高速水流沖刷破壞混凝土修補材料及工藝的應用

洪振國，周永林，余瑞麗，楊禮鴻

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

中國水利資源的大量開發利用，水利工程建設取得了巨大成就，水利工程向高水頭、大流量、高流速、含高泥沙水流發展。但是水利水電工程中的高速水流沖刷、泥沙磨損、伴隨空蝕破壞問題是一個長期伴隨工程建設和運行過程的重要的問題，目前《水工建物抗沖磨防空蝕混土技術規范》要求高流速、含高泥沙過流的泄水建筑物采用摻加硅粉、化學纖維或鋼纖維等高抗壓強度和高性能混凝土，但是無法解決高速水流沖刷、泥沙磨損、伴隨空蝕破壞問題，目前金沙江溪洛渡水電站泄洪隧洞、紫坪埔水利樞紐工程泄洪排沙洞、公伯峽水電站泄洪洞等出現了高速水流沖刷、泥沙磨損、伴隨空蝕破壞，嚴重影響著建筑物的安全運行,且每年需投入大量的財力、人力維修。這一課題越來越受到國內外專家的重視[1]，目前史金華等[2]對超高性能混凝土，張云懷[3]對粉煤灰微珠/有機高分子復合材料及其耦聯劑界面作用的研究。但是這些材料目前主要存在修補施工不便、工程量大、費用昂貴，且修補后仍然出現高速水流沖刷、泥沙磨損、伴隨空蝕破壞問題，因此這些材料未能在工程中得到大量的使用。

為確保泄水建筑物運行安全，本文根據泄水建筑物高速水流沖刷泥沙磨損破壞情況，采用相應的沖刷磨損破壞修補方法，破壞修補方法分為小沖坑修補、大沖坑修補、結構縫修補。

1 材料選擇

1.1 小沖坑修補材料選擇

小沖坑指面積小于1 m2或深度小于10 cm的沖坑，在筑建物過水面出現表面沙眼、蜂窩麻面、疏松、剝蝕脫落、露骨等現象。若不及時處理小沖坑，會進一步加重沖刷破壞，嚴重影響水工建筑物的正常運行能力。目前小沖坑修補材料通常選擇常用的環氧砂漿，通過幾十年水利工程應用情況，普通環氧樹脂常常會發生老化變色、粉化、強度等性能顯著下降，無法解決高速水流沖刷、泥沙磨損、空蝕破壞問題，因此不宜選用常用的環氧砂漿作為小沖坑修補材料。

NE-Ⅱ型環氧砂漿是由改性環氧樹脂、環保型活性稀釋劑和親水性脂肪族胺類復合固化劑、粗顆粒耐磨無機填料、抗紫外線填料助劑等組成的新型高分子材料，其主要性能見表1。

表1 NE-Ⅱ型環氧砂漿主要性能指標

聚脲涂料主要原料為脂肪族異氰酸酯、聚醚多元醇、潛型固化劑，主要原料與填料和許多種助劑配制而成，在濕氣室溫進行固化，在整個反應過程中不產生二氧化碳，可成膜任意厚度而不會鼓泡。其主要性能指標見表2。

表2 聚脲涂料技術指標

由表1可知NE-Ⅱ型環氧砂漿具有良好的抗沖磨性能、力學性能、施工性能、抗沖磨性能，施工方便快捷，與混凝土的匹配性良好，具有較低的彈性模量和較小的線性熱膨屬系數，不會出現變形性能不一致的破壞現象，具有良好的抗碳化性能、抗老化性能和耐久性能。由表2可知聚脲涂料具有良好的抗沖耐磨、環保、高強度、耐黃變、抗老化性、防水性，性能穩定，低溫柔性好，與多種基材黏接優良，而且施工簡單，顏色可調，使用壽命長，性價比高，超高耐久性，過流面容易保證平整光滑，是新型的環保型防水防護彈性涂料，更具有較強的抗高速水流沖刷、泥沙磨損、空蝕破壞性能。因此本文小沖坑修補材料選用NE-Ⅱ型環氧砂漿和聚脲涂料是合理的。

1.2 大沖坑修補材料選擇

大沖坑面積大于1 m2、深度大于10 cm 的沖坑，沖坑較深，面積較大，嚴重影響過流水、導流、泄洪等功能，并最終影響水工建筑物的結構安全，進而影響工程程整體結構安全。普通混凝土抗耐磨差，和易性差，水化熱大，抗裂性差，無法解決高速水流沖刷、泥沙磨損、伴隨空蝕破壞問題，因此不宜選用常用的普通混凝土作為大沖坑修補材料。

HF混凝土由HF外加劑、粉煤灰、符合要求的砂石骨料和水泥等組成。HF混凝土的HF外加劑具有減水及改善混凝土和易性，減少水化熱，減少干縮，提高抗裂的作用，能提高混凝土整體強度和均勻性，使混凝土的膠凝產物致密，堅硬、耐磨，改善膠材與骨料間的界面性能，使混凝土形成一種較均勻的整體，提高混凝土抵抗高速水流空蝕和脈動壓力的能力，提高混凝土耐磨性能。HF混凝土主要性能指標見表3。

表3 HF混凝土主要性能指標

由表3可知HF混凝土和易性好，抗裂性好，造價低廉，技術成熟，在水利水電工程中應用于抵抗水流沖刷、泥沙磨損、伴隨空蝕破壞的高性能材料。因此本文大沖坑修補材料選用HF混凝土和聚脲涂料是可行的。

1.3 結構縫修補材料選擇

為避免溫度脹縮、地基沉降和地震碰撞等而在相鄰兩建筑物或建筑物兩部分之間設置結構縫。結構縫通常用瀝青麻絲、瀝青杉板等填筑材料，低溫不脆裂，易老化，與混凝土黏結性差，回彈性不好，結構縫常出現滲漏現象，無法解決高速水流沖刷、泥沙磨損、空蝕破壞問題，因此不宜選用瀝青麻絲、瀝青杉板等材料作為結構縫修補材料。

聚氨酯密封膠以含有氫酸基的聚氨酯預聚體為A 組份，含有活潑氫為填料的固化劑為B 組份，構成雙組份反應型嵌縫材料，雙組份均勻混合后，達到密封止水作用。產品主要特點有常溫下冷作業，操作簡便，施工快速，與混凝土黏結性好，回彈性優良，高溫不流淌，低溫不脆裂，耐老化性良好，其主要性能指標見表4。

表4 聚氨酯密封膠主要性能指標

從表4可知聚氨酯密封膠更具有較強的抗高速水流沖刷、泥沙磨損、伴隨空蝕破壞性能，因此本文結構縫修補材選用聚氨酯密封膠是可行的。

2 施工工藝

2.1 小沖坑破壞修補

根據以上材料選擇，小沖坑破壞修補材料選用NE-Ⅱ型環氧砂漿和聚脲涂料，迎水面采用聚脲涂料，小沖坑內部采用NE-Ⅱ型環氧砂漿。

使用角磨機對混凝土表面進行打磨，清除基面上的松動顆粒、乳皮等，讓基面新鮮骨料外露，用噴沙法或其他機械方式(如鋼釬鑿等)對混凝土基礎表面進行糙化處理。對打磨過的混凝土表面用大功率吹風機進行吹洗，清除表面浮塵雜物，確保基面干凈干燥。采用樹脂、固化劑量按照4∶1的比例調制成基液，用毛刷均勻地在作業面涂刷一遍，涂刷時需覆蓋整個作業倉面，不得漏涂。作業面劑涂刷至少20 min 后，用抹刀將配制好的NE-Ⅱ型環氧砂漿涂抹在作業面，涂抹時要邊壓實邊抹光，注意每次涂抹的厚度保持控制在50 mm以內為宜，待第一層涂抹完成，施工下一層時應間隔大于30 min，小于60 min。進行最后一次抹面時，應采用鐵板進行搓揉、拍打提漿表面一次抹平。待填補的NE-Ⅱ型環氧砂漿表面硬化后，將配好的聚脲涂料攪拌均勻，在NE-Ⅱ型環氧砂漿表面上攤鋪開，在攤鋪基本密實、平整后在砂漿表面覆蓋一層厚度合適的薄膜，用高頻低振幅平板振搗器振搗平整，振搗平整后，取走薄膜，完成施工，見圖1。

圖1 小沖坑破壞修補

施工過程主要檢查黏結強度和涂刷厚度質量檢查，在指定的檢測區域內，根據現場隨機進行黏結強度檢測和黏結強度檢測，過流面不允許有垂直升坎或跌坎。過流面突體高度控制在6 mm以下，并磨成縱向坡度(順水流向)1∶20以下、橫向坡1∶10以下的斜坡。表面要求光滑，與施工圖紙所示理論線偏差不得大于3 mm/1.5 m。環氧砂漿涂抹完畢后，需進行養護，養護期一般為3～7 d，養護期間要防止水浸、人踏、車壓、硬物撞擊等。在施工中要求嚴格按以上要點和有關技術規定執行，確保施工的質量。

2.2 大沖坑破壞修補

根據以上材料選擇，大沖坑破壞修補材料選用HF混凝土和聚脲涂料，迎水面采用聚脲涂料，大沖坑內部采用HF混凝土。

采用大功率專業電鎬對現場需要處理的部位進行打鑿并清理。大面打鑿完成后，由于大功率電鎬在打鑿時破壞性較大，容易將鉆頭周圍的混凝土振疏松，需要采用鋼鑿剔除此部分疏松的混凝土，并將作業面鑿毛處理。在坑內距作業倉面內鉆植筋孔，間距為300 mm×300 mm。對成孔進行高壓風處理，將孔內灰渣吹凈。在孔內灌入環氧樹脂，然后將孔內插入植筋，為了植筋與混凝土表面黏結密實，植筋旋轉多次，結構膠完全固化后，進行無損傷檢驗，試驗值要求滿足設計要求。48 h內不得對植筋有任何擾動，注膠48 h后方可進行下道工序施工，植筋完成符合要求后，再進行150 mm×150 mm鋼筋網片的綁扎、焊接；然后進行HF混凝土澆筑，最后再涂刷一層聚脲防水涂料，見圖2。

圖2 大沖坑破壞修補

施工過程中應仔細壓實，以保證錨桿黏結牢固，過流面不允許有垂直升坎或跌坎。過流面突體高度控制在6 mm以下，并磨成縱向坡度(順水流向)1∶20以下，橫向坡1∶10以下的斜坡。表面要求光滑，與施工圖紙所示理論線偏差不得大于3 mm/1.5 m。環氧砂漿涂抹完畢后，需進行養護，養護期一般為3～7 d，養護期間要防止水浸、人踏、車壓、硬物撞擊等。在施工中要求嚴格按以上要點和有關技術規定執行，確保施工的質量。

2.3 結構縫破壞修補

用電錘鑿除混凝土表面瀝青，用切割機、撬棍清理縫內瀝青麻絲、瀝青杉板及雜物，混凝土伸縮縫兩側用角磨機進行打磨，直到新鮮混凝土基面露出，縫內粉塵雜物用大功率吹風機吹除干凈。高壓閉孔板填縫，要求封填連續密實，防止漏膠，表面預留4 cm 深。用毛刷將界面劑均勻涂于檢驗合格的伸縮縫兩側混凝待界面劑涂刷20 min 后，用槍嘴將密封膠均勻注入伸縮縫內，刮壓整形用帶弧度的專用整形工具，達到光膠體內部應保持密實無斷頭、膠體表面滑平整無氣泡、牢固黏結，無滲水現象。縫內膠應按壓密實，避免斷頭空洞，表面修飾光滑飽滿，見圖3。

圖3 結構縫破壞修補

聚氨酯密封膠配置應嚴格按照使用說明進行配置，配置好的底漆要求一次用完，未用完的應妥善處置不得再次使用。聚氨酯密封膠未達到最佳強度時，不得進行氣密、水密、油密等破壞性試驗和各種性能測試，不同產品達到最佳強度的時間以各自的技術指標為準，一般為7天。若不能一次性注膠完畢一條結構縫，則采用干式連接或濕式連接第二次注膠。過流面不允許有垂直升坎或跌坎。過流面突體高度控制在6 mm以下，并磨成縱向坡度(順水流向)1∶20以下，橫向坡1∶10以下的斜坡。表面要求光滑，與施工圖紙所示理論線偏差不得大于3 mm/1.5 m。

3 實施效果評價

可以充分發揮NE-Ⅱ型環氧砂漿耐黃變、耐粉化、抗沖磨性能、抗碳化性能、耐久性能的優點，更適用于強紫外輻照條件下高速過流區混凝土抗沖磨防護處理，通過溪洛渡水電站右岸泄洪泄洪隧洞、藏木水電站閘墩部位混凝土缺陷采用NE-Ⅱ型環氧砂漿修補證明，選用NE-Ⅱ型環氧砂漿是合理的。西安黑河水庫泄洪洞出口段、二灘水電站右岸中孔出口段均在水工泄水建筑物表面噴涂一層聚脲彈性體起到 “以柔克剛”的作用,是解決水工泄水建筑物抗速水流沖刷、泥沙磨損、空蝕破壞難題的新思路、新途徑。而HF混凝土在金盆水庫泄洪洞、劉家峽水電站、錦屏一級水電站等工程使用，經過了多年的運行考驗，使用效果很好。聚氨酯密封膠對結構縫進行密封處理，使整個結構形成一個柔性系統，起到自動調節外力引起的形變以及防滲漏的作用，在南水北調工程中得到了廣泛應用，并取得了良好的效果。

4 結論

本文根據泄水建筑物高速水流沖刷泥沙磨損破壞情況，采用相應的沖刷磨損破壞修補方法，破壞修補方法分為小沖坑修補、大沖坑修補、結構縫修補。不同破壞修補方法比較選定了適用的材料，施工中精心落實施工工藝，嚴格質量管理，保證了混凝土修補處理效果。經過溪洛渡水電站右岸泄洪隧洞、二灘水電站右岸中孔出口段、劉家峽水電站、南水北調工程等多年運行，混凝土本體和過流面處理質量優良，受到各方的一致好評，為水工建筑物混凝缺陷的修復選擇，提供了更加豐富的材料技術和工藝方法。