渗透结晶型防护技术在混凝土表面防护中的运用

王华学 ， 边 旻

(1.长江委陆水试验枢纽管理局枢纽工程管理中心，湖北 赤壁 437300；2.湖北世纪鼎腾水利水电工程有限公司，武汉 430000)

南水北调中线工程效益日渐凸显，丹江口水库大坝也将彰显出水源地的龙头作用。为加强丹江口大坝防护、提高混凝土耐久性，增强大坝新、老混凝土(大坝加高前后)表面整体协调性，建设生态绿色大坝、提升工程整体形象，2021年4月起，长江水利委员会南水北调中线水源有限责任公司开始实施丹江口大坝混凝土表面防护工程。

本工程采用渗透结晶型防护材料进行施工，这是目前混凝土防护涂料中较为先进的一种新型材料。它是美国CTI提供的一种大坝混凝土防护材料，该混凝土超级防护涂层系统由AC-1、AC-1+、AC-2、AC-2+组成，通过渗透作用，以实现密实缩小混凝土表层毛细孔和密封混凝土表面的目的，从而实现混凝土的整体防护性能，集抗裂性、抗渗性、增固性、耐磨性、抗碳化、防腐蚀、呼吸性为一体。

通过该技术在丹江口大坝混凝土表面防护工程中的实践运用，客观、真实地介绍施工过程中的工艺流程、材料组合、技术要求、质量把控、材料优劣比较及改进建议。

1 工程简介

1.1 丹江口水利枢纽

丹江口大坝位于湖北省丹江口市汉江与丹江汇合口下游1.5km处，丹江口水利枢纽由两岸土石坝、混凝土坝、升船机、发电站等建筑物组成。1958年9月正式开工建设，初期规模于1973年建成，后期大坝加高工程开始于2005年，2013年通过蓄水验收。大坝加高(14.6m)后，枢纽由左岸土石大坝(长1 424m)、河床混凝土大坝(长1 141m)、右岸土石大坝(长877m)及岸边组成，总长3 442m。丹江口水库是南水北调中线水源工程的源头工程。

混凝土大坝分为58个坝段，自右向左分别为：右岸联接坝段(右13～右1，1～7)，长339m；泄洪深孔坝段(8～13)，长144m；溢流表孔坝段(14～24)，长264m；厂房坝段(25～32)，长174m；左岸联接坝段(33～44)，长220m。混凝土坝全长1 141m。

右岸(续建工程)土石坝与右岸混凝土坝右5、右6坝下游面横缝处正交联接，全长877m。左岸土石坝由5个不同半径的园弧段和若干个直线段所组成，全长1 424m[1]。

1.2 丹江口大坝混凝土表面现状分析

丹江口原有大坝建设于上世纪50年代末，历经60多年的风雨沧桑，伴随着大气中有害的气体、酸雨、油烟等污染和化学反应，混凝土表面形成局部老化现象，加高部分新建混凝土和旧混凝土结合处差异性明显。

(1)混凝土表面侵蚀较严重。混凝土结构体长期暴露在大自然中，接触氧化物、二氧化碳、水份等物质，钢筋头长期外露，破坏钢筋钝化保护膜，表面风化、剥蚀、碳化现象较为严重。

(2)混凝土碱性值降低。混凝土裸露在自然界中遭受雨水、紫外线、油污等的侵蚀，使混凝土逐渐失去碱性，日趋中性化，混凝土表面出现疏松情况。

(3)混凝土外观形象较差。混凝土表面长期承受日光照射、气温变化以及雨水冲刷，表面青苔、杂草较多，灰尘沉积厉害，污物水痕较多，自洁效果差。

1.3 混凝土表面防护工程建设范围及规模

大坝上游面防护部位包括高程162.0m以上混凝土表面；下游面防护部位包括左联坝段、厂房坝段、溢流坝段、深孔坝段、垂直升船机排架柱、右联坝段；土石坝防护包括左右岸土石坝防浪墙、人行道及下游混凝土隔墩；坝顶混凝土防护除坝顶地面、道路、绿化外的混凝土栏杆、楼梯、电梯井等混凝土表面。施工总面积约13.09万m2。

1.4 主要工作内容

(1)表面清理：包括对涂刷施工的混凝土面灰尘、污渍、污垢、灰渣等的处理；混凝土结构轮廓阳角线条的处理。

(2)缺陷修复，包括裂缝处理，错台、挂帘的处理，表面蜂窝、麻面、气泡密集区的处理；混凝土面外露钢筋头、钢管件头的处理。

(3)混凝土表面排水孔洞引排处理。

(4)涂料施工：按照样板试验成果及设计技术要求进行AC-1和AC-2+涂料喷涂[1]。

2 透渗结晶防护技术简述

2.1 透渗结晶防护材料

美国CTI的CO-MA-SEAL®AC混凝土抗碳化防腐涂层由AC-1和透明面涂AC-2组成，是通过渗透作用带动一系列的物理和化学交链反应，以密实缩小混凝土表层的混凝土毛细孔和密封混凝土表面为目的，从而实现混凝土的抗碳化的性能。

CO-MA-SEAL®AC混凝土抗碳化防腐涂层AC生成的硅晶体能保持混凝土自由呼吸，且不会剥落。还具有很强的混凝土补强的作用，对混凝土被腐蚀而起砂起尘的粉化表面有很强的修复能力。该材料为无机物硅晶体，具有较长的使用寿命，且更环保，VOC趋零。

2.2 AC系列涂层作用原理

(1) AC-1作用机理

AC-1能深渗透进混凝土表层，起到密实混凝土表层毛细孔作用，施工后的混凝土表层集抗裂性、抗渗性、增固性、耐磨性、抗碳化、防腐蚀、呼吸性为一体。

①产生硅化反应的机理：AC-1的活性物质渗透到混凝土内部与混凝土中的物质产生化学反应，生成大量凝胶，通过密实混凝土的毛细孔使水、二氧化碳、酸雨等侵蚀介质失去了进入混凝土内部进行破坏的通道，从而实现和结构融为一体的防护层。

②与二氧化碳交联反应：生成疏水结构的晶体嵌入渗透层，进一步增强防水性能和密实性能。

(2)AC-2作用机理

AC-2更偏重于在混凝土表面生成致密的硅晶膜，故其渗透能力较AC-1低，但表面硅晶体成膜能力较AC-1强，其形成的结晶膜能牢牢的固结在混凝土表层，从而进一步增强涂层的整体防腐性能，使涂层更致密、更耐污，抗雨水、二氧化碳、酸雨等侵蚀介质的能力更强，抗冲击、抗老化性能进一步增强。

2.3 AC无机防护材料的性能优势

(1)独一无二的“结合”——硅化作用。AC涂层体系超耐久的秘诀在于它与混凝土基面的硅化作用，与混凝土基面发生化学结合并可渗入基面约3mm，形成防水、防酸的硅化石表层，与混凝土基面牢固地结合为一体，具有较长时间的使用寿命。

(2)优异的防水性能。AC涂层体系中的AC-1和AC-2分别都可以作为专业级防水材料使用，二者叠加后防水性能更加出色，可以有效的阻止碳酸钙根离子、硫酸根离子、氯离子等腐蚀性物质以水为载体，向混凝土内部渗透而产生腐蚀。

(3)防水的同时让建筑物“自由呼吸”。AC涂层的反应生成物结晶硅，其水化后留有透气不透水的微气孔，故具有优异的透气性。

(4)卓越的防尘自洁、耐污、无菌无霉、可以冲洗。AC涂层能抗酸，不产生静电，吸引尘埃而堆积成污物，并且涂层致密，可以冲洗。

同时，AC涂层因属无机物(不含营养素)，能防止菌类及苔藓生长，具有碱的特性及高呼吸力，使建筑物表面保持干燥而避免细菌滋生。

(5)无毒无味、环保。AC没有任何毒性，VOC含量极低，对人体、环境和生物均没有危害。

3 渗透结晶防护材料在丹江口大坝工程中的实践运用

3.1 施工过程中的实践运用

(1)样板试验实践

为达到根据实际处理效果对材料、施工工艺进行优化、改进，了解新材料性能、施工工序与工艺、材料用量、涂饰工具、质量缺陷预防措施等情况，培训能熟练掌握该材料施工技能的合格施工人员的目的，本工程按照设计要求及承包合同对丹江口大坝局部坝段(右4坝段下游斜面、防浪墙右0+470～0+485断面、右3坝段下游斜面)进行了近1个月的混凝土样板试验，试验过程中采用底涂AC-1、中涂AC-1+、面涂AC-2，和底涂AC-1、中涂AC-1、面涂AC-2+两种不同的组合方式在不同的部位进行，根据形成产品的外观质量比较，得出适合本工程运用的材料组合和用量标准，经设计、业主审核，监理批准后在后续施工参照使用。

(2)AC系统组合选用

根据样板试验总结结论，AC-1+具有较强的疏水性和表面成膜功能，使用后会阻碍面涂材料的渗透吸收及成膜质量，不适宜用作本工程中涂材料。AC-2+的渗透深度与表面抗冲刷能力等明显优于AC-2，对大坝表面具有更好的防护作用。更适合本工程面涂材料性能要求。

综合以上结论，推荐本工程使用底涂和中涂AC-1、面涂AC-2+的涂层组合方式和基本用量标准作为丹江口大坝加高混凝土表面防护工程喷涂施工方法。

AC系统组合见图1。

图1 AC系统组合

(3)工艺流程及技术要求

本工程主要工艺流程为：基面清理及缺陷处理→底喷涂AC-1→中喷涂AC-1→面喷涂AC-2+。

基面清理及缺陷处理技术要求：

①采用高压冲洗机从上至下对基面进行反复冲洗，将附着在混凝土表面的各种污渍、藻类等清洗干净，基本露出混凝土新鲜基面。

②冲洗完成后对基面缺损、掉块、孔洞等直径或深度超过1cm的严重缺陷部位采用预缩砂浆进行修复，修复前应确保孔洞内无其他杂质和污渍，再用水泥浆或界面粘结剂将缺陷部位涂刷湿润，最后用统一调配的预缩砂浆将其修补填平，砂浆应反复揉搓并拍打密实。同步进行钢筋头切割、打磨、防锈底漆涂刷等工作。预缩砂浆配比见表1。

表1 预缩砂浆配合比表(体积比)

③用金刚片、千叶片、大理石抛光片等对基面进行整体打磨，打磨时应从下往上依次进行，避免上部灰尘覆盖下部基面导致打磨遗漏。混凝土主坝及防浪墙上游面采用金刚片和千叶片配合作业；防浪墙顶面及下游立面用500目大理石抛光片抛光；人行道、梯步等用钢丝刷打磨拉毛。

④整体打磨完成后用泵压流水进行清洗，对清理不完全或其他需要二次打磨的水痕、锈迹以及缺陷修复应采用彩色粉笔等做好现场标记，进行精细化加工[2]。

混凝土表面冲洗、基面打磨见图2。

图2 混凝土表面冲洗、基面打磨

喷涂施工工艺：

①底涂AC-1施工：保证基面干净、干燥，喷涂时应采取自下而上、水平匀速的方式进行，选用8001金属扇形喷嘴，喷嘴与基面保持0.3-0.5m间距，喷涂压力控制在8-10MPa，扇液面宽度控制在25-40cm之间，喷涂时下一道应覆盖上一道不少于1/2面积，且液流控制在15-20cm左右。喷涂完成自然固化不少于6h后进行中涂施工。

②中涂AC-1施工：与底涂基本一致，只在喷涂速率上稍有提高，中涂施工完成自然固化不少于8h后进行面涂施工。

③面涂AC-2+施工：面涂施工时采用边喷涂边滚涂(收液)的方法进行施工，喷涂时纵横交错均匀喷涂，喷涂压力控制在8-10MPa，喷涂速率上要明显提高，避免产生大量流液，流液即时用沾过材料的半饱和状态滚筒收液，当滚筒自身开始产生液流就要及时停止施工，将滚筒上多余的材料回收至材料桶内。

AC材料喷涂后效果见图3。

图3 AC材料喷涂后效果

喷涂技术要求：

①喷涂温度应控制在5℃-35℃，夏季喷涂时宜选择在多云/阴天或晴朗天气的早晚时段进行，禁止低温喷涂和高温暴晒下喷涂。雨雪天气禁止喷涂。

②每次喷涂前和完工后均应对喷涂机进行反复清洗，避免堵管。喷涂过程中因故必须停机待工时，AC-1材料组停机时长不超过1h，AC-2材料组不超过20min；

③涂料开盖前先行人工摇匀，开盖后用电动搅拌器进行充分搅拌，AC-1材料组搅拌时长不低于1min，AC-2材料组不低于2min；

④每次喷涂面积应尽可能宽广，减少搭接施工缝。喷涂时应在搭接部位放置棉布带隔离遮盖，防止重复喷涂影响整体观感质量。棉布带宽度不小于20cm，两次喷涂交叠面宽度不大于5cm。

3.2 施工阶段的质量管控

(1)技术交底：施工前由项目技术负责人、工程部和产品生产厂家技术员负责，对作业班组及工人进行了全面技术交底。施工时厂家技术员全程现场指导和监督。

(2)工序验收：按照施工组织设计和样板试验总结以及设计技术标准要求，每完成一道工序，及时请业主和监理检查验收，合格后才进入下一道工序施工。尤其是喷涂作业工序严格把握作业时的温度、湿度、风力、作业时间、间隔时间以及天气变化。

(3)用量控制：①施工单位结合施工组织设计编制详细的材料使用计划。②涂料进场后监理组织对其进行清点验收，对每批进场涂料进行编号。③使用过程中，根据理论涂量和实际涂刷面积核算发放涂料，并及时回收空桶，定期核算使用情况。

(4)环境要求：施工环境温度适宜在1℃-35℃之间，混凝土表面夏季温度不超过35℃；相对湿度在10%-90%之间；夏季晴天喷涂施工最好选择早晚，避免太阳光直射环境温度高于35℃，施工时应根据当时天气是晴天，还是多云天，适时调整喷涂作业时间。

(5)质量验收

①AC-1涂刷质量检查

用观察法查看是否有漏喷的局部：AC-1施工后基面颜色有一定的加深，仔细观察如果有漏喷的局部会比较发浅灰，发浅灰的局部进行补刷。

淋水法：施工3d待凝胶初步固化，基面淋水后观察基面的返干情况，返干较慢的局部说明材料吸收的不够，水渗透的更深，所以返干的速度较慢，对此范围应做好记号，然后等基面返干后局部补刷。

②AC-2+涂刷质量检查

淋水法：施工3d待凝胶初步固化后，用淋水法，基面淋水后观察基面的湿痕情况，变色湿痕重的局部说明材料吸收的不够，做好记号后等基面返干后用滚筒沾少许材料仔细地局部补涂，避免大意导致基面流痕。

仪器法：利用测厚仪进行成膜厚度检测。或施工7d后可以用热导仪硬度笔或者硬度笔测基面硬度，比较施工前后的数值变化，越是质量差的基面提升的效果越明显。

③取样检验：采用大板试块：用1-3块10cm×20cm混凝土板，在施工现场同等工艺条件下，与作业面同时喷涂取样。

3.3 实践运用中的材料优势体现

在目前已完成的左右岸土石坝防浪墙、右联坝、左联坝等部位的混凝土表面防护单元中检查发现，AC涂层体系在丹江口大坝加高混凝土表面防护工程实践运用中效果明显。

(1)混凝土表面原有的肌理依稀可见，新旧混凝土表面颜色从整体看大致均匀。

(2)混凝土表面无错台和陡坎，无蜂窝、麻面、气泡孔洞现象，无残留混凝土砂浆块，外露钢筋头和其他金属埋件已做处理。

(3)保护涂膜在正常条件下无起皮、脱落、变色现象。表面施工成膜后，具有透明哑光光泽，显露混凝土的本色与自然肌理施工前后混凝土表面情况对比见图4。

图4 施工前后混凝土表面情况对比

3.4 AC涂层体系在混凝土表面防护运用中的问题分析

(1)AC涂层体系经过底涂、中涂、面涂3次喷涂后，受其材料性能影响，混凝土表面仍存在高压冲洗、错台处理及打磨后的痕迹。

(2)受其AC涂层体系规定用量影响，实际施工过程中，存在喷涂量过多或过少，喷涂搭接过多等现象，出现搭接处颜色和其他部位表面颜色不够协调。

(3)质量检测手段受限。对于本材料渗透厚度、表面成膜厚度现场无法测定，检测的手段较为原始，科学数据支撑欠缺。

4 结 论

(1)AC涂料和施工工艺在江口大坝加高混凝土表面防护工程实践运用中达到了清水混凝土透明保护涂饰的要求，透明清晰，成混凝土本色，表面干净整洁，新旧混凝土表面颜色基本一致。

(2)AC涂料系新材料，使用的为新工艺，采用的是新方法。对加强丹江口大坝防护、提高混凝土耐久性，增强大坝新、老混凝土表面整体协调性，建设生态绿色大坝、提升工程整体形象起到了良好的示范作用。

(3)AC涂料在实践运用过程中也有一定的局限。一是受原混凝土表面本身外观质量的影响，加上自身清水混凝土防护饰材的特性，施工后的外观质量或多或少有些影响。二是采用观察法、淋水法、大板取样法等方法对工程进行质量检验，距利用先进的仪器设备、完善的检测手段、准确的数据分析来判断质量优劣还有一定的差距。