膠東調(diào)水渡槽防碳化中一種新型滲透氟硅材料的應(yīng)用

(作者單位：山東省調(diào)水工程運行維護(hù)中心)

一、應(yīng)用背景

目前我國部分灌區(qū)內(nèi)水工混凝土建筑物由于年久失修老化病損現(xiàn)象嚴(yán)重，運行難以為繼。其中，解決混凝土碳化問題更為迫切。常用的水工防護(hù)材料主要有單組分聚脲防水涂料、雙組分聚脲防水涂料、聚合物水泥基防護(hù)涂料、滲透結(jié)晶型防水涂料、氟碳涂料、硅烷浸漬型材料等。單組分聚脲防水涂料和雙組分聚脲防水涂料防水防碳化效果好，但成本較高（＞300元/m2），施工條件苛刻。聚合物水泥基防護(hù)涂料和滲透結(jié)晶型防水涂料價格便宜，施工便捷，但抗凍害、抗沖磨、防碳化效果不佳。氟碳涂料耐老化、防水、防碳化性能優(yōu)異但滲透性差，黏結(jié)性不佳。硅烷浸漬型材料價格低廉、施工便捷，但耐久性較差。膠東調(diào)水渡槽防護(hù)材料汲取以上材料優(yōu)劣特點，選用滲透型氟硅防護(hù)涂料，不僅價格便宜、施工便捷、防碳化性能優(yōu)異，且能結(jié)合氟類耐久性好和硅類滲透能力好的優(yōu)勢。該材料和工藝曾在浙江鳳凰水庫壩后修復(fù)防護(hù)處理、江蘇遙望港閘修復(fù)防護(hù)處理、江蘇新江海河閘修復(fù)防護(hù)處理等工程中得到了成功應(yīng)用。

二、工程概況

淘金河渡槽位于山東省招遠(yuǎn)市，是膠東調(diào)水的重要渡槽之一。渡槽總長1373m，其中包括進(jìn)口漸變段長15.5m，出口漸變段長11m，進(jìn)口節(jié)制閘長7.5m，進(jìn)、出口銜接段長各10m。槽身三段采用三種結(jié)構(gòu)形式：①第一段：上承式預(yù)應(yīng)力砼拉桿拱式矩形渡槽結(jié)構(gòu)，跨度50.6m，共計15跨，長759m；②第二段：簡支梁式預(yù)應(yīng)力砼矩形渡槽結(jié)構(gòu)，跨度20m，共計16跨，長320m；③第三段：簡支梁式普通鋼筋砼矩形渡槽結(jié)構(gòu)，跨度10m，共計24跨，長240m。

該渡槽經(jīng)過多年運行，受碳化、凍融破壞、干濕交替等因素影響，槽身內(nèi)外、拉桿、排架、加強(qiáng)墩等部位出現(xiàn)不同程度的裂縫、局部混凝土剝蝕脫落、蜂窩麻面、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，且混凝土碳化問題相對嚴(yán)重。

為解決以上問題，保證渡槽輸水功能及安全性，在對渡槽進(jìn)行必要的局部化學(xué)灌漿和砂漿修復(fù)后，采用滲透型氟硅防護(hù)涂料對混凝土基面進(jìn)行防碳化處理，并設(shè)計對比區(qū)域，對施工效果進(jìn)行對比分析。

三、防碳化處理

1.防護(hù)原理

混凝土碳化是指空氣中的CO2氣體通過硬化混凝土的孔隙滲透到混凝土內(nèi)部，與混凝土中的Ca(OH)2等堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鈣和水，使混凝土堿性降低的過程。碳化問題不僅會降低混凝土自身強(qiáng)度，且對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說，會破壞鋼筋表面的鈍化膜保護(hù)層，失去保護(hù)的鋼筋在H2O和O2的共同作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致銹蝕，銹蝕產(chǎn)物的膨脹倍數(shù)約為2.20～2.45，明顯的體積膨脹使混凝土保護(hù)層完全脹裂，最終導(dǎo)致整個混凝土建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度嚴(yán)重下降，威脅其使用功能和安全性。

滲透型氟硅防護(hù)涂料是一種基于氟-硅復(fù)合體系的滲透型混凝土用防護(hù)材料，既具有氟類表面能低的特點，又能發(fā)揮硅類滲透能力好的優(yōu)勢。該材料涂覆于混凝土表面，滲透深度可達(dá)2～3mm，浸潤到混凝土內(nèi)部，與混凝土形成一個整體。各組分充分反應(yīng)后，形成滲透成膜結(jié)構(gòu)，該納米膜可防止外界水分子進(jìn)入混凝土內(nèi)部，但允許混凝土內(nèi)部水汽在一定壓力條件下向外界輸出，具備防水能力的同時阻止CO2、酸、堿、鹽等有害介質(zhì)進(jìn)入混凝土，形成一道保護(hù)屏障，使霉菌、苔蘚等微生物無法在其表面生長，從而達(dá)到防碳化、防滲、防腐、防霉菌苔蘚的效果，可有效延長混凝土結(jié)構(gòu)安全運行時間，減少后期運維費用，提高結(jié)構(gòu)美觀度。

2.材料性能與特點

針對膠東調(diào)水淘金河渡槽混凝土實際情況，在原滲透型氟硅防護(hù)涂料的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使其適用性更強(qiáng)，進(jìn)一步提高防碳化、附著力和耐久性。其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 滲透性氟硅防護(hù)涂料性能指標(biāo)

滲透型氟硅防護(hù)涂料特點：

①滲透性好。可滲透至混凝土內(nèi)部，與混凝土形成一個整體，附著力可達(dá)1級。

②防水性佳。成膜結(jié)構(gòu)，能減少90%以上的水滲透。

③可呼吸性。混凝土內(nèi)部的水汽可在一定壓力條件下透過防護(hù)涂層納米成膜結(jié)構(gòu)溢出，有效解決鼓泡、針孔等問題。

④防腐、防侵蝕。能減少95%以上的氯離子滲透，有效解決碳化、酸堿鹽、微生物侵蝕問題，大大延緩混凝土的劣化。

⑤自清潔性。涂層表面能低，可有效保持表面潔凈，美觀度好。

2.1.2 質(zhì)譜條件 采用電噴霧離子源（ESI），正、負(fù)離子模式檢測；掃描范圍：m/z 100～1 200；干燥氣：N2（純度：99.999 9%）；干燥氣流速：15 L/min；干燥氣溫度：350℃；碰撞低能量：4 V；碰撞高能量：10～40 V。

⑥優(yōu)異的耐候性。經(jīng)200次以上高低溫循環(huán)和1000h紫外線照射后，涂層性能保持完好，且滲透至混凝土內(nèi)部的涂層可隨混凝土一起慢慢消耗，耐久性長。

⑦高工作性。既可噴涂，也可刷涂或滾涂，極易施工。

⑧綠色環(huán)保。無揮發(fā)性組分、無污染，施工過程對人體影響小，固化物無毒、耐化學(xué)介質(zhì)性好。

3.施工方法及工藝

如有裂縫和坑窩、孔洞，需先進(jìn)行化學(xué)灌漿和砂漿修復(fù)處理，再進(jìn)行防護(hù)涂料的施工。本文僅對滲透型氟硅防護(hù)材料的施工工藝進(jìn)行介紹，基本工藝如下：

（1）基面打磨、清理

使用角磨機(jī)對混凝土基面進(jìn)行打磨處理，將表面的浮塵、松散顆粒等打磨干凈，然后使用大功率吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹除清潔，保證基面無雜物、粉塵、油污等。

（2）材料混合

（3）材料施工

采用滾涂或噴涂的涂刷方式，將滲透型氟硅防護(hù)涂料均勻涂布于混凝土表面，本工程采用噴涂。原則上噴涂一遍即可，如有明顯色差或者缺陷可在第一遍表干后進(jìn)行第二遍噴涂，材料平均用量約300g/m2。

（4）養(yǎng)護(hù)

施工完成后24h內(nèi)避免接觸明水。如遇雨水季節(jié)應(yīng)盡量關(guān)注天氣預(yù)報，完工5-7天內(nèi)嚴(yán)禁人為破壞。

四、施工效果分析

1.試驗設(shè)計

本次施工效果檢測采用直接對比法。在渡槽排架上預(yù)先選定運行環(huán)境相同的兩塊區(qū)域開始對比試驗，二者前序施工工藝（局部修復(fù)）完全相同，但留有一塊區(qū)域不做防碳化處理，完成施工運行一年后，采用酸堿指示劑法測量二者的混凝土碳化深度，并進(jìn)行對比分析。

2.試驗步驟

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GBT50344-2019中第4.5.12條規(guī)定，制定試驗步驟如下：

（1）測孔布置

在兩個對比區(qū)域分別均勻布置9個測孔，呈“田”字排列，距離區(qū)域邊角距離大于20cm。

（2）配制指示劑（酚酞試劑）

用75%酒精溶液與白色酚酞粉末配置成酚酞濃度為1.5%酚酞溶劑，裝入噴霧器備用。

（3）鉆孔、清孔

采用裝有20mm直徑鉆頭的沖擊鉆在測點位置鉆孔，成孔后用圓形毛刷將孔中碎屑、粉末清除，露出新鮮混凝土，注意不能用水清洗。

（4）檢測

將酚酞指示劑噴到孔壁上，待指示劑變色后用測深卡尺測量混凝土表面至酚酞變色交界處深度，精確到0.1mm，記錄測量結(jié)果。

3.試驗結(jié)果

本次對18個測孔進(jìn)行試驗后的結(jié)果見表2。

表2 測試結(jié)果對比表

通過表2可知，采用滲透型氟硅防護(hù)涂料進(jìn)行防護(hù)處理的區(qū)域未發(fā)生碳化反應(yīng)，該材料在本工程中的防碳化效果良好。