水泥基滲透結晶性防水涂料在高原高寒地區大壩工程中的應用

劉 昕 鑫，李 建 武，劉 斌

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

瓦托水電站位于西藏自治區昌都市卡若鎮列巴村金河下游約2.5 km處，是金河水電規劃中的第五個梯級。金河流域屬高原溫帶半濕潤季風氣候區，每年11月至次年4月為旱季， 5～10月為雨季，金河流域內冬季氣候寒冷干燥，夏季溫和濕潤，日照較為充足，太陽輻射較為強烈，日溫差大，年溫差小，無霜期短，總的氣候特征是空氣較為稀薄，氣壓低，氧氣少；高原紫外線強烈，氣溫偏低，旱季雨季分明。

工程區多年平均氣溫為7.6℃，實測最高氣溫33.4℃，發生在1972年；實測最低氣溫為-20.7℃，發生在1982年。壩址區最大凍土深度為0.8～1 m，最大風速18 m/s(相應風向SE和NW)。

綜上所述，工程所在地由于處于高原高寒地區，受地理氣候條件等因素影響，具有氣壓較低、日照強烈、平均濕度較低、平均氣溫較低、溫差較大等明顯特點。

瓦托水電站大壩為常態混凝土重力壩，壩體混凝土總方量為27.8萬m3。為提高大壩整體防滲效果，施工過程中采取了在大壩上游面涂刷水泥基滲透結晶性防水涂料的方案。水泥基滲透結晶性防水涂料是一種含有活性化合物的粉狀防水涂料，主要由滲透結晶型活性劑、二氧化硅、硅酸鹽水泥等化學物質組成，其為粉末狀材料，是一種新型永久型剛性防水材料，在大面積混凝土和砂漿面的防水應用中具有無可比擬的優越性[1]。由于工程所在地的地理位置特殊，氣候條件惡劣，高原高寒干燥的施工環境給該材料的使用帶來了很大的困難。為了克服這些困難，施工過程中，通過多次現場試驗并采取多種有效措施，最終確保了該材料的有效應用，取得了較好的效果。筆者詳細介紹了水泥基滲透結晶性防水涂料在高原高寒地區大壩工程中的應用情況。

2 水泥基滲透結晶性防水涂料的基本原理及其對混凝土大壩的主要作用

(1)基本原理。水泥基滲透結晶型防水涂料的特點是全方位自動結晶滲透，所生成的晶體能深入封堵混凝土和砂漿結構內部的孔隙，改善其內部結構，防水具有永久性，無水時處于休眠狀態，一旦有水滲入，能夠生成新的晶體進行封堵，具有對新生成的細小裂紋自動修復的功能，沒有老化期，防水性與結構同壽命[2]。

(2)水泥基滲透結晶性防水涂料對混凝土大壩的主要作用。

①自動修復表層細小裂紋，堵塞滲漏通道。在水利水電工程中，當下閘蓄水完成后，大壩上游迎水面大部分將浸泡在水庫之中，如果壩體表面存在細微裂縫，受大溫差、水位漲落及水力侵蝕影響，這些裂縫會不斷向內發展，對壩體結構造成持續性破壞，形成滲漏通道，降低大壩混凝土的耐久性。根據水泥基滲透結晶型防水涂料的基本特點，該材料在遇水涌入時會生成晶體，從而自動對混凝土表面的細小裂紋進行修復，及時堵塞滲漏通道，避免壩體受到進一步破壞，起到了良好的防水防裂縫作用。

②改善施工縫及結構縫的薄弱區域，形成整體效應。瓦托水電站大壩壩體為重力式大壩，混凝土壩共分為10個壩段，均采用常態混凝土，澆筑施工過程中采用了翻升模板施工工藝。根據壩體結構特點，共設置了9條縱向結構縫。同時，根據施工組織設計，壩體強約束區按照1.5 m進行分層，其他部位按3 m左右進行分層，每個壩段施工縫均在20條以上。由于壩段間及上下層施工均存在時間差，先澆塊與后澆塊混凝土收縮存在明顯差異，特別是在高原高寒地區，這種差異更加明顯。因此，這些分縫部位不可避免地成為壩體滲漏的薄弱區域。通過在壩體上游涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料，各分縫均被一層完整涂料包裹。同時，該涂料與上游壩面混凝土發生化學反應形成整體面層，從而起到了消除分縫的作用，有效地解決了分縫薄弱區域的滲漏問題。

③外表面形成防凍封閉層，減輕了寒潮對混凝土結構的直接影響。瓦托水電站工程所在地高程為3 300 m左右，全年整體氣溫較低，日溫差大。根據現場統計數據，單日溫差最高可達23℃以上。按照工期安排，混凝土施工需要跨越2個冬季。當遇到寒潮或單日溫差過大時，混凝土表面長時間受到反復凍脹破壞，會對混凝土結構造成較大影響。根據混凝土冬季施工措施，大壩混凝土施工完成后主要采用4 cm厚 XPS 板保溫，其等效放熱系數不大于 100 kJ/(m2·d·℃)。但XPS板在粘貼過程中，相鄰板之間存在一定縫隙，這些部位的保溫效果往往難以達到預期。同時，受大風天氣影響，部分XPS板粘貼完成后會發生脫落，從而影響該部位的保溫效果。因此，當混凝土澆筑完成后，及時涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料，不僅可以起到防水作用，亦可以起到臨時保溫作用。雖然其保溫效果遠不及XPS板，但及時形成的防凍封閉層可以對保溫板的不足起到一定的補充，從而減輕寒潮等對混凝土結構的直接影響。

④易于修復，提高壩體混凝土的耐久性。受高原高寒特殊氣候的影響，水泥基滲透結晶型防水涂料涂刷在混凝土表面后，即使嚴格按照使用要求進行操作，往往也比其他正常環境下使用更容易出現脫殼掉皮等現象。水泥基滲透結晶型防水涂料作為一種相對較經濟的材料，如果出現這些現象之后，只需對局部進行二次打磨、二次涂刷處理即可，處理難度和成本相對較低。同時，進行二次處理所花的時間較少，及時進行二次處理對混凝土的表面影響相對更小，從而有利于提高壩體混凝土的耐久性能。

⑤表面光潔，能夠提升大壩的美觀效果。按照設計技術要求，水泥基滲透結晶型防水涂料在涂刷前需要對混凝土表面的外觀缺陷(錯臺、麻面等)進行處理，淺層裂縫的部位用鋼絲刷進行重點打毛，經過處理后的混凝土表面整體較為平整。涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料后，從外觀面看，可形成一層完整的外殼，沒有施工縫印跡，表面均勻光潔，可大幅度提升大壩的美觀效果。

3 高原高寒氣候環境對防水涂料的影響研究

(1)水泥基滲透結晶性防水涂料效果影響因素分析。瓦托水電站防水涂料的施工時段為2017年3月～2018年7月(其中2017年12月和2018年1月由于氣溫過低，未進行該項目施工)。全年現場記錄的溫度范圍為-5.4℃～28.9℃，平均相對濕度范圍為19.25%～70.86%。其中施工時段內大部分時間溫度在20℃以下，平均相對濕度在50%以下。

現場試驗研究發現：對防水涂料影響最大的兩個因素主要為氣溫和相對濕度，其中低溫環境條件主要會對第1層涂料初步固化時間造成影響，干燥的環境條件主要會對達到設計抗壓和黏結強度的時間造成影響。[3]

(2)水泥基滲透結晶性防水涂料性能指標試驗研究。為適應高海拔地區特殊氣候條件，確保防水涂料的施工質量，施工前對該材料的的各項性能指標進行了現場試驗研究。為了更接近于工程所在地的實際情況，試驗時現場營造了5組不同的溫度和平均濕度環境，其中溫度分別取了-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃，平均濕度分別取了20%、25%、30%、40%、45%，試驗取值情況與實際施工時段的外界溫度和平均濕度范圍基本相近。

①平均抗壓強度與溫度的關系。試驗選取了5組試件在不同的溫度下進行抗壓強度測試，其中環境溫度在5℃以下時，試件的平均抗壓強度與溫度關系十分密切，呈正相關，最小平均抗壓強度為13.43 MPa，最高平均抗壓強度為22.54 MPa。當環境溫度上升到5℃以上時，試件的平均抗壓強度與溫度仍然呈正相關，但隨溫度上升其增長的速度明顯放緩。

②平均濕基面黏結強度與溫度的關系。試驗選取了5組試件在不同的溫度下進行濕基面黏結強度測試，其中環境溫度在5℃以下時，試件的平均抗壓強度與溫度關系十分密切，呈正相關，最小平均濕基面黏結強度為0.88 MPa，最高平均濕基面黏結強度為1.19 MPa。當環境溫度上升到5℃以上時，試件平均濕基面黏結強度與溫度仍然呈正相關，但隨溫度上升其增長的速度明顯放緩。

③第1層涂料初步固化的平均時間與溫度的關系。試驗選取了5組試件在不同的溫度下進行第1層涂料初步固化時間測試，其中在試驗溫度范圍內,試件的第1層涂料初步固化平均時間與溫度關系十分密切，呈負相關，第1層涂料初步固化的平均時間最短為1.58 h，最長為2.37 h。

④平均抗壓強度與相對濕度的關系。試驗選取了5組試件在不同的濕度下進行抗壓強度測試，其中在試驗濕度范圍試件的平均抗壓強度與平均濕度關系十分密切，呈正相關，最小平均抗壓強度為21.45 MPa，最高平均抗壓強度為23.53 MPa。

⑤平均濕基面黏結強度與相對濕度的關系。試驗選取了5組試件在不同的濕度條件下進行濕基面黏結強度測試，其中環境平均濕度在30%以下時，試件的平均抗壓強度與平均濕度的關系十分密切，呈正相關，最小平均濕基面黏結強度為1.23 MPa，最高平均濕基面黏結強度為1.25 MPa。當環境平均濕度上升到30%以上時，試件的平均濕基面黏結強度與平均濕度不再有明顯聯系，甚至略有降低。

⑥第1層涂料初步固化的平均時間與相對濕度的關系。試驗選取了5組試件在不同的濕度條件下進行第1層涂料初步固化時間測試，其中在試驗濕度范圍內,試件的第1層涂料初步固化平均時間與平均濕度關系十分密切，呈正相關，第1層涂料初步固化的平均時間最短為1.42 h，第1層涂料初步固化的平均時間最長為1.58 h。

綜上所述，通過現場試驗研究可以發現：在一定的范圍內，溫度越高，固結越快，其平均抗壓強度和平均濕基面黏結強度越高。當氣溫降到5℃以下時，這兩項指標的下降趨勢更加明顯。而第1層涂料初步固化的平均時間隨溫度升高會逐漸縮短。

在一定范圍內，濕度升高會引起平均抗壓強度、平均濕基面黏結強度升高。隨著濕度不斷提高，其平均抗壓強度上升趨勢會逐漸變緩。當達到一定濕度時，平均濕基面的黏結強度將不再繼續上升。第1層涂料初步固化的平均時間隨濕度升高會逐漸變長。

因此，從試驗數據看，溫度越高對水泥基滲透結晶性防水涂料各項性能指標的提升越有利，特別是在5℃以下時更加明顯。平均濕度的高低不同會對水泥基滲透結晶性防水涂料各項性能指標產生截然不同的影響。在高原高寒干燥的特殊環境下，將平均濕度控制在30%以上時，將更有利于提升平均濕基面黏結強度，減少涂刷后掉皮現象的發生。

4 水泥基滲透結晶性防水涂料的主要施工工藝及過程控制關鍵技術

(1)主要施工工藝。水泥基滲透結晶性防水涂料主要施工工藝分為6步，其工藝流程如下：基層處理→基面濕潤→制漿→涂水泥基滲透結晶性防水涂料→檢驗→養護驗收。[4]

(2)施工過程質量控制要點。施工過程中，對防滲涂料影響較大的質量關鍵控制點主要包括涂料的貯存方式、基層處理、拌制、涂刷、低溫時段保溫及養護等幾個方面。簡述如下：

①貯存方式。貯存與運輸時，不同類型的產品應分別堆放，不應與其他物資混雜。材料需置于干燥處，密封保存，避免日曬雨淋，防止受潮。[5]貯存溫度不低于0℃。由于工程所在地氣溫較低，材料均采取室內貯存，使用時再挑選溫度適宜的時間按計劃領用。產品應在規定貯存期內使用完，貯存期自生產之日起開始計算，超過貯存期的防水涂料不得使用。

②基層處理控制要點。由于大壩混凝土上游面采用的是大型鋼模板澆筑，整體表面較為光滑，同時上下層模板之間水平施工縫部位容易出現錯臺等現象。基層處理時，應按照施工方案對每個部位的缺陷進行細致處理，確保基面的摩擦系數并用水潤濕。由于工程所在地氣候干燥，混凝土表面的水分蒸發速度較快，在實際施工過程中，每次對基面的潤濕面積不宜過大，否則應進行二次潤濕，以確保涂刷前基面滿足要求。

③拌制過程控制要點。為便于現場施工，防水涂料的拌制采取現場隨拌隨用的方式。由于溫度太低，拌制方式采取現場拌制，不能一次性拌制過多并盡量采用溫水拌制。另一方面，應嚴格按照試驗報告要求的配合比進行拌制，對現場的容積量測桶應每天進行檢查，保證配料用量準確，每次使用完后應清洗干凈。

④涂刷過程的控制要點。涂刷過程主要應對涂刷的次數、間歇時間、均勻度等進行重點控制。其中涂刷次數根據該材料的使用說明要求為兩遍，但對于局部存在涂刷不均勻、涂層脫落等明顯質量缺陷的部位應進行處理后補涂；兩次涂刷的間歇時間應結合當日的溫度實測情況按試驗報告結果中要求的時間進行控制。涂刷時，第一遍采用長毛滾筒刷，第二遍采用專用半硬的尼龍刷，應一邊涂刷一邊觀察其均勻度，并保證其厚度滿足設計要求。

⑤低溫時段的保溫及養護。在低溫時段，施工應盡量安排在白天，氣溫降至5℃以下前完成已涂刷面的保溫工作。同時，對養護時間進行適當調整，利用白天溫度較高時段進行，夜間不進行養護，以避免結冰。

通過對這些質量控制關鍵要點進行嚴格控制，雖然工程所在地存在溫度低、晝夜溫差大、氣候干燥等不利條件，但最終的施工效果經過檢查均滿足設計及質量標準要求。大壩蓄水后，四方對壩后及壩內廊道進行了聯合檢查，防滲效果較好，未發現明顯的滲水點。

5 結 語

瓦托水電站工程利用大壩施工期同步進行了壩體上游面防水涂料的施工，充分利用了水泥基滲透結晶性防水涂料的特點，實現了提高大壩壩體防滲效果的目的。由于工程所在地高寒高海拔等特殊氣候環境，給該材料的有效應用帶來了一定難度。但通過室內試驗、現場施工過程中不斷摸索總結，形成了一套行之有效的施工工藝，取得了良好的施工效果，積累了寶貴的施工經驗。已經取得的成果將為后期進一步深化研究提供參考和借鑒。