水泥基滲透結(jié)晶材料在抽水蓄能電站中的應(yīng)用

張 帆，李 楊，林育強(qiáng)，詹程遠(yuǎn)，石 妍

（1. 河南新華五岳抽水蓄能發(fā)電有限公司，河南 信陽 464000；2.長江水利委員會長江科學(xué)院，武漢 430010）

1 工程概況

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣，電站由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站組成?？傃b機(jī)容量為120萬kW，上水庫總庫容為1 073萬m3，主壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高714.0 m，壩頂長度為249.0 m[1]。下水庫大壩為碾壓混凝土（RCC）重力壩，總庫容為799萬m3，最大壩高108.0 m，壩頂長度為231.0 m。

周寧地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，濕熱交替頻繁，干濕循環(huán)明顯，大壩混凝土與周圍環(huán)境間的水分交換作用強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)表面防護(hù)與耐久性提升的需求較高。同時，下水庫位于周寧縣、福安市等地飲用水源的主河道上，涂層材料的安全無毒、環(huán)保等性能要求較高；并且大壩整體位于國家地質(zhì)公園內(nèi)，對涂層材料的外觀質(zhì)量、色澤穩(wěn)定性、長期耐候性等更為重視。因此，下水庫大壩防滲材料的選擇尤其重要。

2 材料性能與技術(shù)原理

2.1 材料性能

優(yōu)選長江科學(xué)院生產(chǎn)的CKY-CFJ1型CCCW材料進(jìn)行施工，材料性能如表1所示。CCCW材料由精細(xì)石英砂、硅酸鹽水泥和活性物質(zhì)組成，呈粉狀，使用時直接按比例加水拌合，可用刮涂、刷涂或噴涂等方法進(jìn)行施工，但不同施工方法的料水配比略有差異?？紤]RCC混凝土的技術(shù)特點(diǎn)與層間結(jié)合面性能，本次采用手工刷涂的工藝。

表1 CKY-CFJ1型CCCW材料性能

2.2 技術(shù)原理

CCCW材料屬剛性無機(jī)防水材料，最早由德國化學(xué)家勞倫斯·杰遜（Lanritz Jensen）提出[2]，主要以硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥、精細(xì)石英砂（或硅砂）等為基材，摻入活性化學(xué)物質(zhì)（催化劑）及其他輔料組成。目前，比較成熟的CCCW材料品牌包括國外的XYPEX系列、KRYSTOL系列，以及國內(nèi)的CKY-CFJ1系列、CJ-K118系列等[3-5]。

CCCW材料的修復(fù)原理如圖1所示，滲透和結(jié)晶是CCCW材料的顯著特點(diǎn)。CCCW材料通過基材在混凝土表面形成防護(hù)外衣，活性物質(zhì)能夠以水為載體向混凝土滲透和遷移，并以結(jié)晶沉淀、離子絡(luò)合等方式對混凝土進(jìn)行裂縫修復(fù)和密實(shí)化處理，可提高混凝土抗?jié)B性能175%以上，提高抗壓強(qiáng)度10%左右[2]。整體上，滲透深度決定了CCCW材料作用的區(qū)域范圍，結(jié)晶過程決定了CCCW材料的修復(fù)能力[6]。

圖1 CCCW材料的修復(fù)原理

目前，關(guān)于CCCW材料活性組分的反應(yīng)機(jī)理尚未形成一致意見。有學(xué)者認(rèn)為CCCW材料遵循滲透結(jié)晶理論，活性物質(zhì)跟隨外界水分滲透到混凝土內(nèi)部，通過自身反應(yīng)或與膠凝材料水化產(chǎn)物反應(yīng)來發(fā)揮作用[7]；也有學(xué)者認(rèn)為CCCW材料遵循絡(luò)合—沉淀理論，活性物質(zhì)中含有鈣絡(luò)合物（Ca=CAT-L）[3]，絡(luò)合基團(tuán)能夠在低Ca2+濃度區(qū)釋放Ca2+，導(dǎo)致Ca2+與SiO32-結(jié)合，生成CaSiO3晶體析出，又可在高Ca2+濃度區(qū)再次捕獲Ca2+，從而使化學(xué)反應(yīng)能夠持續(xù)不斷的進(jìn)行。絡(luò)合—沉淀理論的反應(yīng)機(jī)理如圖2所示。

圖2 絡(luò)合—沉淀理論的反應(yīng)機(jī)理

實(shí)際上，滲透結(jié)晶理論、絡(luò)合—沉淀理論都存在一定的缺陷和不足。滲透結(jié)晶理論認(rèn)為CCCW材料修復(fù)過程中，活性物質(zhì)參與水化并被消耗，導(dǎo)致后期的修復(fù)能力有所降低，但無法解釋CCCW材料能夠長期作用、多次修復(fù)的原因。而絡(luò)合—沉淀理論認(rèn)為CCCW材料修復(fù)過程中，鈣絡(luò)合物僅催化未水化水泥顆粒進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，但不會發(fā)生自身的損失或消耗，因而可在休眠與激活狀態(tài)間多次轉(zhuǎn)換，并具有持續(xù)的修復(fù)能力和作用效果，但無法解釋CCCW材料對長服役齡期、高水化程度、大摻合料用量混凝土的修復(fù)能力?？梢?，關(guān)于CCCW材料的反應(yīng)機(jī)理仍處于不斷的研究和探索之中。

3 施工工藝和質(zhì)量

3.1 施工工藝

CCCW材料的應(yīng)用區(qū)域?yàn)橄滤畮齑髩紊嫌蚊?，高程范圍是EL209.0 m～EL299.0 m，總面積約13 000 m2，材料用量近20 t。CCCW材料現(xiàn)場施工程序如圖3所示，主要包括混凝土基面打磨與清洗、表面缺陷修補(bǔ)與處理、基面潤濕和飽水、CCCW材料制漿和涂刷、表面養(yǎng)護(hù)與保濕，以及完工后的驗(yàn)收和質(zhì)量評定等階段，其中工序①和工序②完成后，監(jiān)理需對混凝土基面的處理質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，主要的關(guān)注點(diǎn)包括表面污物的清理情況、孔洞和裂縫等缺陷處理情況、粘附粉塵的沖洗情況等。

圖3 CCCW材料的施工程序

現(xiàn)場施工借助電動吊籃進(jìn)行，人工使用手持砂輪對混凝土表面進(jìn)行打磨，并采用電鑿清除質(zhì)量不良的混凝土。各工序的施工工藝和質(zhì)量控制要點(diǎn)如下。

（1）基面打磨與清洗。主要對混凝土表面的浮漿、泥皮、碳化層、附著物及其它污染物進(jìn)行清理，并將掛簾、錯臺打磨平整，同時對鋼筋頭、管件等用角磨機(jī)割除并磨平，結(jié)束后用水沖洗干凈。

（2）缺陷修補(bǔ)與處理。常見的混凝土缺陷主要包括蜂窩、麻面、孔洞、微細(xì)裂縫、骨料架空、局部破損等，其中蜂窩、麻面、孔洞可用半干料找平后直接刷涂漿料；微細(xì)裂縫需先沿縫修鑿成燕尾槽，然后用漿料潤濕并用半干料找平，最后再刷涂漿料。影響程度較大的局部骨料架空、空洞、局部破損等缺陷，需先用電鎬鑿除松動骨料和砂漿，直至露出新鮮、堅硬基面，然后用漿料潤濕并用半干料找平，最后刷涂漿料。

現(xiàn)場采用的半干料是由CCCW材料與水按體積比6∶1拌制，漿料是由CCCW材料和水按體積比5∶2拌制，其中半干料用于混凝土表面的缺陷處理，塑性較強(qiáng)，可用抹刀直接刮平或填塞；漿料用于表面涂層防護(hù)，流動性較大，可用毛刷、滾筒、噴涂機(jī)施工。裂縫、局部骨料架空、空洞、局部破損等缺陷的表面及周圍100 mm范圍涂刷漿料。

（3）基面濕潤和飽水。接水管直接沖洗基面或采用灑水箱噴淋基面至其充分的濕潤、潤透后將基面明水用抹布擦拭潔凈。如施工過程中發(fā)現(xiàn)局部基面過于干燥，必須重新濕潤。

（4）CCCW材料制漿?，F(xiàn)場就近安排專人稱量材料及調(diào)和漿液，攪拌后戴膠皮手套檢查漿料是否存在未拌開、不均勻等現(xiàn)象。一次拌料不宜過多，要求每次漿料調(diào)和均勻后20 min內(nèi)用完。

（5）CCCW材料涂刷?，F(xiàn)場控制CCCW材料的綜合用量不低于1.5 kg/m2。人工用硬毛刷均勻地涂刷至混凝土表面。涂刷分兩遍進(jìn)行，橫豎各一遍，兩遍涂刷相互重疊，確保基面無漏刷。

3.2 養(yǎng)護(hù)措施

養(yǎng)護(hù)是保障CCCW材料效果的重要環(huán)節(jié)。CCCW材料中硅酸鹽水泥的凝結(jié)和硬化需要水，活性物質(zhì)的滲透與結(jié)晶也需要水。因此，CCCW材料涂刷后需及時跟進(jìn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)次數(shù)、養(yǎng)護(hù)方式和養(yǎng)護(hù)時長是影響?zhàn)B護(hù)效果的重要因素。

結(jié)合前期現(xiàn)場工藝試驗(yàn)結(jié)果，以及壩址處的環(huán)境溫度和水分蒸發(fā)情況，采用流水養(yǎng)護(hù)能夠獲得較為滿意的養(yǎng)護(hù)和飽水效果。漿料終凝后3～4 h，或涂層固化達(dá)到一定硬度后，采用流水養(yǎng)護(hù)，保證涂層處于濕潤狀態(tài)。每天的上午、下午各進(jìn)行1次養(yǎng)護(hù)，每次時長10 min，連續(xù)進(jìn)行3～7 d。高溫季節(jié)或天氣比較干燥的情況下，需適當(dāng)增加養(yǎng)護(hù)頻率，并延長養(yǎng)護(hù)時間。

水泥基材料的凝結(jié)和硬化需要在適宜的溫度下進(jìn)行。冬季施工時，養(yǎng)護(hù)宜在溫度較高的時段進(jìn)行，并防范養(yǎng)護(hù)結(jié)束后涂層材料的結(jié)冰風(fēng)險。實(shí)際施工時，當(dāng)養(yǎng)護(hù)結(jié)束3～4 h后環(huán)境溫度降至-10 ℃以下或溫度超過48 h持續(xù)為負(fù)溫時，應(yīng)采取表面保溫措施。

3.3 質(zhì)量效果

目前，CCCW材料在隧洞、港口、地下室、污水池等領(lǐng)域已有較多的應(yīng)用，但在水利工程中的應(yīng)用仍然偏少?，F(xiàn)行的技術(shù)文件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等雖然對CCCW材料的品質(zhì)特性做了明確的要求，但對施工工藝、驗(yàn)收方法、質(zhì)量評定等缺少相關(guān)的規(guī)定，導(dǎo)致CCCW材料的施工質(zhì)量檢查沒有依據(jù)。

現(xiàn)場采用陪伴試件進(jìn)行試驗(yàn)，控制陪伴試件滲透結(jié)晶材料的刷涂用量、刷涂方法與實(shí)際施工相一致，研究滲透結(jié)晶材料對陪伴試件抗?jié)B性能的影響。陪伴試件的抗?jié)B性能從W8提高到W12，說明滲透結(jié)晶材料能有效提高混凝土的抗?jié)B性能。

結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場工藝試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)刷涂厚度和材料用量的關(guān)系，通過測定硬化后涂層的厚度來間接表征施工質(zhì)量。CCCW材料刷涂厚度的檢測結(jié)果如圖4所示，不同區(qū)域的刷涂厚度基本在1.2～1.4 mm之間，平均值為1.25 mm，換算成材料用量為1.2～1.4 kg/m2，平均值為1.25 kg/m2，說明施工質(zhì)量滿足技術(shù)要求。同時，現(xiàn)場利用卡斯通管的試驗(yàn)結(jié)果表明，刷涂CCCW材料后混凝土透水量降低了24%～33%，說明CCCW材料提高了混凝土的抗?jié)B水平。

圖4 CCCW材料刷涂厚度的檢測結(jié)果

4 結(jié)論

CCCW材料能夠?qū)崿F(xiàn)與混凝土基體的同壽命服役，并且活性物質(zhì)跟隨外界水分的滲透而不斷遷移，材料的作用范圍不斷擴(kuò)大，修復(fù)效果不斷增強(qiáng)，特別適合水利工程及其它服役期難以維護(hù)的涉水工程。周寧抽水蓄能電站下水庫大壩上游面的防滲修復(fù)應(yīng)用情況表明，CCCW材料可有效提高整體的抗?jié)B性能，并且安全環(huán)保、無毒副作用，相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可為其它同類工程應(yīng)用提供參考。