高寒凍融頻繁地區(qū)大壩壩面防滲技術研究

胡中闊，蔡暢

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 前言

西藏地區(qū)是我國的水能富礦，受高寒缺氧，環(huán)境艱苦，交通不便，施工條件差等條件限制，水能開發(fā)起步較晚。隨著國家社會、經濟條件持續(xù)發(fā)展，一方面對能源的需求持續(xù)上漲，另一方面水電開發(fā)的技術水平也持續(xù)提高，該地區(qū)已逐漸成為當前和今后一段時期水電開發(fā)的主要戰(zhàn)場。如地處青藏高原西南部的雅魯藏布江上的各水電工程已開始如火如荼的規(guī)劃、建設。目前，已建成的藏木水電站、加查水電站，正在建設的DG水電站，即將開工建設的BY水電站、JX水電站等。該地區(qū)大壩主要以混凝土壩為主，依靠自身混凝土防滲。大壩長期在含砂高速水流中沖刷侵蝕，氣溫變化大，凍融頻繁等惡劣環(huán)境，其耐久性直接影響著工程的安全和服役壽命。

在混凝土表面涂覆防護涂層可有效阻止有害介質滲入混凝土毛細孔內部，從而達到提高混凝土耐久性的目的，被廣泛應用于大壩表面的防護。DG水電站地處高海拔寒冷地區(qū)，為確保工程的安全性和服役壽命，項目決定采用壩面防滲材料進行壩面防滲施工。

2 工程概況

西藏位于青藏高原，屬于世界屋脊，平均海拔4000m以上，高寒缺氧，日照時間2500h～3000h(內地的1.5～2.5倍)，年溫差和日溫差大，每年平均180個凍融循環(huán)，紫外線強。

西藏DG水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內，為Ⅱ等大(2)型工程，以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位3447.00m，相應庫容0.5528億m3，電站壩址控制流域面積15.74萬km2，多年平均流量1010m3/年，電站裝機容量為660MW。

DG水電站大壩是目前海拔最高的碾壓混凝土壩，西藏最高大壩，大壩壩頂高程3451m，最大壩高117m，壩頂長385m，大壩碾壓混凝土93.7萬m3，常態(tài)混凝土50.5萬m3。

3 西藏地區(qū)混凝土工程現(xiàn)狀

由于西藏高原氣候特點，符合內地混凝土工程設計與施工規(guī)范標準的西藏高寒地區(qū)的混凝土工程出現(xiàn)了一些問題，特別是耐久性指標難以滿足工程的需要。主要表現(xiàn)在：抗凍融循環(huán)性能、抗?jié)B性能、耐腐蝕性能、抗Cl-滲透性能、抗堿-骨料反應性能、抗風蝕性能、護筋性能、抗裂性能等無法適應環(huán)境，導致一些工程的結構在工程完工不久之后遭到損傷或破壞，影響了混凝土的使用壽命，給工程留下隱患甚至需要及時進行缺陷處理。例如：查龍電站大壩溢流面，由于建設期施工的混凝土抗凍融循環(huán)指標無法滿足嚴酷的高原環(huán)境要求，在建設完工不到5年后就進行了補強處理，在一定程度上影響了結構物的使用壽命，造成了較大的經濟損失。青藏鐵路部分橋梁的橋墩，也存在抗裂性能較差的問題，出現(xiàn)了一些由于環(huán)境惡劣引起的裂縫。青藏公路的個別橋涵，也由于凍融作用，混凝土開裂，個別橋涵受到腐蝕性侵蝕而表層剝落，內部損傷等等。影響西藏高寒高海拔地區(qū)建筑材料使用壽命的因素主要有：海拔高、日溫差大、凍融循環(huán)劇烈、大陽輻射強、干旱、四季風頻風大、災害頻繁、含氧量少、腐蝕性強、施工過程混凝土質量控制難等。

鑒于DG水電站地處高海拔凍融頻繁地區(qū)，為確保電站水工建筑物的長期安全的運行，需對DG水電站大壩迎水面涂刷防護涂層的材料進行進一步的研究。

4 材料調研及方案比選

通過對國內水電站防護涂層材料使用情況調查，有針對性地收集了現(xiàn)階段使用的防護涂層材料資料，具體情況如表1。

表1 主要防護涂層材料特點及工程應用

5 防護涂層材料性能指標

5.1 聚脲

聚脲是由異氰酸酯組份與氨基化合物組份反應生成的一種彈性體物質，聚脲的最基本的特性就是防腐、防水、耐磨等。

5.1.1 技術特點

(1)不含催化劑，快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上噴涂成型，不產生流淌現(xiàn)象，5s凝膠，1min即可達到步行強度；

(2)適應性能好，施工時不受環(huán)境溫度、濕度的影響；

(3)雙組分，100%固含量，對環(huán)境友好；

(4)一次施工達到厚度要求，克服了以往多層施工的弊病；

(5)優(yōu)異的物理性能，如抗張強度、柔韌性、耐老化、耐介質、耐磨性等；

(6)具有良好的熱穩(wěn)定性，可在150℃下長期使用，可承受350℃的短時熱沖擊；

(7)可加入各種顏、填料，制成不同顏色的制品；

(8)配方體系任意可調，手感從軟橡皮(邵A30)到硬彈性體(邵D65)；

(9)使用成套噴涂、澆注設備，施工方便，效率高。

5.1.2 理化性能指標

聚脲理化性能指標見表2。

表2 聚脲理化性能指標

5.1.3 耐久性能指標

聚脲耐久性能指標見表3。

表3 聚脲耐久性能指標

聚脲材料具有力學強度高、耐候性優(yōu)良、高彈韌性、高抗凍性等優(yōu)點，同時在潮濕和明水環(huán)境下具有高粘結強度，對混凝土及其他建筑物結構有良好的防水、抗凍、抗碳化等防護作用，但單價相對較高，故在大壩迎水面水位變幅區(qū)采用聚脲較為有利。

5.2 HJ-2A高聚合環(huán)氧防水涂料

5.2.1 材料特點

該涂料防滲性能、抗老化性能、耐候性能優(yōu)異，根據(jù)相關工程實際應用，高原氣候涂層耐用年限至少可達30a以上。施工工藝要求嚴格，涂料分為底涂、中涂、面涂。噴涂中必須使用高壓無氣設備，防止水汽進入涂料中影響其附著力，針對施工縫、伸縮縫、壩面裂紋均由特殊工藝處理。

5.2.2 技術性能指標

HJ-2A高聚合環(huán)氧防水涂料技術性能指標見表4。

表4 HJ-2A高聚合環(huán)氧防水涂料技術性能指標

HJ-2A高聚合改性環(huán)氧防滲大壩專用涂料，適用于高原地區(qū)碾壓混凝土大壩迎水面輔助防滲涂料。該涂料通過近30a的大壩防滲施工實際應用，證明其具有粘接性強、抗?jié)B強度高、延展性好，耐酸堿性穩(wěn)定，適應溫差大、紫外線強等惡劣環(huán)境條件。

5.3 水泥基滲透結晶型防水材料

水泥基滲透結晶型防水涂料是1942年德國化學家Lauritz Jensen(勞倫斯·杰遜)在解決水泥船滲漏水的實踐中發(fā)明的。由于其綜合性能及性價比優(yōu)于其他類型的防水材料，該材料迅速成為全世界最主流的防水材料之一，占據(jù)巨大的市場份額。

高性能滲透結晶型防水材料是一種水泥基滲透結晶型摻合劑，它是由硅酸鹽水泥、石英粉和多種活性成分配制而成的粉狀材料。在混凝土攪拌過程中加入，材料中的活性化學物質可與新拌混凝土中的水、水泥的水化產物產生化學反應，生成不溶于水的結晶體，填充、封堵毛細孔和裂縫，使水或其他液體從任何方向都無法進入，從而達到防水的目的。無水時，高性能滲透結晶型防水材料的活性成分處于休眠狀態(tài)；當在與水接觸時就會重新激活，產生新的晶體，提高混凝土的抗?jié)B等級，使混凝土達到永久性的防水效果。

水泥基滲透結晶型防水材料主要技術指標見表5。

表5 水泥基滲透結晶型防水材料主要技術指標

水泥基滲透結晶型防水材籵粘接強度及抗?jié)B性能優(yōu)于其他材料且經濟性較好。

5.4 凱頓(Krystol T1/T2)

凱頓Krystol T1/T2水泥基滲透結晶型防水涂料能有效阻止水分在混凝土內部的遷移提供一種永久性的防水處理方法防止鋼筋銹蝕防止小裂縫漏水防水性能隨時間增強，效果越明顯深入滲透混凝土內部，不會因為表面被磨損而影響防水效果處理過的混凝土可抵抗高強的靜水壓可用于混凝土結構迎水面和背水面(內部)的防水適用于新、舊混凝土，無毒性，被批準用于飲用水的容器。

5.5 HK-988彈性涂料

抗紫外線性能好、耐老化性能好，不變色、無毒、耐化學腐蝕、抗沖磨。

5.5.1 基本性能指標

表6 HK-988彈性涂料基本性能指標

5.5.2 拉伸性能指標

表7 HK-988彈性涂料拉伸性能指標

5.5.3 耐濕熱老化性能指標

經過涂料的濕熱老化處理后，材料的性能指標如表8。

表8 HK-988彈性涂料耐濕熱老化性能指標

從結果上看，經濕熱老化處理后，材料的拉伸強度有一定的損失，但其扯斷伸長率卻有所提升。

5.5.4 抗凍性能指標

將材料進行了300次凍融破壞，測試粘結強度為2.51MPa，說明材料的粘結強度雖有所降低，但是還是能夠滿足工程所需。

6 對比結果

通過比較，根據(jù)DG水電站地處高海拔寒冷地區(qū)惡劣自然環(huán)境，鑒于聚脲材料具有力學強度高、耐候性優(yōu)良、高彈韌性、高抗凍性等優(yōu)點，同時在潮濕和明水環(huán)境下具有高粘結強度，對混凝土及其他建筑物結構有良好的防水、抗凍、抗碳化等防護作用；水泥基滲透結晶型防水材料粘接強度及抗?jié)B性能優(yōu)于其他材料且經濟性較好。

通過上述分析比較，綜合防滲效果與工程造價等因素，在DG水電站水位變幅區(qū)使用聚脲作為防滲材料；在死水位以下使用滲透結晶型材料作為防滲材料。

7 施工工藝

7.1 聚脲涂料施工工藝

7.1.1 工藝流程

底材處理→聚脲涂料噴涂→后處理→密封膠施工→檢驗→養(yǎng)護→驗收。

7.1.2 施工工藝

首先用角磨機、高壓水槍等清除混凝土表面的灰塵、浮渣。待完全干燥后，用堵縫料進行表面找平，需堵縫部位待堵縫料固化后用角磨機磨平。然后清除掉表面的污物，刷涂一道配套底漆。

聚脲涂層的噴涂應在底漆施工后3h～168h內進行，如果間隔超過168h，在噴涂聚脲涂層前一天應重新施工一道底漆，然后再施工聚脲層。在噴涂之前，應用干燥的高壓空氣吹掉表面的浮塵。

噴涂前應考慮周圍環(huán)境情況，用塑料薄膜將周圍可能被污染的物品遮蔽，做好周圍環(huán)境的保護工作。

7.2 滲透結晶型材料施工工藝

7.2.1 工藝流程

基層處理→基面濕潤→制漿→噴涂→檢驗→養(yǎng)護→驗收。

7.2.2 施工工藝

防水材料涂刷前，必須對基層混凝土表面進行預處理，宜用砂磨機等工具將表面打磨粗糙后，再用水洗凈。

混凝土基面應采用清水充分濕潤，使混凝土保持面干飽和，但基層表面不得有明水。

噴涂時合理調整壓力并做到垂直于基面噴涂。涂層施工時，必須控制涂層的厚度，即應在規(guī)定的施工面積上將計算得出的涂料用量，均勻地涂刷或噴涂直至用完。

涂層終凝后需及時進行噴霧干濕交替養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于72h，每天向涂層噴灑水次數(shù)不得少于3次，不得用水浸泡養(yǎng)護。高溫季節(jié)遇到炎熱氣候時，應增加噴水次數(shù)，低溫季節(jié)養(yǎng)護時應加蓋保護材料防凍。

涂層養(yǎng)護開始的兩晝夜內，應避免受到暴風、曝曬、雨淋以及負溫受凍。

8 結語

經過理論分析結合現(xiàn)場試驗的方式，對目前主流的壩面防滲涂料進行了研究，經過經濟和效果的對比分析，最終確定了在水位變幅區(qū)使用聚脲作為防滲材料，在死水位以下使用滲透結晶型材料作為防滲材料，該研究可供類似工程借鑒。