水泥基滲透結晶材料在抽水蓄能電站中的應用

張 帆，李 楊，林育強，詹程遠，石 妍

（1. 河南新華五岳抽水蓄能發電有限公司，河南 信陽 464000；2.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010）

1 工程概況

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣，電站由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站組成。總裝機容量為120萬kW，上水庫總庫容為1 073萬m3，主壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高714.0 m，壩頂長度為249.0 m[1]。下水庫大壩為碾壓混凝土（RCC）重力壩，總庫容為799萬m3，最大壩高108.0 m，壩頂長度為231.0 m。

周寧地區屬亞熱帶季風氣候，濕熱交替頻繁，干濕循環明顯，大壩混凝土與周圍環境間的水分交換作用強烈，結構表面防護與耐久性提升的需求較高。同時，下水庫位于周寧縣、福安市等地飲用水源的主河道上，涂層材料的安全無毒、環保等性能要求較高；并且大壩整體位于國家地質公園內，對涂層材料的外觀質量、色澤穩定性、長期耐候性等更為重視。因此，下水庫大壩防滲材料的選擇尤其重要。

2 材料性能與技術原理

2.1 材料性能

優選長江科學院生產的CKY-CFJ1型CCCW材料進行施工，材料性能如表1所示。CCCW材料由精細石英砂、硅酸鹽水泥和活性物質組成，呈粉狀，使用時直接按比例加水拌合，可用刮涂、刷涂或噴涂等方法進行施工，但不同施工方法的料水配比略有差異。考慮RCC混凝土的技術特點與層間結合面性能，本次采用手工刷涂的工藝。

表1 CKY-CFJ1型CCCW材料性能

2.2 技術原理

CCCW材料屬剛性無機防水材料，最早由德國化學家勞倫斯·杰遜（Lanritz Jensen）提出[2]，主要以硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥、精細石英砂（或硅砂）等為基材，摻入活性化學物質（催化劑）及其他輔料組成。目前，比較成熟的CCCW材料品牌包括國外的XYPEX系列、KRYSTOL系列，以及國內的CKY-CFJ1系列、CJ-K118系列等[3-5]。

CCCW材料的修復原理如圖1所示，滲透和結晶是CCCW材料的顯著特點。CCCW材料通過基材在混凝土表面形成防護外衣，活性物質能夠以水為載體向混凝土滲透和遷移，并以結晶沉淀、離子絡合等方式對混凝土進行裂縫修復和密實化處理，可提高混凝土抗滲性能175%以上，提高抗壓強度10%左右[2]。整體上，滲透深度決定了CCCW材料作用的區域范圍，結晶過程決定了CCCW材料的修復能力[6]。

圖1 CCCW材料的修復原理

目前，關于CCCW材料活性組分的反應機理尚未形成一致意見。有學者認為CCCW材料遵循滲透結晶理論，活性物質跟隨外界水分滲透到混凝土內部，通過自身反應或與膠凝材料水化產物反應來發揮作用[7]；也有學者認為CCCW材料遵循絡合—沉淀理論，活性物質中含有鈣絡合物（Ca=CAT-L）[3]，絡合基團能夠在低Ca2+濃度區釋放Ca2+，導致Ca2+與SiO32-結合，生成CaSiO3晶體析出，又可在高Ca2+濃度區再次捕獲Ca2+，從而使化學反應能夠持續不斷的進行。絡合—沉淀理論的反應機理如圖2所示。

圖2 絡合—沉淀理論的反應機理

實際上，滲透結晶理論、絡合—沉淀理論都存在一定的缺陷和不足。滲透結晶理論認為CCCW材料修復過程中，活性物質參與水化并被消耗，導致后期的修復能力有所降低，但無法解釋CCCW材料能夠長期作用、多次修復的原因。而絡合—沉淀理論認為CCCW材料修復過程中，鈣絡合物僅催化未水化水泥顆粒進一步發生反應，但不會發生自身的損失或消耗，因而可在休眠與激活狀態間多次轉換，并具有持續的修復能力和作用效果，但無法解釋CCCW材料對長服役齡期、高水化程度、大摻合料用量混凝土的修復能力。可見，關于CCCW材料的反應機理仍處于不斷的研究和探索之中。

3 施工工藝和質量

3.1 施工工藝

CCCW材料的應用區域為下水庫大壩上游面，高程范圍是EL209.0 m～EL299.0 m，總面積約13 000 m2，材料用量近20 t。CCCW材料現場施工程序如圖3所示，主要包括混凝土基面打磨與清洗、表面缺陷修補與處理、基面潤濕和飽水、CCCW材料制漿和涂刷、表面養護與保濕，以及完工后的驗收和質量評定等階段，其中工序①和工序②完成后，監理需對混凝土基面的處理質量進行驗收，主要的關注點包括表面污物的清理情況、孔洞和裂縫等缺陷處理情況、粘附粉塵的沖洗情況等。

圖3 CCCW材料的施工程序

現場施工借助電動吊籃進行，人工使用手持砂輪對混凝土表面進行打磨，并采用電鑿清除質量不良的混凝土。各工序的施工工藝和質量控制要點如下。

（1）基面打磨與清洗。主要對混凝土表面的浮漿、泥皮、碳化層、附著物及其它污染物進行清理，并將掛簾、錯臺打磨平整，同時對鋼筋頭、管件等用角磨機割除并磨平，結束后用水沖洗干凈。

（2）缺陷修補與處理。常見的混凝土缺陷主要包括蜂窩、麻面、孔洞、微細裂縫、骨料架空、局部破損等，其中蜂窩、麻面、孔洞可用半干料找平后直接刷涂漿料；微細裂縫需先沿縫修鑿成燕尾槽，然后用漿料潤濕并用半干料找平，最后再刷涂漿料。影響程度較大的局部骨料架空、空洞、局部破損等缺陷，需先用電鎬鑿除松動骨料和砂漿，直至露出新鮮、堅硬基面，然后用漿料潤濕并用半干料找平，最后刷涂漿料。

現場采用的半干料是由CCCW材料與水按體積比6∶1拌制，漿料是由CCCW材料和水按體積比5∶2拌制，其中半干料用于混凝土表面的缺陷處理，塑性較強，可用抹刀直接刮平或填塞；漿料用于表面涂層防護，流動性較大，可用毛刷、滾筒、噴涂機施工。裂縫、局部骨料架空、空洞、局部破損等缺陷的表面及周圍100 mm范圍涂刷漿料。

（3）基面濕潤和飽水。接水管直接沖洗基面或采用灑水箱噴淋基面至其充分的濕潤、潤透后將基面明水用抹布擦拭潔凈。如施工過程中發現局部基面過于干燥，必須重新濕潤。

（4）CCCW材料制漿。現場就近安排專人稱量材料及調和漿液，攪拌后戴膠皮手套檢查漿料是否存在未拌開、不均勻等現象。一次拌料不宜過多，要求每次漿料調和均勻后20 min內用完。

（5）CCCW材料涂刷。現場控制CCCW材料的綜合用量不低于1.5 kg/m2。人工用硬毛刷均勻地涂刷至混凝土表面。涂刷分兩遍進行，橫豎各一遍，兩遍涂刷相互重疊，確保基面無漏刷。

3.2 養護措施

養護是保障CCCW材料效果的重要環節。CCCW材料中硅酸鹽水泥的凝結和硬化需要水，活性物質的滲透與結晶也需要水。因此，CCCW材料涂刷后需及時跟進養護，養護次數、養護方式和養護時長是影響養護效果的重要因素。

結合前期現場工藝試驗結果，以及壩址處的環境溫度和水分蒸發情況，采用流水養護能夠獲得較為滿意的養護和飽水效果。漿料終凝后3～4 h，或涂層固化達到一定硬度后，采用流水養護，保證涂層處于濕潤狀態。每天的上午、下午各進行1次養護，每次時長10 min，連續進行3～7 d。高溫季節或天氣比較干燥的情況下，需適當增加養護頻率，并延長養護時間。

水泥基材料的凝結和硬化需要在適宜的溫度下進行。冬季施工時，養護宜在溫度較高的時段進行，并防范養護結束后涂層材料的結冰風險。實際施工時，當養護結束3～4 h后環境溫度降至-10 ℃以下或溫度超過48 h持續為負溫時，應采取表面保溫措施。

3.3 質量效果

目前，CCCW材料在隧洞、港口、地下室、污水池等領域已有較多的應用，但在水利工程中的應用仍然偏少。現行的技術文件、標準規范等雖然對CCCW材料的品質特性做了明確的要求，但對施工工藝、驗收方法、質量評定等缺少相關的規定，導致CCCW材料的施工質量檢查沒有依據。

現場采用陪伴試件進行試驗，控制陪伴試件滲透結晶材料的刷涂用量、刷涂方法與實際施工相一致，研究滲透結晶材料對陪伴試件抗滲性能的影響。陪伴試件的抗滲性能從W8提高到W12，說明滲透結晶材料能有效提高混凝土的抗滲性能。

結合已有工程經驗和現場工藝試驗結果，根據刷涂厚度和材料用量的關系，通過測定硬化后涂層的厚度來間接表征施工質量。CCCW材料刷涂厚度的檢測結果如圖4所示，不同區域的刷涂厚度基本在1.2～1.4 mm之間，平均值為1.25 mm，換算成材料用量為1.2～1.4 kg/m2，平均值為1.25 kg/m2，說明施工質量滿足技術要求。同時，現場利用卡斯通管的試驗結果表明，刷涂CCCW材料后混凝土透水量降低了24%～33%，說明CCCW材料提高了混凝土的抗滲水平。

圖4 CCCW材料刷涂厚度的檢測結果

4 結論

CCCW材料能夠實現與混凝土基體的同壽命服役，并且活性物質跟隨外界水分的滲透而不斷遷移，材料的作用范圍不斷擴大，修復效果不斷增強，特別適合水利工程及其它服役期難以維護的涉水工程。周寧抽水蓄能電站下水庫大壩上游面的防滲修復應用情況表明，CCCW材料可有效提高整體的抗滲性能，并且安全環保、無毒副作用，相關技術經驗可為其它同類工程應用提供參考。