“纳米胶”在黄坛口电站闸墩防碳化处理中的应用

琚海荣 朱银秋 李彦波

(1.中国华电集团有限公司衢州乌溪江分公司，浙江 衢州 324000；2.北京易晟元环保工程有限公司，北京 100020)

1 工程概况

黄坛口水力发电站是乌溪江流域两级开发的第二级电站，距上游湖南镇水电站约29km。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运等综合利用效益。于1951年10月开工兴建，1958年4月开始蓄水，1959年11月竣工验收，至今已运行逾60年。闸墩混凝土长期受气温影响和紫外线照射产生了不同程度的碳化侵蚀，一定深度的碳化侵蚀造成混凝土内部碱性降低、表层微细裂隙增加，钢筋表层钝化膜破坏，钢筋发生锈蚀，进而导致混凝土保护层胀裂、疏松、脱落，混凝土结构劣化速度加快、综合耐久性能快速下降，影响混凝土结构强度和整体的稳定性，降低混凝土的使用寿命。近几年，黄坛口大坝对溢流坝面混凝土进行了碳化检测，结果显示：碳化深度为30～50mm，局部甚至超过了50mm，达到混凝土保护层厚度。

图1 黄坛口电站现状

2021年，对黄坛口大坝闸墩混凝土碳化深度进行检测，从结果(见表1)可以看出，平均碳化深度已达20～30mm，超过钢筋开始锈蚀的临界值，闸墩面细微裂缝较多，局部混凝土面剥落及钢筋锈蚀现象比较显，影响混凝土结构强度和运行安全，需要立即进行修复处理。

表1 黄坛口电站大坝混凝土碳化深度检测结果

针对老旧混凝土的耐久性修复防护，应根据水电站闸墩混凝土结构服役环境、施工基面情况、防护材料特点等，选择经济合理的防护修复材料，需满足以下条件：

水电站闸墩处于潮湿酸雨、冻融循环及紫外线照射区域，防护材料应当满足耐候性要求；施工基面潮湿，内部碳化较严重，防护材料应能恢复混凝土内部碱性环境并可适应潮湿面施工。多项研究表明，混凝土微观结构对其耐久性的影响是微观结构中存在的空隙及微裂缝所造成的[1]，因此封闭既有混凝土中毛细孔及微细裂缝是保障混凝土免受劣化侵蚀的有效途径。

综上所述，选择无机水性渗透结晶型耐久防护材料——“纳米胶”作为本次水电站闸墩防护修复材料。

2 “纳米胶”的性能特点

“纳米胶”是一种无色、无味的低黏度水性溶液，有效成分粒径为3～45nm，可迅速渗透至混凝土内部50～70mm，与混凝土结合成密实的整体，阻滞水及其他有害物质的侵蚀[2]；“纳米胶”可稳定存在于混凝土内部，当有新裂缝产生时，继续封堵裂缝，起到长久性抗碳化、抗渗、耐腐蚀的作用。

针对老旧混凝土的防护修复，纳米胶系列II型产品的反应机理见图2。

老旧混凝土服役过程中流失了大量钙离子，采用II型纳米胶B剂补充钙离子，恢复混凝土的碱性，再喷涂II型纳米胶A剂，使纳米胶粒子与钙离子发生反应，生成凝胶封堵毛细孔和细微裂缝，未反应“纳米胶”储存在混凝土内部，混凝土产生新裂缝时可快速迁移、反应，自动修复裂缝。

2.1 “纳米胶”优势

a.不改变混凝土原有理化性质，提高密实度。“纳米胶”可以快速从混凝土表面渗透至内部毛细孔隙内，研究表明[3]：“纳米胶”的渗透深度可达70mm以上，在不改变混凝土原有理化性质的基础上，提升混凝土的抗碳化、抗渗、抗冻融、抗化学腐蚀、防开裂、防菌藻附着性能，延长混凝土使用寿命。

b.自修复性。“纳米胶”具有持续的自修复能力，每8～10年施工一次即可满足防护需求。

c.绿色环保。材料绿色环保，达到饮用水工程标准，可应用于饮用水输送工程的混凝土修复。

d.施工简单。施工方法简便，速度快，无须找平层与保护层，干燥面和潮湿面皆可施工，施工后即可投入使用，大大缩短工期。

2.2 “纳米胶”与传统防护修复材料性能对比

“纳米胶”与传统防护材料的不同之处在于其渗透结晶后与混凝土融为一体，形成整体防护，永不脱落，而传统防护材料在使用过程中易出现涂层破损、脱落，与混凝土基面呈现出“两层皮”的状态[4]，对混凝土造成二次伤害，无法满足混凝土耐久性防护要求。

“纳米胶”具有高渗透性和高纳米活性，快速迁移、渗透到混凝土内部，封闭混凝土内部的毛细孔和微细裂缝，达到持续自修复的效果，使混凝土表面更加密实，阻止外界劣化因子的侵入，从而显著提高混凝土抗碳化性能，延长混凝土的使用寿命。

市场上几种主要防护材料性能[5]对比见表2。

表2 防护材料性能对比

2.3 “纳米胶”抗碳化性能优异

“纳米胶”抗碳化能力已在实际应用项目中得到了验证，如北京潮白河向阳闸已运行35年，施工前水闸混凝土出现了各种老化病害现象，影响水闸的正常运行，在混凝土表面喷洒“纳米胶”28天后，钻取芯样测定碳化深度，碳化深度明显降低；胜利油田项目中，选取2003年建成的挡浪墙迎水面进行“纳米胶”防护修复施工，完工3个月后钻取芯样进行指标测试。

两个项目的芯样由中国水利水电科学研究院工程检测中心检测，碳化深度检测结果见表3。

表3 碳化深度检测结果 单位：mm

向阳闸项目采用“纳米胶”修复后，混凝土碳化深度降低了13.2mm，碳化深度降低率为50%。胜利油田项目中碳化深度降低了24.5mm，碳化深度降低率为67.31%。通过实际案例验证了“纳米胶”作为混凝土构筑物的防护修复材料对混凝土抗碳化性能优异的提升作用。

3 “纳米胶”在黄坛口电站闸墩防碳化中的应用

“纳米胶”相较于其他传统防护材料，抗碳化、抗渗性能优异的同时，还具有无毒无害、自修复性、施工耗时短等优点。结合黄坛口电站现场实际情况，“纳米胶”混凝土耐久性防护技术完全满足其技术要求。

本次黄坛口电站大坝闸墩混凝土整体抗碳化防护修复采用聚合物砂浆及环氧树脂进行表面缺陷修复，然后将混凝土表面清理干净，喷涂纳米胶对老化混凝土表面进行整体防护，增强混凝土表面抗渗及抗碳化性能。具体施工工艺如下：

a.混凝土基面预处理。采用高压水对混凝土表面进行冲洗，要求剥离松动骨料。将混凝土构件表面的尘土、苔藓、钢筋锈斑和油污去除。对于使用高压清洗机无法清除的脏污，可使用砂纸、打磨机等进行去除。

b.表面缺陷修补。基面润湿后，用砂浆修补闸墩表面上的凹坑，磨光机清理闸墩表面上凸出的混凝土和砂浆块。

c.“纳米胶”施工。“纳米胶”施工温度范围在5～35℃之间。黄坛口电站施工时温度在5～35℃之间，温度适宜，可进行“纳米胶”喷涂施工。分两次进行喷涂；

第一遍：按规定用量进行Ⅱ型纳米胶B剂喷涂施工。间隔约15～30min后，再进行Ⅱ型纳米胶A剂施工。

第二遍喷涂施工：按规定用量进行施工，施工方法同上。

d.施工后养护要求。在施工后4h内，如降雨应采取覆盖等方法进行遮蔽；如遇大雨冲刷需重新喷涂；施工完24h后即可通水使用。

4 “纳米胶”应用效果

施工1个月后现场钻取芯样，并把芯样送至中国水利水电科学研究院工程检测中心进行28d碳化深度检测。经测试，碳化深度减少了50.21%，见表4。

表4 28d碳化深度检测结果

国内外大量碳化试验和调查结果表明混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比，混凝土碳化过程遵循Fick第一扩散定律[6]：

(1)

式中X——混凝土碳化深度，mm；

t——混凝土碳化时间，a。

苏联学者阿列克谢耶夫给出的混凝土碳化系数如下：

(2)

MCO2=8.22b

(3)

式中DCO2——二氧化碳扩散系数，mm2/a；

CCO2——混凝土表面二氧化碳浓度，mol/m3；

MCO2——单位体积混凝土吸收二氧化碳的量，mol/m3；

b——胶凝剂用量，硅酸盐水泥配置的混凝土即为水泥用量，kg。

查询相关文献和黄坛口相关记录数据，数值代入式(1)～式(3)可得：未经处理的试块碳化时间t1=10.02年，经“纳米胶”处理后的碳化时t2=22.89年。依据“纳米胶”施工后实际碳化深度数据与施工前数据推算，黄坛口电站混凝土碳化寿命至少可延长约13年。

5 结 语

目前，黄坛口大坝闸墩修复工程顺利通过竣工验收，并通过汛期过水考验，通过碳化数据监测，证明“纳米胶”可有效提升闸墩混凝土抗碳化性能，提高混凝土的耐久性，延长闸墩使用年限，从而确保大坝的安全运行，保障人民财产安全。从本工程的实践以及其他工程采用“纳米胶”施工的结果来看，“纳米胶”作为混凝土抗碳化防护修复材料，应用效果理想，有效提高了混凝土构筑物的耐久性，且施工工艺简单、操作安全，对环境和水无污染，符合绿色环保要求，具有广阔的应用前景，值得大力推广使用。