GMT新材料在泄水建筑物修復(fù)中的應(yīng)用研究

李海寧，晁永蓮

(1.青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)管理局，青海 西寧 810001；2.青海禹辰水利水電有限公司，青海 西寧 810001)

1 研究背景

據(jù)調(diào)查，我國正在運(yùn)行中的水工建筑物因長期受到水流的沖刷以及水壓力的侵蝕作用，導(dǎo)致建筑物存在不同程度的缺陷，甚至有嚴(yán)重的安全隱患[1-4]。嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土除面臨沖磨破壞和空蝕破壞外，還存在凍脹、冰推、冰拔、冰撞等凍害問題，更加劇水工混凝土的破壞[5]。為改善水工結(jié)構(gòu)的抗沖磨、空蝕以及凍融能力，數(shù)十年來，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于研究高速水流的侵蝕和破壞以及水利水電設(shè)施的維護(hù)，所涉及的抗沖磨材料種類諸多[6-7]。其中，有機(jī)類抗沖磨材料因抗沖磨性能優(yōu)異，具有與混凝土粘結(jié)性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，此類材料有聚合物樹脂砂漿、聚合物改性水泥砂漿、聚合物彈性體和有機(jī)耐磨涂層，涉及的聚合物包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚脲彈性體[8-10]。不足之處在于與待修復(fù)混凝土基底的線性膨脹系數(shù)差別較大，在運(yùn)行環(huán)境變化、高速泄水(如流速超過40m/s)、尤其是嚴(yán)寒地區(qū)易發(fā)生脫層、起翹、龜裂等劣化問題，相容性及適應(yīng)性難以滿足實(shí)際工程要求。

經(jīng)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用情況表明，除了要求修復(fù)材料具有一定的強(qiáng)度、韌性以及抵抗對(duì)溫濕變化的能力，還應(yīng)改善其對(duì)基層混凝土的粘結(jié)性能及與老混凝土基面的適應(yīng)性等[11-12]。同時(shí)，還要根據(jù)水利工程混凝土的不同破壞情況，采用合適的修復(fù)材料與施工工藝，方能對(duì)水工混凝土缺陷做到有效修復(fù)[13]，其中固密特(Gumeete簡稱為GMT)新材料專注于混凝土建筑物的修復(fù)，具有防滲、抗沖蝕以及粘結(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。本文根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土運(yùn)行特點(diǎn)、破壞形式、破壞程度、待修復(fù)基面情況、老混凝土強(qiáng)度等級(jí)、應(yīng)用場(chǎng)合等不同，介紹了GMT系列3類修復(fù)材料的性能特點(diǎn)，并將該修復(fù)材料應(yīng)用于泄水及其他建筑物工程中。

2 嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土修復(fù)材料選擇原則

嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土修復(fù)材料選擇要求主要考慮以下幾個(gè)方面：

(1)力學(xué)性能。修復(fù)材料具有不低于混凝土基底的強(qiáng)度、韌性以及與老混凝土有良好的粘結(jié)性能。

(2)耐久性。具有良好的耐久性，如抗沖磨、抗?jié)B性、耐腐蝕性等。

(3)相容性。與基底良好的熱相容性。

(4)適應(yīng)性。與基底相匹配的線性膨脹系數(shù)、線性收縮率。

(5)韌性、抗凍性能。具有一定的韌性、抗沖擊性能、抗凍性能，以抵抗溫度、濕度變化的能力，適應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土修復(fù)。

(6)和易性、經(jīng)濟(jì)性。具有適宜的稠度、適用期、固化時(shí)間、經(jīng)濟(jì)性，以便于施工、運(yùn)行及推廣。

同時(shí)，嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土修復(fù)材料的選擇還要結(jié)合實(shí)際工程情況，如破壞因素、沖磨部位、沖磨破壞程度、缺陷深度、基面干燥程度等，選擇合適的修復(fù)材料。

3 GMT系列修復(fù)材料介紹

3.1 GMT系列修復(fù)材料的性能指標(biāo)

根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土實(shí)際修補(bǔ)需要，GMT系列修復(fù)材料有GMT高性能改性聚合物修補(bǔ)砂漿、GMT新型快速修復(fù)抗沖磨砂漿、GMT特種高聚物修復(fù)材料3種主材，具體如下：

(1)GMT高性能改性聚合物修補(bǔ)砂漿

GMT高性能改性聚合物修補(bǔ)砂漿(以下簡稱GMT Ⅰ)由A1、B1兩組分組成，其中A1組分為高性能水性復(fù)合聚合物、外加劑等，B1組分由水泥(P·O 42.5)、復(fù)合摻合料、觸變劑、級(jí)配石英砂等組成。作為一種水性高分子復(fù)合聚合物改性砂漿，與油性聚合物砂漿相比，更為環(huán)保，更適用于潮濕基面施工，其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 GMT Ⅰ性能指標(biāo)

GMT Ⅰ與普通砂漿相比，具有優(yōu)異的粘結(jié)、耐磨、抗?jié)B等性能，綠色環(huán)保，施工便捷，可人工抹涂作業(yè)也可機(jī)械噴涂施工。

(2)GMT新型快速修復(fù)抗沖磨砂漿

GMT新型快速修復(fù)抗沖磨砂漿(以下簡稱GMT Ⅱ)由A2、B2、C2三組分組成，其中A2組分是由一種改性環(huán)氧樹脂、增韌劑及其他助劑組成，B2組分為固化體系，包括改性固化劑、稀釋劑、固化促進(jìn)劑等，C2組分由級(jí)配特種砂料、復(fù)合活性粉狀填料等組成。A2、B2、C2按規(guī)定比例攪拌混合固化后形成一種高韌性的快速修復(fù)材料，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 GMT Ⅱ性能指標(biāo)

GMT Ⅱ具有高沖磨強(qiáng)度、良好的柔韌性、抗沖擊性能強(qiáng)，抗凍性能佳，能夠適應(yīng)高寒地區(qū)大溫差、凍融循環(huán)頻繁等嚴(yán)苛的環(huán)境。

(3)GMT特種高聚物修復(fù)材料

GMT特種高聚物修復(fù)材料(以下簡稱GMT Ⅲ)由A3、B3、C3三組分組成，該修復(fù)材料是以改性脂肪族聚脲A3代替水泥作為膠結(jié)材料，與特種級(jí)配砂料B3、改性混合粉料C3制成一種高彈性、高沖磨強(qiáng)度的混凝土修復(fù)加固材料，其主要性能指標(biāo)見表3。

表3 GMT Ⅲ性能指標(biāo)

GMT Ⅲ 除了具有高韌性，還具有高抗沖磨強(qiáng)度、抗沖擊性、抗?jié)B、抗凍、耐老化性能，良好的高低溫性能，施工方便，適用于泄水建筑物水流過流面表面沖刷磨蝕及氣蝕破壞的表層修復(fù)。

3.2 GMT系列修復(fù)材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能是修復(fù)材料的重要性能之一，其中，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度是表征修復(fù)材料基本特征的重要指標(biāo)。通過比較分析修復(fù)材料的力學(xué)性能參數(shù)，獲取適合于不同水工建筑物的修復(fù)材料。圖1為GMT Ⅰ、GMT Ⅱ和GMT Ⅲ三種不同修復(fù)材料的28d抗壓強(qiáng)度和28d抗折強(qiáng)度，其中，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度每組數(shù)據(jù)分別測(cè)5個(gè)試件并求其平均值。由圖1可知，GMT Ⅰ的抗壓強(qiáng)度高于GMT Ⅱ和GMT Ⅲ，GMT Ⅱ的抗折強(qiáng)度高于其他2種修復(fù)材料，GMT Ⅲ的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均處于最低。

圖1 各修復(fù)材料的力學(xué)性能

3.3 GMT系列修復(fù)材料的粘結(jié)性能

根據(jù)嚴(yán)寒地區(qū)待修復(fù)水工混凝土的破壞因素、沖磨部位、沖磨破壞程度、缺陷深度、基面干燥程度、相容性、經(jīng)濟(jì)性等情況，需選擇GMT系列修復(fù)材料一種或多種修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)使用。GMT系列修復(fù)材料與老混凝土面、不同底材之間的粘結(jié)性能見表4。

表4 各修復(fù)材料間的粘結(jié)性能

由表4可知，GMT Ⅰ、GMT Ⅱ、GMT Ⅲ與老混凝土面粘結(jié)測(cè)試結(jié)果均大于4MPa，破壞層均為老混凝土面；不同修復(fù)材料之間粘結(jié)測(cè)試結(jié)果均大于5MPa，從破壞情況來看：粘結(jié)強(qiáng)度GMT Ⅱ>GMT Ⅲ>GMT Ⅰ。

GMT Ⅰ、GMT Ⅱ、GMT Ⅲ修復(fù)材料均具有優(yōu)異的強(qiáng)度、抗沖磨性、抗凍性等性能，根據(jù)各自優(yōu)勢(shì)單獨(dú)或復(fù)合修復(fù)嚴(yán)寒地區(qū)水工建筑不同情況的缺陷，可以承受嚴(yán)寒地區(qū)的高、低溫，補(bǔ)償高低溫引起的形變，抵抗嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土凍害、沖磨破壞等問題?？偨Y(jié)如下：① GMT Ⅰ是一種水性高分子復(fù)合聚合物改性砂漿，其抗壓強(qiáng)度高于其他2種修復(fù)材料，但抗折強(qiáng)度低于GMT Ⅱ，可廣泛應(yīng)用于水流落差不大的水工建筑物表面凍害、沖蝕破壞修復(fù)；② GMT Ⅱ的抗壓強(qiáng)度略低于GMT Ⅰ，其抗折強(qiáng)度最高，通常將GMT Ⅱ單獨(dú)使用或GMT Ⅰ作為底層材料與GMT Ⅱ復(fù)合使用，修復(fù)高速夾砂水流的非外露型泄水建筑物表面，如導(dǎo)流洞、泄洪排沙洞等；③ GMT Ⅲ的力學(xué)性能不及GMT Ⅰ、GMT Ⅱ，但對(duì)比表1、2、3可知，其抗沖磨強(qiáng)度和壓縮形變率最高，通常將GMT Ⅲ單獨(dú)使用或利用GMT Ⅰ、GMT Ⅱ作為底層材料與GMT Ⅲ復(fù)合使用，修復(fù)高速夾砂水流的外露型泄水建筑物表面，如溢流壩、泄洪閘井室等。

4 GMT系列修復(fù)材料在工程應(yīng)用情況

GMT系列修復(fù)材料均具有良好的綜合力學(xué)性能、粘結(jié)性、抗沖磨強(qiáng)度和耐久性，已應(yīng)用到多個(gè)嚴(yán)寒地區(qū)水工混凝土缺陷修復(fù)工程，經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證，效果良好。

4.1 項(xiàng)目概述

4.1.1工程概況

寶庫河三級(jí)水電站位于中國青海省大通縣境內(nèi)，以城市供水及發(fā)電。樞紐所在位置地形較為陡峭，自然坡42°～46°，呈U形，水電站共安裝3臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量1.5萬MW。

該水電站的泄水道寬2.0m，長132.3m，坡比為1∶1.05，引水流量為17m3/s，泄水道經(jīng)過多年運(yùn)行，間斷性承受懸移質(zhì)與夾雜的高速水流的沖刷及氣蝕破壞，以及氣候因素導(dǎo)致的凍害破壞，混凝土表層出現(xiàn)大面積剝蝕脫落、露骨露筋等現(xiàn)象，目前所有破壞的部位其深度達(dá)到1～5cm不等。上述問題已嚴(yán)重影響泄水道的正常運(yùn)行能力，在以后高水頭、大流速的情況下運(yùn)行，沖磨范圍和深度將進(jìn)一步加大，當(dāng)磨損加大加深，危及鋼筋等結(jié)構(gòu)受力物時(shí)，導(dǎo)致鋼筋斷裂，泄水道整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全概況隱患，進(jìn)而影響整個(gè)樞紐工程正常運(yùn)行。

4.1.2原因分析

(1)由于泄水槽底板混凝土本身對(duì)于高速夾砂水流的抗沖蝕能力不足導(dǎo)致的沖蝕破壞。

(2)由于泄水槽落差大、流速高而產(chǎn)生的氣蝕破壞。

(3)由于泄水槽原伸縮縫沒有設(shè)置柔性止水材料嵌填，導(dǎo)致伸縮縫周邊混凝土的凍融破壞。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)材料情況

(1)GMT Ⅰ修復(fù)材料

水泥采用52.5硅酸鹽水泥，石英砂采用10-20目、20-40目、40-70目按照2∶2∶1進(jìn)行配置，根據(jù)生產(chǎn)廠家實(shí)驗(yàn)室確定施工配合比為水泥∶砂子∶丙乳∶外加劑∶水=10∶20∶2.3∶1∶0.7。本工程根據(jù)實(shí)際情況采用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，要求拌制好的材料在30min內(nèi)用完為宜。

(2)GMT Ⅲ修復(fù)材料

聚脲砂漿A3∶B3∶C3按照1∶1∶5進(jìn)行配置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用速度采用電動(dòng)攪拌鉆進(jìn)行攪拌，首先是將A3、B3組分?jǐn)嚢杈鶆?，然后邊攪拌邊加入C3組分直至攪拌均勻無結(jié)塊即可，要求拌制好的材料在30min內(nèi)用完為宜。

4.3 泄水槽底板綜合修復(fù)(GMT Ⅰ+GMT Ⅲ)

4.3.1GMT Ⅰ修復(fù)材料底層修復(fù)

(1)鑿毛處理

使用電鎬對(duì)需處理缺陷范圍內(nèi)松散破損部位混凝土進(jìn)行鑿毛處理直至密實(shí)混凝土基面。

(2)基面除塵處理

對(duì)于鑿毛過的基面先使用高壓水沖洗松動(dòng)顆粒和粉塵，再使用高速吹風(fēng)機(jī)對(duì)基面表面吹洗，保證基面無雜物粉塵及明水，對(duì)于存在裸露鋼筋采用鋼絲刷除銹。

(3)底層基液涂刷

在修復(fù)基面處理完成且檢驗(yàn)合格后，在混凝土基面上滾涂一層專用改性聚合物凈漿以增強(qiáng)GMT Ⅰ修復(fù)材料與原混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。丙烯酸酯乳液∶水泥=1∶2進(jìn)行稱量配制，采用攪拌鉆攪拌均勻無結(jié)塊。

將拌制好的基液均勻的涂抹在基面上，并要求涂抹面薄而均勻，基液應(yīng)現(xiàn)拌現(xiàn)用，同時(shí)涂刷基液和GMT Ⅰ修復(fù)材料交叉進(jìn)行，基液涂刷后無需等待即可進(jìn)行聚合物砂漿的涂抹。

(4)GMT Ⅰ的拌制和涂抹

因該產(chǎn)品出廠前已經(jīng)按照比例配置完成，故只需按照產(chǎn)品說明將A1組分液料與B1組分粉料整組攪拌均勻(約需7～10 min)即可供施工使用。用量少的情況下可按照產(chǎn)品使用說明進(jìn)行稱量，也可人工拌制。應(yīng)同方向涂抹GMT Ⅰ修復(fù)材料，并進(jìn)行壓實(shí)以排除多余氣體。由于本泄水槽底板坡降較大，對(duì)于修補(bǔ)較深部位采用分層施工的方法進(jìn)行施工，每次涂抹厚度為3cm。

(5)養(yǎng)護(hù)

GMT Ⅰ修復(fù)材料涂抹完畢后，表面采用噴霧灑水的養(yǎng)護(hù)方式，7d后自然干燥即可。

4.3.2GMT Ⅲ修復(fù)材料面層修復(fù)

(1)基面處理

對(duì)修復(fù)過的基面局部不平整區(qū)域再次打磨，潮濕基面進(jìn)行干燥處理。

(2)刮涂專用界面劑

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及高彈性聚脲修復(fù)材料施工速度配置相應(yīng)用量的專用界面劑，使用刮板將界面劑刮涂在合格的混凝土基面上，要求刮涂盡可能的薄而均勻且混凝土基面無漏刮、漏點(diǎn)現(xiàn)象。

(3)涂抹GMT Ⅲ修復(fù)材料

待界面劑表面干后將配好的GMT Ⅲ修復(fù)材料攪拌均勻，在基面上攤鋪開，使用抹子將GMT Ⅲ修復(fù)材料涂抹均勻表面平整無刮痕，刮涂厚度控制在5～7mm。

(4)養(yǎng)護(hù)

待GMT Ⅲ修復(fù)材料施工完成后，自然養(yǎng)護(hù)7d后即可使用，養(yǎng)護(hù)期間保證表面不被外力破壞及其它材料表面污染。

4.3.3泄水槽側(cè)墻聚脲封閉涂刷

(1)基面處理

對(duì)于需要處理部位首先采用角磨機(jī)對(duì)混凝土表面打磨至新鮮混凝土基面并用大功率吹風(fēng)機(jī)將表面吹除干凈。

(2)刮涂專用界面劑

對(duì)于檢查合格的基面使用刮板將配置好的界面劑刮涂在混凝土基面上，要求涂刷均勻無漏點(diǎn)。

(3)聚脲封閉涂刷

待界面劑表面干后(約5h后)即可涂刷聚脲封閉涂料要求刮涂均勻表面平整光滑無氣泡。

4.3.4泄水槽底板伸縮縫密封膠嵌填

(1)基面處理

對(duì)需要換填伸縮縫首先使用切割機(jī)切除表面砂漿，然后鑿除伸縮縫內(nèi)嵌填物，保證伸縮縫深度不小于3cm，然后使用大功率吹風(fēng)機(jī)將縫內(nèi)雜物粉塵吹除干凈，伸縮縫兩側(cè)用膠帶進(jìn)行粘貼，伸縮縫寬度為3cm。

(2)嵌填聚氨酯建筑密封膠

根據(jù)伸縮縫用量配置聚氨酯密封膠，經(jīng)稱量拌制至均勻即可；然后使用灰刀將密封膠嵌填入縫內(nèi)，要求填壓密實(shí)，表面光滑；最后拆除膠帶即可。

4.3.5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

采用GMT Ⅰ+GMT Ⅲ組合修復(fù)材料，使修復(fù)結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖磨性和整體性，為了對(duì)修復(fù)后的新老混凝土粘結(jié)性能進(jìn)行定量分析以及保證修復(fù)后的泄水建筑物的正常運(yùn)行，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，GMT Ⅰ和GMT Ⅲ與老混凝土面的粘結(jié)強(qiáng)度、修補(bǔ)厚度分別見表5—6。

表5 GMT Ⅰ與老混凝土面的粘結(jié)強(qiáng)度和修補(bǔ)厚度

表6 GMT Ⅲ與老混凝土面的粘結(jié)強(qiáng)度和修補(bǔ)厚度

由表5—6可知，GMT Ⅲ與老混凝土面的粘結(jié)強(qiáng)度普遍高于GMT Ⅰ與老混凝土面的粘結(jié)強(qiáng)度，只有第5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度較低；GMT Ⅲ的修補(bǔ)厚度均要比GMT Ⅰ的數(shù)值小。因此，老混凝土和修復(fù)材料之間的粘結(jié)力與各自的強(qiáng)度有較大關(guān)系，修復(fù)材料的強(qiáng)度應(yīng)高于老混凝土，應(yīng)根據(jù)不同的修復(fù)部位采用不同的修復(fù)材料，組合使用修復(fù)材料以增加修復(fù)結(jié)構(gòu)的使用壽命，GMT Ⅰ和GMT Ⅲ修復(fù)材料憑借優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性應(yīng)用于該泄水建筑物中，經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證，效果良好。

5 結(jié)語

通過對(duì)寶庫河三級(jí)水電站泄水槽底板底層涂抹GMT Ⅰ修復(fù)材料、面層涂抹GMT Ⅲ修復(fù)材料、側(cè)墻30 cm聚脲封閉涂刷、伸縮縫嵌填聚氨酯建筑密封膠處理，保證了該結(jié)構(gòu)的整體性與耐久性，修復(fù)情況滿足工程要求。因此，針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)水利工程面臨的水流沖刷、砂石磨蝕、侵蝕破壞等問題，并根據(jù)工程結(jié)構(gòu)不同部位情況，選擇GMT系列修復(fù)材料的其中一種或多種復(fù)合使用，可有效修復(fù)水工混凝土缺陷。