聚合物砂浆在大坝溢流面混凝土修复工程中的应用

汪慧颖，时劲峰

（辽宁省葠窝水库管理局，辽宁 辽阳 111000）

葠窝水库位于辽宁省境内的太子河干流上，坝址距辽阳市35km。水库控制流域面积6175km2，是集防洪、灌溉、工业用水及发电于一体的大Ⅱ型水利枢纽工程。按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，最大库容7.91亿m3。葠窝水库于1970年开始修建，1972年11月落闸蓄水，是太子河干流上唯一的控制工程， 1995年上游的观音阁水库建成后，两库形成了梯级调度，水库的设计洪水标准提高到300年，校核洪水标准提高到万年。

大坝为混凝土重力坝，全长532m，坝顶高程103.5m，最大坝高50.3m。共分31个坝段，其中两侧1#—3#坝段、22#—31#坝段为挡水坝段，长217.3m；4#—18#为溢流坝段，长274.2m；19#—21#为电站坝段，长40.5m。溢流坝段设14个溢流表孔和6个底孔。表孔堰顶高程84.8m，12m×12m弧型钢闸门控制，2×80t固定卷扬启闭。在闸墩中间隔布置6个泄流底孔，底孔底板高程60m，孔口尺寸为3.5m×8m，平板闸门控制。原设计中，底孔工作门配有200t固定卷扬机启闭，6个底孔共用一扇检修门，配备100t移动式门机启闭，目前，工作门和检修门都改为2×1250k N双向移动门机启闭。水电站为坝后式，位于大坝左侧，现装机5台，总装机容量4.4万k W。

由辽宁省水利水电科学研究院和葠窝水库管理局进行检测并提出了《葠窝大坝溢流面破坏现状检测分析报告》。报告中反映：溢流堰面表面露钢筋，破坏深度100～300mm，破坏面积占整个溢流堰面的13.5%；露小石和大石部分，破坏深度在100mm左右的破坏面积占整个溢流堰面的51.6%；溢流面破坏的总面积达65.1%，对水库的正常运行造成极大的隐患。为保证大坝安全泄流，需要对溢流面破坏部分进行加固处理。

1 混凝土破坏原因分析

葠窝水库溢流面混凝土破坏主要是冻融破坏。造成冻融破坏的主要原因有三方面：一是原设计混凝土抗冻标号（D100）偏低，且施工中混凝土的抗冻合格率仅为61.6%。根据多年的气象分析，辽阳地区月平均最低气温为-14℃，葠窝水库坝址属于严寒地区，每年冻融近百次，大坝堰面朝向西南，受太阳辐射热影响，在严寒期的晴天每天都有出现一冻一融的可能。二是溢流面在施工质量和施工工艺上都存在一定问题，当时混凝土采用皮带机直接入仓，无任何温控措施，入仓温度高达32℃，水灰比偏大且极不稳定，造成混凝土强度低而且不均匀。三是混凝土中水饱和，除闸门渗漏外，坝体水平施工裂缝的渗漏是造成溢流面混凝土水饱和的主要原因。

2 混凝土修复方案

葠窝水库溢流坝面破坏是多种原因造成的，因此加固工程应根据不同原因、不同破坏程度采用多种处理措施和方法。本文着重介绍聚合物砂浆在葠窝水库溢流面混凝土修补工程中的应用。

混凝土薄层修补材料主要有环氧砂浆、硅粉砂浆和聚合物砂浆，这三种材料的物理性能都较好，但环氧砂浆和硅粉砂浆存在费用高、工艺要求高、容易开裂等缺点。聚合物乳液水泥砂浆是通过向水泥砂浆中掺加聚合物乳液改性而制成的一类有机-无机复合材料，这类砂浆的硬化过程是：伴随着水泥水化产物形成钢性空间结构的同时，由于水化和水分散失，使得乳液脱水、脱粒凝聚堆积并借助毛细管成膜，填充结晶之间的空隙，切断与外界的通道，形成聚合物空间网状结构，改善了砂浆的物理结构。与普通水泥砂浆相比，改性后的聚合物砂浆性能为：抗压强度约降低0～20%，极限拉伸约提高1～2倍，弹性模量约降低10%～50%，干缩变形约减小15%～40%，与老混凝土的粘结强度约提高1～3倍。

聚合物乳液是以丙烯酸酯及VEA乳液为主要基料，掺入特殊的表面活性剂、增塑剂、消泡剂等化工原料，经科学配制而成，是一种理想的复合胶凝材料。先后在潘家口水库、岳城水库等水利工程修补中应用，都取得了较好的效果。聚合物砂浆抗裂性能比普通砂浆提高约6倍，抗裂、抗渗性能大幅度提高，因此本工程采用聚合物砂浆作为大坝溢流面修复材料。聚合物砂浆与原混凝土基面间用聚合物界面剂连接。聚合物砂浆的主要性能列于表1。

表1 聚合物砂浆主要性能

聚合物砂浆的原材料选择：水泥采用抚顺水泥厂生产的大坝硅酸盐525#水泥；中砂采用辽阳产河砂；聚合物乳液采用北京产SPC乳液。

聚合物砂浆的配制比例为水泥:中砂:乳液:水=1:2:0.4:0.1（重量比），应搅拌均匀。

聚合物界面剂按乳液:水泥=1:0.8（重量比）配制，应搅拌至无水泥颗粒、无沉淀。

主要性能为强度M 30，抗冻F300，抗渗W6。

3 聚合物砂浆施工技术

3.1 基面处理

混凝土结合面处理是修补施工中的重要工序之一，直接影响修补质量，应按施工要求仔细做好基面处理工作。首先采用人工风镐凿除厚约5cm的冻融混凝土层，再用钢钎凿除残留。凿至坚硬的基底混凝土面，尽可能使基面平整，并用高压水枪将碎屑灰尘冲洗干净。

3.2 聚合物砂浆施工

1）配制砂浆和界面剂。聚合物砂浆和界面剂按设计配合比配制，采用人工搅拌，磅秤计量。砂浆搅拌量要精确计算，即将砂浆的使用时间控制在1小时内，以避免剩余砂浆，造成材料浪费。

2）涂刷界面剂。在施工前要保证基面湿润且没有明水，然后均匀涂刷SPC界面剂，涂刷时要力求薄而均匀，不得有漏涂、流淌、积液现象。应在界面剂凝结固化之前完成砂浆抹面。若在界面剂凝结固化后继续砂浆抹面，将会严重降低粘结力，甚至不如不用界面剂。对于已经凝结固化的界面剂试图进行打湿处理或在固化界面剂上涂刷第二层界面剂的处理都是徒劳的，必须彻底清除固化界面剂后再重新涂刷界面剂。

3）聚合物砂浆抹面。本工程聚合物砂浆修补厚度为5cm，砂浆抹面分两层施工。第一层抹面3cm厚，将表面用压实、抹平，用塑料薄膜覆盖喷雾湿养护7天后涂刷一层界面剂（涂刷要求同基底），再抹第二层砂浆2cm厚，将表面压实、抹平并抹光。抹面时如有气泡应刺破压紧，以保证抹面密实。抹面时力求一次抹平，不要反复压抹，以防表面拉裂。

4）养护。抹面完成后约30min，用塑料薄膜覆盖密封养护，在高温天气（大于30℃），上面要覆盖草袋子撒水降温。抹面第二天用喷雾器喷雾养护，保持表面湿润但不淌水。湿养护7天后，再涂刷一层界面剂，在自然状况下干养护28天

3.3 施工中的质量控制

1）为保证涂刷界面剂后能立即摊铺聚合物砂浆，要求根据每次的来料量事先划出一定的施工面积，与下料相配合随来随刷，可以有效地防止界面剂的固化。

2）堰面每孔净宽12m，上下游方向抹面长7m，面积较大，且堰面为曲线。在施工时把堰面曲线测量放线到两侧的闸墩上，然后每隔40cm拉一条水平线作为施工控制线。

3）聚合物砂浆施工均在4～10月份进行，在气温较高时，为防止太阳直射，应避开高温在夜间施工。

4）施工过程中，应对聚合物砂浆进行取样检测。根据聚合物砂浆设计强度（M30），分5组取样，检测统计结果见表2。

表2 聚合物砂浆强度检测统计结果

根据水闸施工规范，砼试件强度同时满足下列两式，该砼强度应判为合格。

式中：Sn—n组试件强度的标准差（MPa），按下式计算

Rn—n组试件强度的平均值（MPa）；

Ri—单组试件强度（MPa）；

R标—砂浆设计标号（MPa）；

N—样本容量，应不小于5。

上述计算结果能够满足Rn-0.7Sn>R标和Rn-1.6Sn≥0.83R标，表明5组聚合物砂浆试样的强度完全符合设计要求。

图1 葠窝水库电站

4 结语

葠窝水库溢流面混凝土修复工程完成后，聚合物砂浆修复面有局部翘起现象，主要是因为缺乏施工经验造成的，经按原施工方案进行修补，已达到了合格标准。无论从物理性能还是从现场施工应用效果分析，均表明聚合物砂浆是一种理想的混凝土薄层修补材料。本工程在寒冷地区应用聚合物砂浆大面积、全孔段处理溢流坝面，为寒冷地区处理类似问题提供了宝贵经验。

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