CW 聚合物水泥砂浆在盘石头水库泄洪洞加固工程中的应用

2020-11-12何香建邵晓妹

湖南水利水电 2020年5期

何香建，邵晓妹，孙正

（1. 湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙 410007；2. 武汉长江科创科技发展有限公司，湖北武汉 430010）

1 概述

盘石头水库位于河南省鹤壁市淇滨区西南卫河支流淇河中游，是一座以防洪、供水为主，兼顾农田灌溉、发电、养殖等综合利用的大（Ⅱ）型水利枢纽工程，主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、右岸1#、2#泄洪洞、左岸非常溢洪道、左岸输水洞及电站等。水库控制流域面积1 915 km2，总库容6.08 亿m3，最大坝高102.2 m，设计洪水标准为100 年一遇，校核洪水标准为2 000 年一遇[1～3]。1#、2#两条泄洪洞布置在右岸鸡冠山下，均为无压城门洞型泄洪洞，承担水库主要泄洪任务。

盘石头水库自2007 年6 月蓄水运行以来，右岸鸡冠山单薄山体始终存在绕坝渗漏问题[4]，严重影响两条泄洪洞的结构安全。据调查，在外水压力长期作用下，两条泄洪洞洞身衬砌结构产生较多裂缝，多处裂缝宽度已超过规范允许范围；同时由于渗水及碳化作用，裂缝内钢筋出现锈蚀，钢筋截面积锈蚀率已超过20%。因此，为保证水库安全运行和防洪、供水等正常功能，对泄洪洞进行加固处理十分必要和紧迫。

1#、2#泄洪洞洞身加固工程主要包括洞顶回填灌浆、全洞身固结灌浆、洞身裂缝处理、洞身表面防护和排水孔疏通等。由于泄洪洞洞身结构断面大，灌浆及裂缝处理难以将微细裂缝全部充填密实，此外检测发现洞身混凝土衬砌存在轻微碳化。针对以上问题，选择合适的涂层材料作表面封闭处理，能够阻断微细裂缝与外界接触，同时防止CO2向混凝土内部侵蚀扩散，起到减缓混凝土碳化、减少内部钢筋锈蚀的作用[5]，从而保证工程安全有效运行。

2 表面防护涂层材料的选择

选择混凝土表面防护材料时既要考虑构件的整体防护性和耐久性，还须考虑材料适用的施工环境。目前常用的水工混凝土表面防护材料有聚脲材料、环氧类材料、水泥基材料和聚合物水泥砂浆等[6，7]。其中聚脲材料抗冲磨性能优异，较其他防护材料具有一次成膜厚、施工便捷等特点，但聚脲在潮湿环境下易发泡，对施工工艺要求高，且涂层易发生整体脱落，使用成本高。环氧类材料渗透性强，与基底粘接强度高，固结体力学强度高，但在潮湿面粘接强度低，只能薄涂，抗冲磨效果一般，易老化，环保性也较差。聚合物水泥砂浆与水泥基材料相比，具有力学强度高，极限拉伸率大，抗冲磨、抗渗性能强等优点；与聚脲材料和环氧类材料相比，具有与潮湿面粘接强度高，施工操作方便，价格较低等优点，因此广泛应用于水工、路桥、化工等等领域的混凝土缺陷修补及表面防护[8～10]。

考虑到泄洪洞外水渗透压力较大、渗水点众多、施工条件苛刻，经多方分析论证，确定选择CW 聚合物水泥砂浆及聚合物水泥净浆作为泄洪洞混凝土表面防护涂层材料。材料主要性能要求为：厚度5.0 mm、28 d抗压强度＞30.0 MPa、28 d 抗折强度＞10.0 MPa、28 d 粘接强度＞3.0 MPa、抗冻融性＞200 次、2 d 吸水率≤4.0%。

3 CW 聚合物水泥砂浆室内试验

3.1 原材料

水泥采用河南鹤壁同力水泥公司生产的42.5 复合硅酸盐水泥；砂料采用巩义市美硕水处理材料有限公司生产的石英砂，中砂；聚合物乳液采用武汉长江科创科技发展有限公司生产的CW721 抗冲磨型聚合物乳液，性能符合DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》要求；拌和用水取自盘石头水库，水质达到饮用标准。

3.2 室内配合比试验

确定聚合物乳液、水泥、石英砂、水的比例，以满足材料设计性能和施工要求。首先进行室内配合比试验。试验步骤为：

1）成型不同配比的40 mm×40 mm×160 mm 试块，进行抗折、抗压强度和吸水率试验；成型不同配比的40 mm×40 mm×10 mm 试块，进行粘接强度试验；

2）成型不同配比的净浆，用毛刷涂刷在水泥砂浆试块断面，将断裂的试块粘接好并用胶布竖向固定，测试其抗折、粘接强度；

3）将不同配比的聚合物水泥砂浆及净浆试件进行快速冻融循环、高浓度碳化试验[11]。试验方法依据DL/T 5126-2001 进行。

根据试验结果，优选出CW 聚合物水泥砂浆及净浆的配合比，配合比参数见表1，对CW 聚合物水泥砂浆室内检测结果见表2。由表2 结果可知，CW 聚合物水泥砂浆各项性能均能满足设计要求，即可进行现场施工。

表1 CW 聚合物水泥砂浆及净浆配合比 kg/m3

表2 CW 聚合物水泥砂浆室内检测结果

4 施工工艺

CW 聚合物水泥砂浆工艺流程具体步骤如下：

1）施工准备：布置施工所需的材料、工具和设备，确保施工供水、供电、通讯、道路正常。根据工程量及材料配比，计算各施工原材料用量。

2）基底处理：清除混凝土基底表面污物、灰尘和混凝土疏松层，用角磨机将混凝土基面打磨粗糙，并用清水将基面冲洗干净，施工前应保持工作面饱水状态,施工时不应有积水。

3）底层净浆配制及涂刷：按照聚合物乳液与水泥质量比1∶1～1∶2 称量原材料，先将聚合物乳液倒入搅拌机内，再边缓慢加入水泥边搅拌2～3 min，拌至均匀。将净浆涂刷于混凝土基底，要求薄而均匀，不漏涂，不流淌。净浆应在45 min 以内使用完毕，否则应重新配制基液后再进行涂刷。

4）中层砂浆配制及涂刮：按照室内试验确定配合比称量原材料，先将水泥、砂干混均匀，再加入聚合物乳液及水，用搅拌机搅拌2～3 min，拌至均匀。砂浆施工应在底层基液涂刷完成后30～60 min 内进行，砂浆涂刮厚度为（5.0±0.2）mm；砂浆拌好后应在45 min 内用完。涂刮要求表面平整均匀，不漏涂不流挂。

5）面层净浆配制及涂刮：按照聚合物乳液与水泥质量比1∶2～1∶3 称量原材料，先将聚合物乳液倒入搅拌机内，再边缓慢加入水泥边搅拌2～3 min，拌至均匀。中层聚合物水泥砂浆施工完2～4 h 后，进行面层净浆涂刮。面层净浆也应在45 min 以内使用完毕。

6）涂层养护：涂刷面层净浆后，待涂层表面略干，采用喷雾养护涂层。12 h 后洒水养护7 d、3 次/d，然后再自然养护21 d。阳光直射或风口部位，应采取遮光保温措施。