淺談納米膠在密云水庫輸水工程中的應(yīng)用

趙 龍 左豐收 陳 闖

(北京市密云水庫管理處，北京 101512)

1 工程概況

密云水庫位于北京東北部，距密云縣城13km，1958年9月動工興建，1959年汛期攔洪，1960年9月基本建成并投入使用。水庫設(shè)計水位157.50m，校核水位158.50m，總庫容43.75億m3。密云水庫是一座以防洪、供水為主要功能的多年調(diào)節(jié)、綜合利用的大型水庫工程，是首都最重要的地表飲用水源地，也是支撐首都經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略水源地。

第九水廠輸水隧洞位于密云水庫九松山副壩以東約1km處，是北京市第九水廠二期取水工程，1995年5月建成通水，最大日供水量100萬m3，設(shè)計供水保證率為97%，由進口緩沖段、閘門井、洞身組成，隧洞為鋼筋混凝土圓形壓力隧洞，直徑為3.5m，洞長3078m，采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚0.6m。

2 存在問題分析

2015年，對密云水庫進行安全鑒定時，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)混凝土襯砌表面存在較多以環(huán)形或半環(huán)形為主的裂縫[1]，裂縫寬度一般在0.5mm以下，大部分裂縫內(nèi)有白色鈣質(zhì)物質(zhì)析出，表面微細龜裂較多，局部有鋼筋露頭現(xiàn)象。說明在外水壓力下隧洞慢滲較為嚴重，洞口部位碳化現(xiàn)象較嚴重。根據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院安全鑒定評價結(jié)論，對隧洞洞身混凝土病害和襯砌部位進行防碳化處理。

3 輸水隧洞混凝土襯砌表面微細裂縫整體處理技術(shù)對比論證

針對輸水隧洞及其他各種混凝土襯砌內(nèi)表面微細裂縫的防滲治理技術(shù)[2]較多，現(xiàn)有技術(shù)所用材料主要有環(huán)氧樹脂涂料、聚合物水泥防水涂料、刮涂聚脲等表面“貼皮式”防護涂料(見表1)。

表1 現(xiàn)有不同防滲防護涂料的主要性能指標范圍及特點

作為隧洞混凝土襯砌表面的防滲防護材料[3]的關(guān)鍵性指標是：潮濕面黏結(jié)強度、潮濕基底面施工的可靠性。從表1可以看出，環(huán)氧樹脂涂料具有較高的抗拉強度和潮濕黏結(jié)強度，拉伸變形也能達到工程需求，但該材料有機溶劑含量高、有毒，在輸水隧洞應(yīng)用對環(huán)境和水資源存在較大隱患；刮涂聚脲涂料抗拉強度和拉伸變形數(shù)值太高，且不是輸水工程所需關(guān)鍵指標，潮濕面黏結(jié)強度為關(guān)鍵指標，其室內(nèi)測試值可達到1MPa以上，但在輸水隧洞高濕環(huán)境應(yīng)用中，刮涂前使用的界面劑易發(fā)生起皮、脫落現(xiàn)象；聚合物水泥涂料力學(xué)性能、潮濕面施工可靠性和經(jīng)濟性都適合輸水隧洞的工程應(yīng)用，但是涂層長期耐水性較差，更不適用于有一定輸水壓力隧洞混凝土襯砌表面的防護。

上述三種防滲防護材料都存在不同的技術(shù)性能不足之處，在實際工程應(yīng)用中都會出現(xiàn)不同的問題，涂層防護壽命有限，有的不到一年就會出現(xiàn)空鼓等質(zhì)量問題，有的不到三年就出現(xiàn)脫落等嚴重質(zhì)量問題。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，重新處理的費用[4]至少是“五倍率”以上，給工程造成較大的經(jīng)濟損失。

密云水庫樞紐工程局部改造及檢查維護工期短、工程量大，同時還必須考慮隧洞混凝土襯砌防滲防護涂層要性能優(yōu)異，并長期穩(wěn)定可靠。經(jīng)調(diào)查研究，決定采用水利部2019年度推廣的水利先進實用技術(shù)“易晟元“納米膠”——混凝土耐久性防護和修復(fù)技術(shù)”進行防滲防護修復(fù)處理。

4 “納米膠”混凝土耐久性防護技術(shù)[5]

4.1 技術(shù)簡介

易晟元“納米膠”技術(shù)，是一種納米無機硅酸鹽水溶液，利用納米膠特有的活性，與混凝土內(nèi)部微細裂縫、毛細孔、界面孔隙中的鈣溶液反應(yīng)生成C-H-S凝膠結(jié)晶，有效封閉混凝土表層結(jié)構(gòu)微細縫隙、微細孔等缺陷，提高混凝土表層結(jié)構(gòu)致密性和強度，從而實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)表層整體耐久性的提高。這種技術(shù)是國際最先進的混凝土耐久性修復(fù)防護新技術(shù)，被譽為提高混凝土本體性能的“筋骨式”防護技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用時無須對既有混凝土基面進行打磨或干燥處理，采用壓力水沖洗混凝土基面油性污物，在潮濕面即可進行施工，施工工藝簡便，無須特殊養(yǎng)護，24h后即可通水使用，施工后對水無污染。

4.2 性能特點

該技術(shù)不會出現(xiàn)傳統(tǒng)“貼皮式”涂層防護技術(shù)的質(zhì)量問題，同時節(jié)省對基面整體處理所耗費的人力和財力。

4.2.1 防混凝土表面開裂功能

混凝土澆筑后因早期干縮、荷載等原因致其表面產(chǎn)生裂縫，“納米膠”可滲透至到混凝土表層40mm以上，與氫氧化鈣反應(yīng)生成CSH凝膠封堵裂縫，且對于新產(chǎn)生的0.2mm以下的裂縫可以在有效時間內(nèi)起到持續(xù)自修復(fù)的作用。

4.2.2 防水滲透的功能

混凝土因本身的特性，存在有大量的孔隙和毛細管，同時施工中也很難避免產(chǎn)生大量的孔隙，導(dǎo)致水滲透，而水會將劣化因子代入其內(nèi)部造成腐蝕的條件?！凹{米膠”可對混凝土表層改性，提高其致密性，降低混凝土表層空隙率，從而達到抑制表面透水、吸水的效果。

4.2.3 具有防菌藻的功能

由于混凝土表面相對較粗糙，加上水的流速低和氣溫高，容易使菌藻大肆繁殖，大量附著于混凝土的表面，造成環(huán)境污染。使用“納米膠”的混凝土表面致密光滑，可以抑制菌藻在混凝土表面附著生長。

4.2.4 提高老混凝土表面強度

在混凝土表面涂刷“納米膠”后，混凝土的致密性得到提高，表面強度也會相應(yīng)提高(見表2)。

表2 “納米膠”技術(shù)對于混凝土耐久性提升效果

5 “納米膠”施工工藝及流程

“納米膠”可應(yīng)用于所有混凝土結(jié)構(gòu)，施工簡單、操作方便，不受季節(jié)、環(huán)境的影響，在滲漏或缺陷部位已進行修補的前提下進行“納米膠”噴涂。為確?！凹{米膠”能更快、有效地滲透至隧洞混凝土洞壁內(nèi)部，首先使用高壓水對洞壁進行沖洗，使洞壁干凈、無油污、無菌藻，用手觸摸表面無明水時即可進行“納米膠”噴涂。

“納米膠”的施工工序如下：進行“納米膠”Ⅱ型B劑噴涂，目的是對混凝土內(nèi)部進行補鈣處理，待B劑表干后再進行A劑噴涂；“納米膠”Ⅱ型A劑進行第一次噴涂，目的是封堵混凝土內(nèi)部微細裂縫(為達到良好的滲透效果，A劑分兩次噴涂，待A劑第一次噴涂表干后進行第二次噴涂；“納米膠”Ⅱ型A劑進行第二次噴涂。無須特殊養(yǎng)護，24h后即可通水使用。

“納米膠”Ⅱ型采用引擎式噴霧器進行噴涂，噴霧器噴頭與洞壁的距離以20cm為宜，并對洞壁進行分塊噴涂。

6 應(yīng)用效果

施工14天后，進行表面回彈強度測試，結(jié)果表明使用“納米膠”后強度增加約8MPa；由于洞內(nèi)無法進行取芯檢測，所以根據(jù)以往“納米膠”應(yīng)用測試數(shù)據(jù)可知，C30混凝土抗?jié)B等級提高兩個等級以上，C50混凝土防菌藻效果提升22倍(見表3)。

表3 密云水庫使用“納米膠”后性能指標變化情況

7 結(jié) 語

“納米膠”廣泛應(yīng)用于水利工程、海堤防浪墻、橋梁、高速公路混凝土路面等工程。該材料應(yīng)用于密云水庫第九水廠輸水隧洞中，隧洞洞壁表面原有的微小裂縫修復(fù)較好，微滲水封堵效果明顯。采用回彈儀對洞壁混凝土強度進行測試對比，噴涂“納米膠”比不噴涂“納米膠”洞壁混凝土強度增加8MPa，由此證明，本工程采用“納米膠”新型防護修復(fù)材料，其效果已達到了技術(shù)要求。從本工程的實踐以及其他工程采用“納米膠”的成果來看，混凝土耐久性大為提高。