，培訓能熟練掌握該材料施工技能的合格施工人員的目的，本工程按照設計要求及承包合同對丹江口大壩局部壩段(右4壩段下游斜面、防浪墻右0+470～0+485斷面、右3壩段下游斜面)進行了近1個月的混凝土樣板試驗，試驗過程中采用底涂AC-1、中涂AC-1+、面涂AC-2，和底涂AC-1、中涂AC-1、面涂AC-2+兩種不同的組合方式在不同的部位進行，根據形成產品的外觀質量比較，得出適合本工程運用的材料組合和用量標準，經設計、業主審核，監理批準后在后續施工參照使用。

(2)AC系統組合選用

根據樣板試驗總結結論，AC-1+具有較強的疏水性和表面成膜功能，使用后會阻礙面涂材料的滲透吸收及成膜質量，不適宜用作本工程中涂材料。AC-2+的滲透深度與表面抗沖刷能力等明顯優于AC-2，對大壩表面具有更好的防護作用。更適合本工程面涂材料性能要求。

綜合以上結論，推薦本工程使用底涂和中涂AC-1、面涂AC-2+的涂層組合方式和基本用量標準作為丹江口大壩加高混凝土表面防護工程噴涂施工方法。

AC系統組合見圖1。

圖1 AC系統組合

(3)工藝流程及技術要求

本工程主要工藝流程為：基面清理及缺陷處理→底噴涂AC-1→中噴涂AC-1→面噴涂AC-2+。

基面清理及缺陷處理技術要求：

①采用高壓沖洗機從上至下對基面進行反復沖洗，將附著在混凝土表面的各種污漬、藻類等清洗干凈，基本露出混凝土新鮮基面。

②沖洗完成后對基面缺損、掉塊、孔洞等直徑或深度超過1cm的嚴重缺陷部位采用預縮砂漿進行修復，修復前應確保孔洞內無其他雜質和污漬，再用水泥漿或界面粘結劑將缺陷部位涂刷濕潤，最后用統一調配的預縮砂漿將其修補填平，砂漿應反復揉搓并拍打密實。同步進行鋼筋頭切割、打磨、防銹底漆涂刷等工作。預縮砂漿配比見表1。

表1 預縮砂漿配合比表(體積比)

③用金剛片、千葉片、大理石拋光片等對基面進行整體打磨，打磨時應從下往上依次進行，避免上部灰塵覆蓋下部基面導致打磨遺漏。混凝土主壩及防浪墻上游面采用金剛片和千葉片配合作業；防浪墻頂面及下游立面用500目大理石拋光片拋光；人行道、梯步等用鋼絲刷打磨拉毛。

④整體打磨完成后用泵壓流水進行清洗，對清理不完全或其他需要二次打磨的水痕、銹跡以及缺陷修復應采用彩色粉筆等做好現場標記，進行精細化加工[2]。

混凝土表面沖洗、基面打磨見圖2。

圖2 混凝土表面沖洗、基面打磨

噴涂施工工藝：

①底涂AC-1施工：保證基面干凈、干燥，噴涂時應采取自下而上、水平勻速的方式進行，選用8001金屬扇形噴嘴，噴嘴與基面保持0.3-0.5m間距，噴涂壓力控制在8-10MPa，扇液面寬度控制在25-40cm之間，噴涂時下一道應覆蓋上一道不少于1/2面積，且液流控制在15-20cm左右。噴涂完成自然固化不少于6h后進行中涂施工。

②中涂AC-1施工：與底涂基本一致，只在噴涂速率上稍有提高，中涂施工完成自然固化不少于8h后進行面涂施工。

③面涂AC-2+施工：面涂施工時采用邊噴涂邊滾涂(收液)的方法進行施工，噴涂時縱橫交錯均勻噴涂，噴涂壓力控制在8-10MPa，噴涂速率上要明顯提高，避免產生大量流液，流液即時用沾過材料的半飽和狀態滾筒收液，當滾筒自身開始產生液流就要及時停止施工，將滾筒上多余的材料回收至材料桶內。

AC材料噴涂后效果見圖3。

圖3 AC材料噴涂后效果

噴涂技術要求：

①噴涂溫度應控制在5℃-35℃，夏季噴涂時宜選擇在多云/陰天或晴朗天氣的早晚時段進行，禁止低溫噴涂和高溫暴曬下噴涂。雨雪天氣禁止噴涂。

②每次噴涂前和完工后均應對噴涂機進行反復清洗，避免堵管。噴涂過程中因故必須停機待工時，AC-1材料組停機時長不超過1h，AC-2材料組不超過20min；

③涂料開蓋前先行人工搖勻，開蓋后用電動攪拌器進行充分攪拌，AC-1材料組攪拌時長不低于1min，AC-2材料組不低于2min；

④每次噴涂面積應盡可能寬廣，減少搭接施工縫。噴涂時應在搭接部位放置棉布帶隔離遮蓋，防止重復噴涂影響整體觀感質量。棉布帶寬度不小于20cm，兩次噴涂交疊面寬度不大于5cm。

3.2 施工階段的質量管控

(1)技術交底：施工前由項目技術負責人、工程部和產品生產廠家技術員負責，對作業班組及工人進行了全面技術交底。施工時廠家技術員全程現場指導和監督。

(2)工序驗收：按照施工組織設計和樣板試驗總結以及設計技術標準要求，每完成一道工序，及時請業主和監理檢查驗收，合格后才進入下一道工序施工。尤其是噴涂作業工序嚴格把握作業時的溫度、濕度、風力、作業時間、間隔時間以及天氣變化。

(3)用量控制：①施工單位結合施工組織設計編制詳細的材料使用計劃。②涂料進場后監理組織對其進行清點驗收，對每批進場涂料進行編號。③使用過程中，根據理論涂量和實際涂刷面積核算發放涂料，并及時回收空桶，定期核算使用情況。

(4)環境要求：施工環境溫度適宜在1℃-35℃之間，混凝土表面夏季溫度不超過35℃；相對濕度在10%-90%之間；夏季晴天噴涂施工最好選擇早晚，避免太陽光直射環境溫度高于35℃，施工時應根據當時天氣是晴天，還是多云天，適時調整噴涂作業時間。

(5)質量驗收

①AC-1涂刷質量檢查

用觀察法查看是否有漏噴的局部：AC-1施工后基面顏色有一定的加深，仔細觀察如果有漏噴的局部會比較發淺灰，發淺灰的局部進行補刷。

淋水法：施工3d待凝膠初步固化，基面淋水后觀察基面的返干情況，返干較慢的局部說明材料吸收的不夠，水滲透的更深，所以返干的速度較慢，對此范圍應做好記號，然后等基面返干后局部補刷。

②AC-2+涂刷質量檢查

淋水法：施工3d待凝膠初步固化后，用淋水法，基面淋水后觀察基面的濕痕情況，變色濕痕重的局部說明材料吸收的不夠，做好記號后等基面返干后用滾筒沾少許材料仔細地局部補涂，避免大意導致基面流痕。

儀器法：利用測厚儀進行成膜厚度檢測。或施工7d后可以用熱導儀硬度筆或者硬度筆測基面硬度，比較施工前后的數值變化，越是質量差的基面提升的效果越明顯。

③取樣檢驗：采用大板試塊：用1-3塊10cm×20cm混凝土板，在施工現場同等工藝條件下，與作業面同時噴涂取樣。

3.3 實踐運用中的材料優勢體現

在目前已完成的左右岸土石壩防浪墻、右聯壩、左聯壩等部位的混凝土表面防護單元中檢查發現，AC涂層體系在丹江口大壩加高混凝土表面防護工程實踐運用中效果明顯。

(1)混凝土表面原有的肌理依稀可見，新舊混凝土表面顏色從整體看大致均勻。

(2)混凝土表面無錯臺和陡坎，無蜂窩、麻面、氣泡孔洞現象，無殘留混凝土砂漿塊，外露鋼筋頭和其他金屬埋件已做處理。

(3)保護涂膜在正常條件下無起皮、脫落、變色現象。表面施工成膜后，具有透明啞光光澤，顯露混凝土的本色與自然肌理施工前后混凝土表面情況對比見圖4。

圖4 施工前后混凝土表面情況對比

3.4 AC涂層體系在混凝土表面防護運用中的問題分析

(1)AC涂層體系經過底涂、中涂、面涂3次噴涂后，受其材料性能影響，混凝土表面仍存在高壓沖洗、錯臺處理及打磨后的痕跡。

(2)受其AC涂層體系規定用量影響，實際施工過程中，存在噴涂量過多或過少，噴涂搭接過多等現象，出現搭接處顏色和其他部位表面顏色不夠協調。

(3)質量檢測手段受限。對于本材料滲透厚度、表面成膜厚度現場無法測定，檢測的手段較為原始，科學數據支撐欠缺。

4 結 論

(1)AC涂料和施工工藝在江口大壩加高混凝土表面防護工程實踐運用中達到了清水混凝土透明保護涂飾的要求，透明清晰，成混凝土本色，表面干凈整潔，新舊混凝土表面顏色基本一致。

(2)AC涂料系新材料，使用的為新工藝，采用的是新方法。對加強丹江口大壩防護、提高混凝土耐久性，增強大壩新、老混凝土表面整體協調性，建設生態綠色大壩、提升工程整體形象起到了良好的示范作用。

(3)AC涂料在實踐運用過程中也有一定的局限。一是受原混凝土表面本身外觀質量的影響，加上自身清水混凝土防護飾材的特性，施工后的外觀質量或多或少有些影響。二是采用觀察法、淋水法、大板取樣法等方法對工程進行質量檢驗，距利用先進的儀器設備、完善的檢測手段、準確的數據分析來判斷質量優劣還有一定的差距。