“納米膠”在黃壇口電站閘墩防碳化處理中的應(yīng)用

琚海榮 朱銀秋 李彥波

(1.中國華電集團有限公司衢州烏溪江分公司，浙江 衢州 324000；2.北京易晟元環(huán)保工程有限公司，北京 100020)

1 工程概況

黃壇口水力發(fā)電站是烏溪江流域兩級開發(fā)的第二級電站，距上游湖南鎮(zhèn)水電站約29km。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運等綜合利用效益。于1951年10月開工興建，1958年4月開始蓄水，1959年11月竣工驗收，至今已運行逾60年。閘墩混凝土長期受氣溫影響和紫外線照射產(chǎn)生了不同程度的碳化侵蝕，一定深度的碳化侵蝕造成混凝土內(nèi)部堿性降低、表層微細裂隙增加，鋼筋表層鈍化膜破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕，進而導(dǎo)致混凝土保護層脹裂、疏松、脫落，混凝土結(jié)構(gòu)劣化速度加快、綜合耐久性能快速下降，影響混凝土結(jié)構(gòu)強度和整體的穩(wěn)定性，降低混凝土的使用壽命。近幾年，黃壇口大壩對溢流壩面混凝土進行了碳化檢測，結(jié)果顯示：碳化深度為30～50mm，局部甚至超過了50mm，達到混凝土保護層厚度。

圖1 黃壇口電站現(xiàn)狀

2021年，對黃壇口大壩閘墩混凝土碳化深度進行檢測，從結(jié)果(見表1)可以看出，平均碳化深度已達20～30mm，超過鋼筋開始銹蝕的臨界值，閘墩面細微裂縫較多，局部混凝土面剝落及鋼筋銹蝕現(xiàn)象比較顯，影響混凝土結(jié)構(gòu)強度和運行安全，需要立即進行修復(fù)處理。

表1 黃壇口電站大壩混凝土碳化深度檢測結(jié)果

針對老舊混凝土的耐久性修復(fù)防護，應(yīng)根據(jù)水電站閘墩混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境、施工基面情況、防護材料特點等，選擇經(jīng)濟合理的防護修復(fù)材料，需滿足以下條件：

水電站閘墩處于潮濕酸雨、凍融循環(huán)及紫外線照射區(qū)域，防護材料應(yīng)當(dāng)滿足耐候性要求；施工基面潮濕，內(nèi)部碳化較嚴(yán)重，防護材料應(yīng)能恢復(fù)混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境并可適應(yīng)潮濕面施工。多項研究表明，混凝土微觀結(jié)構(gòu)對其耐久性的影響是微觀結(jié)構(gòu)中存在的空隙及微裂縫所造成的[1]，因此封閉既有混凝土中毛細孔及微細裂縫是保障混凝土免受劣化侵蝕的有效途徑。

綜上所述，選擇無機水性滲透結(jié)晶型耐久防護材料——“納米膠”作為本次水電站閘墩防護修復(fù)材料。

2 “納米膠”的性能特點

“納米膠”是一種無色、無味的低黏度水性溶液，有效成分粒徑為3～45nm，可迅速滲透至混凝土內(nèi)部50～70mm，與混凝土結(jié)合成密實的整體，阻滯水及其他有害物質(zhì)的侵蝕[2]；“納米膠”可穩(wěn)定存在于混凝土內(nèi)部，當(dāng)有新裂縫產(chǎn)生時，繼續(xù)封堵裂縫，起到長久性抗碳化、抗?jié)B、耐腐蝕的作用。

針對老舊混凝土的防護修復(fù)，納米膠系列II型產(chǎn)品的反應(yīng)機理見圖2。

老舊混凝土服役過程中流失了大量鈣離子，采用II型納米膠B劑補充鈣離子，恢復(fù)混凝土的堿性，再噴涂II型納米膠A劑，使納米膠粒子與鈣離子發(fā)生反應(yīng)，生成凝膠封堵毛細孔和細微裂縫，未反應(yīng)“納米膠”儲存在混凝土內(nèi)部，混凝土產(chǎn)生新裂縫時可快速遷移、反應(yīng)，自動修復(fù)裂縫。

2.1 “納米膠”優(yōu)勢

a.不改變混凝土原有理化性質(zhì)，提高密實度。“納米膠”可以快速從混凝土表面滲透至內(nèi)部毛細孔隙內(nèi)，研究表明[3]：“納米膠”的滲透深度可達70mm以上，在不改變混凝土原有理化性質(zhì)的基礎(chǔ)上，提升混凝土的抗碳化、抗?jié)B、抗凍融、抗化學(xué)腐蝕、防開裂、防菌藻附著性能，延長混凝土使用壽命。

b.自修復(fù)性。“納米膠”具有持續(xù)的自修復(fù)能力，每8～10年施工一次即可滿足防護需求。

c.綠色環(huán)保。材料綠色環(huán)保，達到飲用水工程標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于飲用水輸送工程的混凝土修復(fù)。

d.施工簡單。施工方法簡便，速度快，無須找平層與保護層，干燥面和潮濕面皆可施工，施工后即可投入使用，大大縮短工期。

2.2 “納米膠”與傳統(tǒng)防護修復(fù)材料性能對比

“納米膠”與傳統(tǒng)防護材料的不同之處在于其滲透結(jié)晶后與混凝土融為一體，形成整體防護，永不脫落，而傳統(tǒng)防護材料在使用過程中易出現(xiàn)涂層破損、脫落，與混凝土基面呈現(xiàn)出“兩層皮”的狀態(tài)[4]，對混凝土造成二次傷害，無法滿足混凝土耐久性防護要求。

“納米膠”具有高滲透性和高納米活性，快速遷移、滲透到混凝土內(nèi)部，封閉混凝土內(nèi)部的毛細孔和微細裂縫，達到持續(xù)自修復(fù)的效果，使混凝土表面更加密實，阻止外界劣化因子的侵入，從而顯著提高混凝土抗碳化性能，延長混凝土的使用壽命。

市場上幾種主要防護材料性能[5]對比見表2。

表2 防護材料性能對比

2.3 “納米膠”抗碳化性能優(yōu)異

“納米膠”抗碳化能力已在實際應(yīng)用項目中得到了驗證，如北京潮白河向陽閘已運行35年，施工前水閘混凝土出現(xiàn)了各種老化病害現(xiàn)象，影響水閘的正常運行，在混凝土表面噴灑“納米膠”28天后，鉆取芯樣測定碳化深度，碳化深度明顯降低；勝利油田項目中，選取2003年建成的擋浪墻迎水面進行“納米膠”防護修復(fù)施工，完工3個月后鉆取芯樣進行指標(biāo)測試。

兩個項目的芯樣由中國水利水電科學(xué)研究院工程檢測中心檢測，碳化深度檢測結(jié)果見表3。

表3 碳化深度檢測結(jié)果 單位：mm

向陽閘項目采用“納米膠”修復(fù)后，混凝土碳化深度降低了13.2mm，碳化深度降低率為50%。勝利油田項目中碳化深度降低了24.5mm，碳化深度降低率為67.31%。通過實際案例驗證了“納米膠”作為混凝土構(gòu)筑物的防護修復(fù)材料對混凝土抗碳化性能優(yōu)異的提升作用。

3 “納米膠”在黃壇口電站閘墩防碳化中的應(yīng)用

“納米膠”相較于其他傳統(tǒng)防護材料，抗碳化、抗?jié)B性能優(yōu)異的同時，還具有無毒無害、自修復(fù)性、施工耗時短等優(yōu)點。結(jié)合黃壇口電站現(xiàn)場實際情況，“納米膠”混凝土耐久性防護技術(shù)完全滿足其技術(shù)要求。

本次黃壇口電站大壩閘墩混凝土整體抗碳化防護修復(fù)采用聚合物砂漿及環(huán)氧樹脂進行表面缺陷修復(fù)，然后將混凝土表面清理干凈，噴涂納米膠對老化混凝土表面進行整體防護，增強混凝土表面抗?jié)B及抗碳化性能。具體施工工藝如下：

a.混凝土基面預(yù)處理。采用高壓水對混凝土表面進行沖洗，要求剝離松動骨料。將混凝土構(gòu)件表面的塵土、苔蘚、鋼筋銹斑和油污去除。對于使用高壓清洗機無法清除的臟污，可使用砂紙、打磨機等進行去除。

b.表面缺陷修補?；鏉櫇窈螅蒙皾{修補閘墩表面上的凹坑，磨光機清理閘墩表面上凸出的混凝土和砂漿塊。

c.“納米膠”施工。“納米膠”施工溫度范圍在5～35℃之間。黃壇口電站施工時溫度在5～35℃之間，溫度適宜，可進行“納米膠”噴涂施工。分兩次進行噴涂；

第一遍：按規(guī)定用量進行Ⅱ型納米膠B劑噴涂施工。間隔約15～30min后，再進行Ⅱ型納米膠A劑施工。

第二遍噴涂施工：按規(guī)定用量進行施工，施工方法同上。

d.施工后養(yǎng)護要求。在施工后4h內(nèi)，如降雨應(yīng)采取覆蓋等方法進行遮蔽；如遇大雨沖刷需重新噴涂；施工完24h后即可通水使用。

4 “納米膠”應(yīng)用效果

施工1個月后現(xiàn)場鉆取芯樣，并把芯樣送至中國水利水電科學(xué)研究院工程檢測中心進行28d碳化深度檢測。經(jīng)測試，碳化深度減少了50.21%，見表4。

表4 28d碳化深度檢測結(jié)果

國內(nèi)外大量碳化試驗和調(diào)查結(jié)果表明混凝土碳化深度與碳化時間的平方根成正比，混凝土碳化過程遵循Fick第一擴散定律[6]：

(1)

式中X——混凝土碳化深度，mm；

t——混凝土碳化時間，a。

蘇聯(lián)學(xué)者阿列克謝耶夫給出的混凝土碳化系數(shù)如下：

(2)

MCO2=8.22b

(3)

式中DCO2——二氧化碳擴散系數(shù)，mm2/a；

CCO2——混凝土表面二氧化碳濃度，mol/m3；

MCO2——單位體積混凝土吸收二氧化碳的量，mol/m3；

b——膠凝劑用量，硅酸鹽水泥配置的混凝土即為水泥用量，kg。

查詢相關(guān)文獻和黃壇口相關(guān)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)值代入式(1)～式(3)可得：未經(jīng)處理的試塊碳化時間t1=10.02年，經(jīng)“納米膠”處理后的碳化時t2=22.89年。依據(jù)“納米膠”施工后實際碳化深度數(shù)據(jù)與施工前數(shù)據(jù)推算，黃壇口電站混凝土碳化壽命至少可延長約13年。

5 結(jié) 語

目前，黃壇口大壩閘墩修復(fù)工程順利通過竣工驗收，并通過汛期過水考驗，通過碳化數(shù)據(jù)監(jiān)測，證明“納米膠”可有效提升閘墩混凝土抗碳化性能，提高混凝土的耐久性，延長閘墩使用年限，從而確保大壩的安全運行，保障人民財產(chǎn)安全。從本工程的實踐以及其他工程采用“納米膠”施工的結(jié)果來看，“納米膠”作為混凝土抗碳化防護修復(fù)材料，應(yīng)用效果理想，有效提高了混凝土構(gòu)筑物的耐久性，且施工工藝簡單、操作安全，對環(huán)境和水無污染，符合綠色環(huán)保要求，具有廣闊的應(yīng)用前景，值得大力推廣使用。