混凝土缺陷新型修补材料及其在工程上的应用

1、混凝土缺陷新型修补材料及其在工程上的应用张 涛前 言混凝土是水工建筑中最常用的建筑材料之一。由于施工中缺陷或长期使用过程中受自然条件和超载作用等原因，建筑物混凝土会出现不同形式的缺陷和老化病害问题，如混凝土裂缝、老化碳化、内部疏松、冻融剥蚀、冲刷磨损破坏等，会直接危害工程的安全运行和使用寿命。多年来工程技术人员一直在致力于混凝土病害修补材料和修补技术的研究，近年来在这方面的研究发展速度很快，并在工程实践中得到了广泛的使用和应用检验。本文将介绍我公司多年来在混凝土修补方面的研究和施工中成果，主要包括NE系列环氧砂浆、环氧胶泥、低黏度环氧灌浆材料、环氧混凝土等新型材料和HCIM复合增强材料等。1

2、NE-型环氧砂浆环氧砂浆以其强度高、综合性能优良等特点，作为混凝土修补材料和水工建筑物过流面的抗冲耐磨保护与修复应用已有四十多年的历史。实践表明，与常用的修补材料如高强混凝土（砂浆）、预缩砂浆、聚合物砂浆等相比，环氧砂浆粘接力好、力学性能优良等特性具有明显优势。但是由于需加热施工、材料有毒性、施工时粘附器具严重等缺点，加之本身脆性特征，收缩率和线性热膨胀系数较大，修补后容易在粘结处产生开裂和脱空等弊端，严重地制约了环氧砂浆在水工建筑物施工和修补的推广与应用。近年来，我公司开展了对环氧砂浆及其应用技术的深入研究。通过对环氧树脂等原材料的改性和新型添加剂的开发，改善了环氧砂浆的施工性能；通过新型固

3、化剂的开发，改善了环氧砂浆的收缩性能和环保性能；同时对环氧砂浆的老化、线胀、耐久性等进行了专题研究。研究开发出的NE-环氧砂浆达到了国内领先水平，取得了国家发明专利，获得了中国水利科技进步奖和中国企业新记录，并在黄河小浪底水利枢纽、长江三峡水利枢纽、四川紫坪铺水电站、二滩水电站、苏丹麦洛维水电站、蒙古泰西尔水电站等几百个大中型水利水电工程上的成功应用，使用效果理想。 NE-型环氧砂浆是由改性环氧树脂、新型固化剂及特种优质填料工厂化生产而成，具有粘结牢固、施工方便、无毒无污染、与混凝土颜色一致等主要特性，其主要技术指标见表1。1.1 主要技术指标主要技术指标见表1。审稿：冯文彬 表1 NE-环氧

4、砂浆主要技术指标主要技术指标C80型C60型C40型抗压强度 MPa80.060.040.0抗拉强度 MPa10.08.06.0与砼粘结抗拉强度 MPa4.04.04.0不透水系数 MPah19.619.619.6线性热膨胀系数 10-6/9.2抗冲磨强度* h/(g/cm2)2.791抗压弹性模量 MPa2150耐化学腐蚀性30%NaOH耐耐耐50%H2SO4耐耐耐10%盐水耐耐耐毒性物质含量苯合格合格合格甲苯+二甲苯合格合格合格总挥发物合格合格合格* 抗冲磨强度的试验介质流速为40m/s。1.2 主要特性（1）无毒、无污染符合室内装饰材料要求。（2）常温施工常温条件下，材料及施工器具均不需

5、要加热，易于施工操作。（3）不粘器具方便施工类似于水泥砂浆施工，施工面平整、光洁，易于保证施工质量。（4）耐久性能优良收缩率小，线性热膨胀系数与混凝土基本一致，和混凝土具有良好的匹配性和相容性性。（5）主要力学性能优良与混凝土粘结牢固，不易在粘结面开裂和破坏。（6）产品系列化系列化的产品能够分别适用于干燥面、潮湿面和低温环境的要求。1.3 工程应用实例（1）三峡水利枢纽工程三峡导流底孔是为三峡工程三期施工导流而在溢流坝段施工的二期工程，共22条，孔口尺寸为6m 8.5m，底坎高程56m，浇注的混凝土等级为C40，厚1m。导流底孔的设计运行水头高达80m，流速达32m/s，属于高速过流面，因此对

6、混凝土的表面质量和抗气蚀、抗冲磨性能要求很高。施工后检查发现，混凝土表面出现了蜂窝、错台等缺陷。在高速水流作用下，这些缺陷部位极易产生空蚀和气蚀破坏，尤其是在高速挟沙水流的作用下，磨损和冲蚀破坏更为严重，破坏极易很快恶化，给工程的正常运行造成安全隐患。 经对多种修补材料进行试验对比，建设方决定采用NE-环氧砂浆对该工程部位的混凝土缺陷进行修补，施工修补面积总计8000余m2。修补运行三年后检查，修补部位未发现脱落、剥离、掉块、磨损等破坏现象。借鉴三峡水利枢纽工程的成功修补经验，近年来我国建造的溪洛渡、小湾等许多大型水电工程都参照采用三峡工程的混凝土缺陷修补方法。（2）映秀湾水电站映秀湾水电站位

7、于四川汶川县映秀镇岷江上游干流上，年平均输沙量约946万t，其中，推移质约116万t。推移质多为花岗岩卵石，平均粒径270mm，大者1.0m以上，质地坚硬，破坏力强 。映秀湾电站1971年下闸蓄水，之后经历了多次修补。1977年汛后检查，有部分抗冲蚀用的钢板被冲掉，混凝土普遍磨损 5060mm，铸石板大部分被冲走。1986年底和1988年3月分别对1#与3#闸较大的冲蚀坑用C40硅粉混凝土修复。1993年12月至1994年2月，又对2#、3#和4#闸的闸前铺盖及闸底板进行了检查和修复。其中，2#、3#闸墩前铺盖冲坑深度达0.41.1m，面积达45m2；4号闸墩前的冲坑深0.40.9m，面积约5

8、0m2；冲磨蚀超过0.5m深的地方其铺盖上层钢筋已被磨断；3号闸检修门底坎后中部被冲刷成一个33m2的大深坑，深度达0.799m。 采用的修补措施为：0+000.000-020.00m桩号处，采用C60钢纤维硅粉混凝土修复；闸墩头前深度达1m以上的大冲坑，沿水流方向铺设钢轨，钢轨间嵌填C60钢纤维硅粉混凝土；2#、3#、4#闸检修门槽段底板，0+000.00 0+000.50m桩号处，采用钢轨嵌填C60钢纤维硅粉混凝土进行修复；0+000.500+007.5m桩号处镶护20mm厚耐磨钢板；其它部位采用C40硅粉混凝土修复。3#闸检修门槛以下底板冲磨蚀严重部位铺设耐磨钢板（0+007.500+0

9、15.297m），冲断钢筋按原设计恢复，钢板下部采用C40硅粉混凝土。 2005年3月，业主对2#闸进行检查，发现部分耐磨钢板冲走，镶嵌的钢轨大部分裸露，钢轨间嵌填的C60钢纤硅粉混凝土大部分被冲蚀掉；修复的C40硅粉混凝土普遍被磨蚀200300mm，冲蚀坑深达500mm以上，冲磨蚀超过500mm深的地方其铺盖上层钢筋已被磨断。2005年9月，业主经过调研决定：在2#闸底板0+007.500+027.5m的范围内采用我公司的NE-型环氧砂浆进行试验性施工，修补厚度为1015mm，其中深度超过20mm的冲坑先用环氧混凝土回填，总施工面积约280m2。经过两个汛期运行后，于2007年11月抽水后检

10、查，2#闸底板环氧砂浆修复区域没有再出现明显的冲磨蚀情况。鉴于2#闸试验性施工的成功，业主决定采用NE-型环氧砂浆和环氧混凝土，对1#闸的底板进行了全面修复，共约900m2。2009年1月进行了抽水检查（期间经历了08年“5.12”地震，5.2612.6为敞泄时段），修复后环氧砂浆面完好，未发现任何破坏和明显的冲磨蚀情况，修复效果良好。其后，业主对2#5#闸室进行了抽水检查，发现冲磨蚀破坏严重，钢轨间C60硅粉钢纤混凝土平均冲蚀深度40mm50mm，最大冲蚀深度120mm。业主决定对这些闸室进行了修复处理，共约3500m2。经过两个汛期的运行后检查，环氧砂浆修补面很好。2 环氧胶泥为修补混凝土

11、表面缺陷诸如混凝土表面的蜂窝、麻面、沙线等需要，我公司研究开发出系列环氧胶泥产品。在该产品问世之前，也有类似的产品在工程上使用，但这类环氧膏体收缩率大，容易结块脱落，粘黏严重，施工表面不能形成平整光洁的造型，达不到理想的修补效果。我公司研究开发出的环氧胶泥具有良好的自流平性，粘结性能优良，收缩率较小，且无毒无污染，是良好的混凝土表面缺陷修补材料，在二滩、水布娅、大朝山、刚果英布鲁等工程上应用。2.1 环氧胶泥的主要技术指标见表2。表2 环氧胶泥主要技术指标抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）与砼粘结强度（MPa）抗冲磨强度（h/g/cm2）毒性物质含量干燥面潮湿面60.08.03.02.550

12、.0合格2.2 工程应用情况三峡工程永久船闸为双线五级连续船闸，位于枢纽左岸坛子岭左侧。每线船闸主体段由6个闸首和5个闸室组成，总长1621m，设计总水头113m，闸室平台有效尺寸280m34m，坎上最小水深5m。每线船闸的输水廊道布置在靠近闸首的两侧，单级闸室输水最大水头45.2m。永久船闸地下输水隧洞水流速度高，且长期处于地下，混凝土的设计标号为C35。因此，混凝土表面的水气泡、蜂窝、麻面等缺陷会影响工程的长期安全运行，需要修补。根据三峡总公司工程建设部“三工建 质监字200195号”文件要求，三峡永久船闸地下输水系统属于修补要求最高的A-1类修补区域，即该部位处于高速水流作用下，运用要求

13、高，日后检修困难，其缺陷修补要防止产生气蚀冲刷和剥离造成的过流面破坏。因此，修补要求很高。通过对多种修补材料的对比试验和论证，业主选用了NE环氧胶泥进行修补。施工过程中，监理工程师对NE环氧胶泥材料和施工面进行了抽检，检测结果见表3。表3 检测结果检测项目统计数量（组）设计值（MPa）平均值（MPa）最大值（MPa）最小值（MPa）离差系数合格率（%）抗压强度176065.278.260.80.022100抗拉强度176.08.49.56.80.045100与砼粘结强度172.54.66.74.10.068100粘结拉拔强度952.54.16.21.10.28397.8外观质量设计要求：表面平

14、整、光洁，无起泡。100永久船闸地下输水系统共修补施工14万余平方米，修补厚度1mm2mm，施工效果和材料的各项主要力学性能与国外同类材料相媲美；经两个汛期过水运行后排空检查，环氧胶泥修补处理过的混凝土面平整光洁如新，修补效果得到了三峡质量专家组的肯定。3 低黏度环氧灌浆材料在化学灌浆领域，目前应用比较先进的技术是聚合物互穿网络技术。我们应用该项技术研制的新型低黏度环氧灌浆材料就综合了环氧树脂浆材的高强度、高粘接力和聚氨酯桨材的良好韧性等优点，具有较高的抗拉、抗压、粘结和变形性能。浆材能够适用于干燥裂缝，也能够适用于潮湿裂缝，同时在低温环境下（-5）也具有良好的施工性能，是一种性能优良、适用性

15、强的裂缝灌浆材料。该化灌材料黏度低，可灌性好，能够灌入0.10.2mm的细微裂缝，已经在多个工程中得到成功应用。近两年的典型代表工程主要有：南阳回龙抽水蓄能电站上库盆混凝土裂缝的化学灌浆加固（3500m）；紫平铺枢纽两条泄洪洞和一条排沙洞内的混凝土裂缝（多为潮湿渗水裂缝）的化学灌浆处理（5600m）；瀑布沟防空洞、溢洪道和排沙洞内的混凝土裂缝的化学灌浆处理（7300m）；双江口水电站泄洪洞混凝土裂缝化学灌浆处理（2800m），等等。这些工程的化学灌浆处理效果都达到了理想的修补效果，没有二次裂缝出现，也不再有渗水现象发生。 低黏度化学灌浆材料的主要技术指标，见表4。表4 低黏度环氧灌浆材料主要技

16、术指标抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）与砼粘结强度（MPa）黏度/25（MPas）施工适用时间/20（min）干燥面潮湿面50.06.03.02.5153070904 环氧混凝土环氧混凝土是环氧砂浆产品的延伸，也可叫做粗骨料环氧砂浆，是通过加大环氧砂浆中骨料的粒径或在环氧砂浆中加入大粒径骨料再优化配比完善施工性能而制成。与环氧砂浆相比，其主要优点是经济、体积稳定性好，主要缺点是施工性稍差，力学性能略低。通常在对大尺寸混凝土缺陷进行修补时，先用环氧混凝土进行大体积修补，表层再用环氧砂浆进行处理，这样比只用环氧砂浆可以节约成本30%50%。近两年施工的代表工程主要有：紫平铺枢纽工程泄洪洞冲蚀坑

17、修补（86m3）、映秀湾水电站闸首冲蚀破坏混凝土缺陷修补（32m3），万家寨电站表孔和底孔冲磨蚀破坏修补（13m3），金安桥电站2#泄洪洞混凝土冲蚀破坏后修补（21m3）等等，过水运行后检查修补效果都很理想。环氧混凝土的主要技术指标，见表5。表5 环氧混凝土主要技术指标抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）与砼粘结强度（MPa）施工适用时间/20（min）毒性物质含量60.08.04.06070合格5 HCIM混凝土复合增强材料在混凝土的使用过程中，由于多种原因会存在其抗渗性能达不到要求或者混凝土密实度不够、表面有微细裂纹等，用一般的表面防水材料处理后，经过一段时间的老化作用，即可能丧失它的防水

18、功效。为了克服传统防水材料的这种缺陷，我们联合相关大学与科学院进行了混凝土复合增强材料研究开发。该类材料的主要特征是渗透结晶，材料中含有活性化学物质，以水为载体，通过表层水对结构内部的侵润，被带入到结构内部孔隙中，在混凝土微孔的毛细管中进行传输充盈，与混凝土中的氢氧化钙发生物理化学作用，形成凝胶体或结晶体，堵塞混凝土的毛细孔，使混凝土结构由表层向纵深逐渐形成一个致密的抗渗区域，成为封闭式的防水层整体，大大提高结构整体的抗渗能力，堵截来自任何方向的水流及其它液体侵蚀，既达到长久性防水、耐腐蚀作用，又起到保护钢筋、增强混凝土结构强度的作用。复合增强材料的主要技术指标，见表6。表6 复合增强材料的主

19、要技术指标序号检测项目标准指标检测值单项判定1安定性合格合格合格2凝结时间初凝，min20260合格终凝，h245h40min合格3湿基面粘接强度，MPa1.01.4合格4抗折强度，MPa7d2.807.37合格28 d3.508.67合格5抗压强度，MPa7d12.027.9合格28d18.038.2合格6抗渗压力（28d），MPa0.81.21.2型7二次渗透压力（56d），MPa0.60.80.9型8渗透压力比（28d），%200300300型近两年的应用工程情况如下：（1）紫坪铺电站紫坪铺电站大坝经过“5.12”地震后，面板堆石坝坝面多处出现裂缝，总合计约1800余m2，有的还出现渗漏，如果不进行恢复性修补，会严重影响大坝的安全运行。由于地震造成的都是深层破坏，单采用表面补强加固，不能真正起到恢复大坝整体结构的作用。2008年7月