水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料在高原高寒地區(qū)大壩工程中的應(yīng)用

劉 昕 鑫，李 建 武，劉 斌

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

瓦托水電站位于西藏自治區(qū)昌都市卡若鎮(zhèn)列巴村金河下游約2.5 km處，是金河水電規(guī)劃中的第五個(gè)梯級(jí)。金河流域?qū)俑咴瓬貛О霛駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，每年11月至次年4月為旱季， 5～10月為雨季，金河流域內(nèi)冬季氣候寒冷干燥，夏季溫和濕潤(rùn)，日照較為充足，太陽(yáng)輻射較為強(qiáng)烈，日溫差大，年溫差小，無霜期短，總的氣候特征是空氣較為稀薄，氣壓低，氧氣少；高原紫外線強(qiáng)烈，氣溫偏低，旱季雨季分明。

工程區(qū)多年平均氣溫為7.6℃，實(shí)測(cè)最高氣溫33.4℃，發(fā)生在1972年；實(shí)測(cè)最低氣溫為-20.7℃，發(fā)生在1982年。壩址區(qū)最大凍土深度為0.8～1 m，最大風(fēng)速18 m/s(相應(yīng)風(fēng)向SE和NW)。

綜上所述，工程所在地由于處于高原高寒地區(qū)，受地理氣候條件等因素影響，具有氣壓較低、日照強(qiáng)烈、平均濕度較低、平均氣溫較低、溫差較大等明顯特點(diǎn)。

瓦托水電站大壩為常態(tài)混凝土重力壩，壩體混凝土總方量為27.8萬m3。為提高大壩整體防滲效果，施工過程中采取了在大壩上游面涂刷水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料的方案。水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料是一種含有活性化合物的粉狀防水涂料，主要由滲透結(jié)晶型活性劑、二氧化硅、硅酸鹽水泥等化學(xué)物質(zhì)組成，其為粉末狀材料，是一種新型永久型剛性防水材料，在大面積混凝土和砂漿面的防水應(yīng)用中具有無可比擬的優(yōu)越性[1]。由于工程所在地的地理位置特殊，氣候條件惡劣，高原高寒干燥的施工環(huán)境給該材料的使用帶來了很大的困難。為了克服這些困難，施工過程中，通過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并采取多種有效措施，最終確保了該材料的有效應(yīng)用，取得了較好的效果。筆者詳細(xì)介紹了水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料在高原高寒地區(qū)大壩工程中的應(yīng)用情況。

2 水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料的基本原理及其對(duì)混凝土大壩的主要作用

(1)基本原理。水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料的特點(diǎn)是全方位自動(dòng)結(jié)晶滲透，所生成的晶體能深入封堵混凝土和砂漿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙，改善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，防水具有永久性，無水時(shí)處于休眠狀態(tài)，一旦有水滲入，能夠生成新的晶體進(jìn)行封堵，具有對(duì)新生成的細(xì)小裂紋自動(dòng)修復(fù)的功能，沒有老化期，防水性與結(jié)構(gòu)同壽命[2]。

(2)水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料對(duì)混凝土大壩的主要作用。

①自動(dòng)修復(fù)表層細(xì)小裂紋，堵塞滲漏通道。在水利水電工程中，當(dāng)下閘蓄水完成后，大壩上游迎水面大部分將浸泡在水庫(kù)之中，如果壩體表面存在細(xì)微裂縫，受大溫差、水位漲落及水力侵蝕影響，這些裂縫會(huì)不斷向內(nèi)發(fā)展，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)造成持續(xù)性破壞，形成滲漏通道，降低大壩混凝土的耐久性。根據(jù)水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料的基本特點(diǎn)，該材料在遇水涌入時(shí)會(huì)生成晶體，從而自動(dòng)對(duì)混凝土表面的細(xì)小裂紋進(jìn)行修復(fù)，及時(shí)堵塞滲漏通道，避免壩體受到進(jìn)一步破壞，起到了良好的防水防裂縫作用。

②改善施工縫及結(jié)構(gòu)縫的薄弱區(qū)域，形成整體效應(yīng)。瓦托水電站大壩壩體為重力式大壩，混凝土壩共分為10個(gè)壩段，均采用常態(tài)混凝土，澆筑施工過程中采用了翻升模板施工工藝。根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，共設(shè)置了9條縱向結(jié)構(gòu)縫。同時(shí)，根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，壩體強(qiáng)約束區(qū)按照1.5 m進(jìn)行分層，其他部位按3 m左右進(jìn)行分層，每個(gè)壩段施工縫均在20條以上。由于壩段間及上下層施工均存在時(shí)間差，先澆塊與后澆塊混凝土收縮存在明顯差異，特別是在高原高寒地區(qū)，這種差異更加明顯。因此，這些分縫部位不可避免地成為壩體滲漏的薄弱區(qū)域。通過在壩體上游涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，各分縫均被一層完整涂料包裹。同時(shí)，該涂料與上游壩面混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成整體面層，從而起到了消除分縫的作用，有效地解決了分縫薄弱區(qū)域的滲漏問題。

③外表面形成防凍封閉層，減輕了寒潮對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的直接影響。瓦托水電站工程所在地高程為3 300 m左右，全年整體氣溫較低，日溫差大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，單日溫差最高可達(dá)23℃以上。按照工期安排，混凝土施工需要跨越2個(gè)冬季。當(dāng)遇到寒潮或單日溫差過大時(shí)，混凝土表面長(zhǎng)時(shí)間受到反復(fù)凍脹破壞，會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成較大影響。根據(jù)混凝土冬季施工措施，大壩混凝土施工完成后主要采用4 cm厚 XPS 板保溫，其等效放熱系數(shù)不大于 100 kJ/(m2·d·℃)。但XPS板在粘貼過程中，相鄰板之間存在一定縫隙，這些部位的保溫效果往往難以達(dá)到預(yù)期。同時(shí)，受大風(fēng)天氣影響，部分XPS板粘貼完成后會(huì)發(fā)生脫落，從而影響該部位的保溫效果。因此，當(dāng)混凝土澆筑完成后，及時(shí)涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，不僅可以起到防水作用，亦可以起到臨時(shí)保溫作用。雖然其保溫效果遠(yuǎn)不及XPS板，但及時(shí)形成的防凍封閉層可以對(duì)保溫板的不足起到一定的補(bǔ)充，從而減輕寒潮等對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的直接影響。

④易于修復(fù)，提高壩體混凝土的耐久性。受高原高寒特殊氣候的影響，水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料涂刷在混凝土表面后，即使嚴(yán)格按照使用要求進(jìn)行操作，往往也比其他正常環(huán)境下使用更容易出現(xiàn)脫殼掉皮等現(xiàn)象。水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料作為一種相對(duì)較經(jīng)濟(jì)的材料，如果出現(xiàn)這些現(xiàn)象之后，只需對(duì)局部進(jìn)行二次打磨、二次涂刷處理即可，處理難度和成本相對(duì)較低。同時(shí)，進(jìn)行二次處理所花的時(shí)間較少，及時(shí)進(jìn)行二次處理對(duì)混凝土的表面影響相對(duì)更小，從而有利于提高壩體混凝土的耐久性能。

⑤表面光潔，能夠提升大壩的美觀效果。按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求，水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料在涂刷前需要對(duì)混凝土表面的外觀缺陷(錯(cuò)臺(tái)、麻面等)進(jìn)行處理，淺層裂縫的部位用鋼絲刷進(jìn)行重點(diǎn)打毛，經(jīng)過處理后的混凝土表面整體較為平整。涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料后，從外觀面看，可形成一層完整的外殼，沒有施工縫印跡，表面均勻光潔，可大幅度提升大壩的美觀效果。

3 高原高寒氣候環(huán)境對(duì)防水涂料的影響研究

(1)水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料效果影響因素分析。瓦托水電站防水涂料的施工時(shí)段為2017年3月～2018年7月(其中2017年12月和2018年1月由于氣溫過低，未進(jìn)行該項(xiàng)目施工)。全年現(xiàn)場(chǎng)記錄的溫度范圍為-5.4℃～28.9℃，平均相對(duì)濕度范圍為19.25%～70.86%。其中施工時(shí)段內(nèi)大部分時(shí)間溫度在20℃以下，平均相對(duì)濕度在50%以下。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)防水涂料影響最大的兩個(gè)因素主要為氣溫和相對(duì)濕度，其中低溫環(huán)境條件主要會(huì)對(duì)第1層涂料初步固化時(shí)間造成影響，干燥的環(huán)境條件主要會(huì)對(duì)達(dá)到設(shè)計(jì)抗壓和黏結(jié)強(qiáng)度的時(shí)間造成影響。[3]

(2)水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料性能指標(biāo)試驗(yàn)研究。為適應(yīng)高海拔地區(qū)特殊氣候條件，確保防水涂料的施工質(zhì)量，施工前對(duì)該材料的的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。為了更接近于工程所在地的實(shí)際情況，試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)營(yíng)造了5組不同的溫度和平均濕度環(huán)境，其中溫度分別取了-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃，平均濕度分別取了20%、25%、30%、40%、45%，試驗(yàn)取值情況與實(shí)際施工時(shí)段的外界溫度和平均濕度范圍基本相近。

①平均抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。試驗(yàn)選取了5組試件在不同的溫度下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，其中環(huán)境溫度在5℃以下時(shí)，試件的平均抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系十分密切，呈正相關(guān)，最小平均抗壓強(qiáng)度為13.43 MPa，最高平均抗壓強(qiáng)度為22.54 MPa。當(dāng)環(huán)境溫度上升到5℃以上時(shí)，試件的平均抗壓強(qiáng)度與溫度仍然呈正相關(guān)，但隨溫度上升其增長(zhǎng)的速度明顯放緩。

②平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。試驗(yàn)選取了5組試件在不同的溫度下進(jìn)行濕基面黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，其中環(huán)境溫度在5℃以下時(shí)，試件的平均抗壓強(qiáng)度與溫度關(guān)系十分密切，呈正相關(guān)，最小平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度為0.88 MPa，最高平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度為1.19 MPa。當(dāng)環(huán)境溫度上升到5℃以上時(shí)，試件平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度與溫度仍然呈正相關(guān)，但隨溫度上升其增長(zhǎng)的速度明顯放緩。

③第1層涂料初步固化的平均時(shí)間與溫度的關(guān)系。試驗(yàn)選取了5組試件在不同的溫度下進(jìn)行第1層涂料初步固化時(shí)間測(cè)試，其中在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),試件的第1層涂料初步固化平均時(shí)間與溫度關(guān)系十分密切，呈負(fù)相關(guān)，第1層涂料初步固化的平均時(shí)間最短為1.58 h，最長(zhǎng)為2.37 h。

④平均抗壓強(qiáng)度與相對(duì)濕度的關(guān)系。試驗(yàn)選取了5組試件在不同的濕度下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，其中在試驗(yàn)濕度范圍試件的平均抗壓強(qiáng)度與平均濕度關(guān)系十分密切，呈正相關(guān)，最小平均抗壓強(qiáng)度為21.45 MPa，最高平均抗壓強(qiáng)度為23.53 MPa。

⑤平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度與相對(duì)濕度的關(guān)系。試驗(yàn)選取了5組試件在不同的濕度條件下進(jìn)行濕基面黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，其中環(huán)境平均濕度在30%以下時(shí)，試件的平均抗壓強(qiáng)度與平均濕度的關(guān)系十分密切，呈正相關(guān)，最小平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度為1.23 MPa，最高平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度為1.25 MPa。當(dāng)環(huán)境平均濕度上升到30%以上時(shí)，試件的平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度與平均濕度不再有明顯聯(lián)系，甚至略有降低。

⑥第1層涂料初步固化的平均時(shí)間與相對(duì)濕度的關(guān)系。試驗(yàn)選取了5組試件在不同的濕度條件下進(jìn)行第1層涂料初步固化時(shí)間測(cè)試，其中在試驗(yàn)濕度范圍內(nèi),試件的第1層涂料初步固化平均時(shí)間與平均濕度關(guān)系十分密切，呈正相關(guān)，第1層涂料初步固化的平均時(shí)間最短為1.42 h，第1層涂料初步固化的平均時(shí)間最長(zhǎng)為1.58 h。

綜上所述，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)：在一定的范圍內(nèi)，溫度越高，固結(jié)越快，其平均抗壓強(qiáng)度和平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度越高。當(dāng)氣溫降到5℃以下時(shí)，這兩項(xiàng)指標(biāo)的下降趨勢(shì)更加明顯。而第1層涂料初步固化的平均時(shí)間隨溫度升高會(huì)逐漸縮短。

在一定范圍內(nèi)，濕度升高會(huì)引起平均抗壓強(qiáng)度、平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度升高。隨著濕度不斷提高，其平均抗壓強(qiáng)度上升趨勢(shì)會(huì)逐漸變緩。當(dāng)達(dá)到一定濕度時(shí)，平均濕基面的黏結(jié)強(qiáng)度將不再繼續(xù)上升。第1層涂料初步固化的平均時(shí)間隨濕度升高會(huì)逐漸變長(zhǎng)。

因此，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，溫度越高對(duì)水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料各項(xiàng)性能指標(biāo)的提升越有利，特別是在5℃以下時(shí)更加明顯。平均濕度的高低不同會(huì)對(duì)水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料各項(xiàng)性能指標(biāo)產(chǎn)生截然不同的影響。在高原高寒干燥的特殊環(huán)境下，將平均濕度控制在30%以上時(shí)，將更有利于提升平均濕基面黏結(jié)強(qiáng)度，減少涂刷后掉皮現(xiàn)象的發(fā)生。

4 水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料的主要施工工藝及過程控制關(guān)鍵技術(shù)

(1)主要施工工藝。水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料主要施工工藝分為6步，其工藝流程如下：基層處理→基面濕潤(rùn)→制漿→涂水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料→檢驗(yàn)→養(yǎng)護(hù)驗(yàn)收。[4]

(2)施工過程質(zhì)量控制要點(diǎn)。施工過程中，對(duì)防滲涂料影響較大的質(zhì)量關(guān)鍵控制點(diǎn)主要包括涂料的貯存方式、基層處理、拌制、涂刷、低溫時(shí)段保溫及養(yǎng)護(hù)等幾個(gè)方面。簡(jiǎn)述如下：

①貯存方式。貯存與運(yùn)輸時(shí)，不同類型的產(chǎn)品應(yīng)分別堆放，不應(yīng)與其他物資混雜。材料需置于干燥處，密封保存，避免日曬雨淋，防止受潮。[5]貯存溫度不低于0℃。由于工程所在地氣溫較低，材料均采取室內(nèi)貯存，使用時(shí)再挑選溫度適宜的時(shí)間按計(jì)劃領(lǐng)用。產(chǎn)品應(yīng)在規(guī)定貯存期內(nèi)使用完，貯存期自生產(chǎn)之日起開始計(jì)算，超過貯存期的防水涂料不得使用。

②基層處理控制要點(diǎn)。由于大壩混凝土上游面采用的是大型鋼模板澆筑，整體表面較為光滑，同時(shí)上下層模板之間水平施工縫部位容易出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象。基層處理時(shí)，應(yīng)按照施工方案對(duì)每個(gè)部位的缺陷進(jìn)行細(xì)致處理，確?；娴哪Σ料禂?shù)并用水潤(rùn)濕。由于工程所在地氣候干燥，混凝土表面的水分蒸發(fā)速度較快，在實(shí)際施工過程中，每次對(duì)基面的潤(rùn)濕面積不宜過大，否則應(yīng)進(jìn)行二次潤(rùn)濕，以確保涂刷前基面滿足要求。

③拌制過程控制要點(diǎn)。為便于現(xiàn)場(chǎng)施工，防水涂料的拌制采取現(xiàn)場(chǎng)隨拌隨用的方式。由于溫度太低，拌制方式采取現(xiàn)場(chǎng)拌制，不能一次性拌制過多并盡量采用溫水拌制。另一方面，應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)報(bào)告要求的配合比進(jìn)行拌制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的容積量測(cè)桶應(yīng)每天進(jìn)行檢查，保證配料用量準(zhǔn)確，每次使用完后應(yīng)清洗干凈。

④涂刷過程的控制要點(diǎn)。涂刷過程主要應(yīng)對(duì)涂刷的次數(shù)、間歇時(shí)間、均勻度等進(jìn)行重點(diǎn)控制。其中涂刷次數(shù)根據(jù)該材料的使用說明要求為兩遍，但對(duì)于局部存在涂刷不均勻、涂層脫落等明顯質(zhì)量缺陷的部位應(yīng)進(jìn)行處理后補(bǔ)涂；兩次涂刷的間歇時(shí)間應(yīng)結(jié)合當(dāng)日的溫度實(shí)測(cè)情況按試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果中要求的時(shí)間進(jìn)行控制。涂刷時(shí)，第一遍采用長(zhǎng)毛滾筒刷，第二遍采用專用半硬的尼龍刷，應(yīng)一邊涂刷一邊觀察其均勻度，并保證其厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

⑤低溫時(shí)段的保溫及養(yǎng)護(hù)。在低溫時(shí)段，施工應(yīng)盡量安排在白天，氣溫降至5℃以下前完成已涂刷面的保溫工作。同時(shí)，對(duì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，利用白天溫度較高時(shí)段進(jìn)行，夜間不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以避免結(jié)冰。

通過對(duì)這些質(zhì)量控制關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格控制，雖然工程所在地存在溫度低、晝夜溫差大、氣候干燥等不利條件，但最終的施工效果經(jīng)過檢查均滿足設(shè)計(jì)及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。大壩蓄水后，四方對(duì)壩后及壩內(nèi)廊道進(jìn)行了聯(lián)合檢查，防滲效果較好，未發(fā)現(xiàn)明顯的滲水點(diǎn)。

5 結(jié) 語

瓦托水電站工程利用大壩施工期同步進(jìn)行了壩體上游面防水涂料的施工，充分利用了水泥基滲透結(jié)晶性防水涂料的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了提高大壩壩體防滲效果的目的。由于工程所在地高寒高海拔等特殊氣候環(huán)境，給該材料的有效應(yīng)用帶來了一定難度。但通過室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)施工過程中不斷摸索總結(jié)，形成了一套行之有效的施工工藝，取得了良好的施工效果，積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。已經(jīng)取得的成果將為后期進(jìn)一步深化研究提供參考和借鑒。