潮濕環境混凝土修補技術在密云水庫閘墩裂縫修補中的應用

(北京市密云水庫管理處，北京 101512)

水利工程建設過程中，由于建設時期地質條件復雜、勘察設計出現偏差、施工操作不當、工作環境差等因素，混凝土工程經常會出現一些缺陷，例如裂縫、表層脫落等。尤其是長期浸泡在水下或者處在水面邊界上的橋墩、閘墩、大壩、港口等水下混凝土建筑物極易因為水流沖刷和冰凍侵害造成比較嚴重的破壞，其中裂縫是最為常見的一種破壞。水下混凝土裂縫的存在，勢必影響混凝土的強度和耐久性，甚至會引起嚴重的滲漏，影響到建筑物發揮正常作用和安全使用。因此，必須對水下混凝土裂縫缺陷進行修復處理。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

密云水庫位于北京東北部密云區境內，是潮白河水系的一項重要控制工程。密云水庫總庫容43.75億m3，屬于大(1)型Ⅰ等工程。密云水庫自1960年建成以來，在供水、防洪和發電等方面發揮了巨大效益，水庫總體運行情況良好。

密云水庫的主要泄水建筑物是三個溢洪道和幾個隧洞，其中第一溢洪道是隨水庫一起修建的最早的泄水建筑物之一。密云水庫第一溢洪道為河岸深孔式溢洪道，由引渠、閘首和泄槽組成。閘首為平底坎帶胸墻結構，5扇10m×6m鋼制弧形閘門架設在4座寬度2.2m的閘墩和兩個邊墩上，總寬58.8m，底板高程140.0m，目前蓄水位144.0m。設計洪水位157.5m，泄流量4300m3/s；校核洪水位158.5m，泄流量4490m3/s。

1.2 第一溢洪道閘墩滲漏情況

2017年8月30日，工程檢測人員在日常巡視檢查中發現，密云水庫第一溢洪道2號中墩右側墩體出現集中滲漏現象。現場觀測為點狀射流漏水，漏水點共計2處，均位于工作閘門導軌下游一期、二期混凝土接縫處，距底板高度分別為1.08m和1.20m，兩處總滲漏量約0.5L/min。經潛水員潛水查勘、摸排，初步確定上游入滲點位于2號中墩右側閘門導軌一期、二期混凝土結合處。另外，2號中墩右側工作閘門上游存在混凝土表皮脫落現象。第一溢洪道2號中墩右側立面圖如下圖所示。其他幾個閘墩的側導板下游也出現了不同程度的陰濕，認定為側導板一二期混凝土裂縫滲水所致。

2 修補材料

2.1 灌漿材料

目前廣泛應用的混凝土裂縫修補方法是高壓灌漿，灌漿材料有水泥漿、化學漿等，不同的灌漿材料對裂縫修補的效果和應用環境是不一樣的。水下混凝土裂縫灌漿材料與干燥混凝土裂縫灌漿材料不同，它既需要具有一定的親水性，以便可以很好地與潮濕的混凝土界面結合，又需要具備一定的強度。一般單一的灌漿材料很難在兩方面都達到較高的水平，因此往往采用兩種或兩種以上的高分子有機材料進行混合，充分利用它們各自的最優特性。在密云水庫第一溢洪道閘墩裂縫修補過程中，采用了高分子SK-E環氧樹脂化學灌漿材料。

SK-E環氧樹脂灌漿材料對潮濕混凝土界面具有很好的附著力，這是因為液態的環氧樹脂在水下也如在干燥表面一樣，可以代替空氣與潮濕混凝土表面形成強極性鍵，這樣就可以吸收掉混凝土裂縫中的水分，解決灌漿材料和層面黏接不牢的問題。環氧樹脂灌漿材料分為A組分和B組分，A組分分子包含多個極性鍵極性鍵，可與水的羥基形成強極性鍵，從而可以與高表面能的混凝土裂縫緊緊地黏接在一起；B組分本質上是一種高分子固化劑，可以促進漿液快速固化，達到既定強度。使用時要將A組分和B組分按照一定比例充分混合，通過調節A組分和B組分的混合比例決定漿液的黏稠度和初凝時間。該工程根據裂縫的寬度和需要凝固的時間設計環氧樹脂的A組分和B組分的比例為10∶1，混合后的SK-E環氧樹脂灌漿材料技術指標見表1。

表1 SK-E環氧灌漿材料技術指標

2.2 環氧砂漿

環氧砂漿是采用高分子環氧樹脂為黏結劑，將其與骨料(石英砂)固結而形成的砂漿，它同時具有高分子和無機材料的綜合性能。通過選擇不同類型的樹脂品種和骨料配比可以得到具有不同性能的砂漿，同時還可以通過固化劑用量調節它的固化時間。YEM環氧砂漿技術指標見表2。

YEM環氧砂漿以YEM環氧樹脂作為膠結料，其固化產物的性能可在較大范圍內調節，既可以制備高強度混凝土，也可以制成增韌環氧砂漿甚至是彈性環氧砂漿，其固化速度也可通過加入不同的固化劑來調節，同時還可以很好地適應潮濕混凝土界面的修補。YEM環氧砂漿的高強度黏結性可以保證其在水位變化區混凝土修補中抗沖刷、抗干濕變化，因此被廣泛應用于橋墩、閘墩、港口、大壩的水位變化區混凝土破壞部位。

表2 YEM環氧砂漿技術指標

2.3 聚脲

聚脲是由異氰酸酯組分與氨基化合物組分反應生成的一種彈性體物質，因其具有優異的理化性能，極高的抗張抗沖擊強度、柔韌性、耐磨性、防濕滑、耐老化、防腐蝕和良好的黏結力，所以被廣泛用于化工防護、管道防腐、隧道防水、大壩維護、橋梁防護、基礎加固、護舷制造等方面。聚脲的種類有很多，根據工程量和工期，可以選用黏稠度不同的噴涂型、刮涂型和澆注型聚脲。對于工程量較小而且工期緊張的工程，一般選用施工機動性強的刮涂型聚脲，刮涂型聚脲設計技術指標見表3。

表3 刮涂型聚脲技術指標

3 施工工藝

密云水庫第一溢洪道閘墩裂縫修補工程才去的工藝流程為：施工準備→縫面刻槽及布孔→埋管連通性檢查→化學灌漿→表面清理→表面聚脲封閉→質量檢查及驗收。

3.1 滲流通道查找

沿裂縫或滲水施工縫走向兩側或騎縫設置一排灌漿孔，孔間距0.3m左右，孔深、角度以和縫面相交為準，待鉆孔結束后沿縫走向采用鑿一條寬、深2～3cm的“U”型槽，用高壓水將灌漿孔和“U”型槽內及混凝土表面的灰塵、浮渣及松散層仔細清除，并用高壓氣沖洗干凈后，采用速凝水泥防滲材料對“U”型槽進行封閉。縫面清理刻槽處理后，在灌漿孔口阻塞灌漿管，為了便于觀察滲漏通道，采用無機顏料品紅溶液進行壓水試驗。壓水壓力控制在0.2MPa以下。壓水順序為先壓較低位置的孔再依次上移，先壓深孔后壓淺孔。當看到紅色的品紅溶液依次從各孔滲出時，觀測各孔的出流量及暢通情況，判定各孔之間的連通情況。對漏水部位進行記錄，并進行封閉處理。

3.2 灌漿處理

灌漿前用高壓氣吹凈孔內積水，根據裂縫寬度和實驗室確定的漿液配比嚴格配合環氧樹脂的A組分和B組分，充分攪拌后倒入灌漿機中進行灌漿。為防止漿液在空氣中發生初凝，配制環氧樹脂漿液應遵循少量多次的原則。每次配漿量要與灌漿機灌漿速度相應，避免因灌漿時間長造成配制漿液停放時間長，漿液粘度增大，導致灌注困難，影響灌漿質量[1]。灌漿過程中，如發現所配環氧樹脂漿液粘度變大，已經發生初凝現象，應重新配制漿液，不得用稀釋劑稀釋漿液。

化學灌漿均采用孔口封閉，進行純壓式灌漿。化學灌漿壓力初步按照0.2～0.3MPa進行控制，隨著灌漿時間的推進，灌漿壓力逐步升高，并控制進漿速度。現場根據情況進行調整，最大灌漿壓力不超過1MPa。灌漿應按照灌漿孔由低向高、由深至淺的順序進行灌漿。根據壓水試驗結果，如存在特別暢通灌漿孔，則首先進行灌注，待相鄰排氣孔排出濃漿時，將該排氣孔封閉，繼續灌注，直至最后排氣孔出漿該孔灌漿結束。灌漿工作必須連續進行，不得中斷，如因特殊緣故中斷灌漿，應盡快恢復灌漿。如果恢復灌漿時間隔時間較長時，應采用新鮮漿液進行灌注。化學灌漿外漏時，暫停灌漿，對滲漏部位外部采用速凝材料封堵，停止滲漏后逐級升壓至灌漿結束。

灌漿過程中，通過漿液擴散擠壓排除滲水、滲漿情況，判定灌漿效果，必要時進行補充鉆孔和灌漿。灌漿采用的改性環氧樹脂漿液具有較好的潮濕固化性能，具有親水不混水性能，壓力條件下可將裂縫中積水排出[2]。灌漿效果檢查及判定以混凝土表面排水、排漿后，不再有滲水現象、不影響聚脲刮涂為合格。

3.3 環氧砂漿修補混凝土剝蝕面

對于閘墩水位變化區出現的混凝土剝蝕情況應采用電錘對剝蝕混凝土進行表面清除，將混凝土表面的水生植物苔蘚等清除干凈，露出新鮮的混凝土基面，并用清水清洗及風干表面[3]。在混凝土基面上涂刷專用潮濕面界面劑，按照實驗室確定的配比配制環氧砂漿進行壓實抹平，保證和舊混凝土面保持平整。環氧砂漿攤鋪完畢后要立即壓抹并一次抹平，避免反復抹壓造成已壓實的環氧砂漿松動。遇有氣泡時應刺破壓緊，保證表面密實。

3.4 聚脲封閉表面裂縫

為減弱水流對環氧砂漿和灌漿材料的破壞作用，需要用聚脲對表面裂縫和環氧砂漿進行封閉處理。化學灌漿后待環氧樹脂初凝，切除表面灌漿管，用角磨機對基面混凝土進行打磨，打磨寬度為表面裂縫兩邊各不少于12cm，用高壓水槍沖洗表面的灰塵、浮渣。混凝土基面打磨處理后，清洗及風干表面，涂刷專用潮濕面界面劑，涂刷要求薄而均勻，無漏涂，待界面劑初凝后，用刮刀刮抹第一層聚脲，并黏貼一層胎基布。胎基布是一種高韌性的網格纖維，具有很高的抗拉強度，可以適應混凝土裂縫的變形。粘貼胎基布后間隔4～6h，施工第二層聚脲，依次施工，至四到五遍，最終聚脲厚度達到2mm。

4 施工質量檢測

4.1 灌漿效果檢測

灌漿結束24h后，對灌漿孔進行壓水試驗，維持壓力0.1MPa，表現為各灌漿孔均不進水即為合格。采用聚脲封閉裂縫表面，養護2d后，聚脲表面黏接牢固，無鼓包、滲水現象即說明滲水裂縫已通過灌漿封閉[4]。否則，用小刀割開聚脲，對滲水部位進行重復灌漿封堵。SK-E環氧樹脂灌漿施工質量檢測結果見表4。

經質量檢測，灌漿過程連續進行，未發生過因設備故障等原因造成的中斷現象，保證了灌漿質量。灌漿過程中，由于施工溫度遠低于試驗溫度，導致環氧樹脂初始粘度偏大，適當減少B組分的比例，降低其粘度，但是固化時間相應增加。灌漿時充分排除了裂縫內的積水，使漿液和潮濕界面充分黏接，漿液充滿裂縫。養護后漿液與原混凝土融為一體，抗拉抗壓強度達到設計要求。經過壓水檢查各灌漿孔不進水，聚脲封閉后查看聚脲表面無鼓包、無滲水，說明環氧樹脂灌漿合格。

表4 SK-E環氧樹脂灌漿施工質量檢測結果

4.2 環氧砂漿修補剝蝕面效果檢測

環氧砂漿施工完畢，進行目測或敲擊檢查，修補后的基面應無裂紋、空洞、空鼓、松動、蜂窩麻面等缺陷，并且環氧砂漿修復面應和原混凝土面平整銜接。養護3d后，在局部進行環氧砂漿抗拉抗壓和黏結度試驗，實驗結果見表5。

表5 YEM環氧砂漿施工質量檢測結果

經質量檢測，環氧砂漿能與原混凝土平整銜接，無鼓包和凹陷，無裂縫、空洞、蜂窩麻面等缺陷。由于施工溫度遠低于實驗室溫度，環氧砂漿的凝固時間加長50%，但是抗拉和抗壓強度均能滿足設計要求，與潮濕界面的黏接強度也能滿足要求。

4.3 聚脲封閉表面裂縫效果檢測

聚脲封閉施工過程中，應對施工范圍劃線，確保施工規范、美觀。基面處理和界面涂刷質量進行目測檢查，基層應無油污、灰塵、污物、浮漿和松散的表層；涂刷的界面劑應均勻、固化正常、無漏涂、無堆積；聚脲涂層應均勻涂敷，涂層厚度應滿足設計要求；外觀應顏色均勻、平整、無流掛、無漏涂、無針孔、無起泡、無開裂、無異物混入[5]。SK刮涂型聚脲施工質量檢測結果見表6。

表6 SK刮涂型聚脲施工質量檢測結果

經質量檢測，SK刮涂型聚脲施工質量良好，外觀平整，顏色均勻，無流掛、無漏涂、無針孔、無起泡、無開裂、無異物混入等缺陷。但是由于施工溫度低于實驗室溫度，固化時間略有增加，抗拉抗壓強度、斷裂伸長率、黏結強度和硬度均能滿足設計要求。

5 結 語

由于閘墩長期浸泡在水下，潮濕的混凝土界面對于裂縫修補是一項挑戰，密云水庫第一溢洪道閘墩滲漏封堵工程采用可以和潮濕混凝土界面進行良好黏接的高分子環氧樹脂灌漿材料封縫，再配合環氧砂漿修復潮濕混凝土表面筑造缺陷，最后采用可以和潮濕界面水分子形成強極性鍵的聚脲進行表面封閉，有效地解決了潮濕混凝土裂縫修補的難題。該技術采用具有強極性鍵的高分子材料與高表面能的潮濕混凝土界面進行良好結合，達到了封堵潮濕混凝土裂縫、恢復混凝土原有強度的效果。修補沒有再發生滲漏現象，工程運行狀況與閘墩修補之前無異。

[1] 張捷.混凝土缺陷水下修補技術[J].大壩與安全,2004(51):8-13.

[2] 戴理高.對混凝土大壩水下裂縫修補技術的探討[J].水利水電,2009(8):227-228.

[3] 許乾慰,洪濤,吳毅彬.水下修復材料的研究進展[J].上海塑料,2014(1):14-18.

[4] 石妍,王迎春,李家正,等.復合型水下混凝土裂縫高效修補材料試驗研究[J].人民長江,2011(2):84-87.

[5] 王益國,李國豹,吳友仁,等.混凝土裂縫水下封閉修復技術及其工程應用[J].中國港灣建設,2014(5):5-13.