“纳米胶”在渡槽混凝土表面降糙中的应用

李 霞，李彦波，程煜淋

（北京易晟元环保工程有限公司，北京 100022）

输水工程混凝土建筑物的病害修复和耐久性防护［1］一直是水工混凝土建筑物修补的难题。输水工程混凝土构筑物（明渠渡槽、输水隧洞等）由于多种原因，会不可避免地存在几个方面的问题：混凝土表面微细裂隙的渗漏对混凝土长期耐久可靠性问题、混凝土表面淡水壳菜及生物附着生长影响过水流速和流量问题、 混凝土表面粗糙度较大影响过水效率和过水安全稳定可靠问题等。

为确保输水工程长期安全、稳定高效运行，对输水工程混凝土表面实施有效防护保护是一种必不可少的技术措施［2］。在常用的防护保护技术措施中，主要有：喷涂聚脲树脂涂层、环氧树脂涂层［3］、聚合物改性水泥涂料等，这类技术都统称为“贴皮式”的表面防护技术， 特点是防护材料具有很高的与混凝土界面的黏结强度、 涂层本体的拉剪强度和优异的表面光滑致密性等， 多年来在不同工程中得到广泛应用。但在应用过程中发现不足之处：此类涂层材料中含有一定量的非反应性塑化剂或溶剂， 对现场施工环境、施工人员身体健康造成一定污染或伤害，施工过程工序繁杂、关键质量节点多，施工周期较长，同时界面黏结疲劳性破坏［4］易导致整体防护失效。

1 “纳米胶”混凝土耐久性防护技术［5］

混凝土结构表层耐久性防护技术多年来一直是混凝土工程结构和材料的重要研究方向之一， 近几年来， 作为混凝土表层耐久性防护的革新性技术——无机纳米硅酸盐水溶液渗透结晶材料 （以下简称“纳米胶”），在材料研究和工程应用研究上得到快速发展。

“纳米胶”是粒子粒径为3～45 nm 的硅酸盐水溶液，具有和水一样的透明外观和黏度，全无机材料组成。不同于传统上的“贴皮式”有机树脂涂层或水泥基防护涂层技术，该技术被誉为“筋骨式”防护技术。其作用机理：直接喷洒在表面洁净的潮湿混凝土结构表面，材料中的纳米活性粒子迁移、渗透到混凝土表层深度40～70 mm，并与混凝土内部钙溶液反应生产C-S-H 水泥凝胶体，填充固结混凝土表层结构的毛细空隙、骨料间界面缝隙、微细裂隙等缺陷，提高混凝土表层密实度和完整性， 从而实现混凝土变成真正的“人工石”,避免了“贴皮式”有机树脂涂层的弊端，对混凝土的综合耐久性有较大提高；对混凝土的表面性能，如降糙率、抑制菌藻生长，有较大改善。

自2018 年来， 经过中国水利水电科学研究院、中国建筑科学研究院、 交通运输部科学研究院等权威单位测试验证“纳米胶”材料应用于混凝土后的综合耐久性情况，结果如表1。并先后在很多工程中得到效果显著的应用，如南水北调中线、密云水库、广西百色水利枢纽、北京潮北河向阳闸、胜利油田防浪大堤等防护修复工程。

表1 “纳米胶”应用于C40 混凝土后的对混凝土后的耐久性变化情况

2 “纳米胶”在渡槽混凝土降糙工程中的应用

相比于环氧树脂类防护涂层、 聚脲树脂涂层等“贴皮式”的整体防护工艺技术的复杂性（需要人工对混凝土基面凿毛、 需要人工涂刷基底界面剂等）、施工工艺质量控制节点多、施工质量难以均一、施工周期时间长等不足之处，“纳米胶”材料的应用工艺技术体现出高效便捷、施工质量控制节点少等优点。

2.1 基底处理要求

无需对旧混凝土表面进行打磨见到新渣， 只需去除影响渗透的表面附着物和浮皮砂砾， 使用0.3～0.8 MPa 的压力水对混凝土表面冲洗等。基底面的处理高效、便捷。

2.2 基底干燥状态要求

对混凝土基底表面含水率要求不高， 要求在混凝土基底表面无明水的潮湿状态下施工。 无需让混凝土基底面干燥处理的复杂工序。

2.3 施工工序

基底处理好后， 无需涂刷界面剂等复杂繁琐工序，采用低压施工设备喷洒2～3 遍，区域喷洒施工只需1 人操作，多区域可以安排多人平行喷洒施工，施工效率高，每人每小时可施工30～100 m2。传统的“贴皮式”修复和防护材料需要先涂刷界面剂，等待界面剂表干后才可正式刮涂或喷涂施工， 施工相对比较缓慢，一般每人每天施工100 m2左右，工期较长。

2.4 施工后的养护时间短且简单

“纳米胶”每遍施工间隔一般在30～60 min，施工后保持基本环境要求，只需要关注24 h 内不受雨水淋刷即可，无需特殊养护。而传统的“贴皮式”修复和防护材料一般至少需养护3 d 以上， 且受天气和环境影响较大。

渡槽现场 “纳米胶”施工照片如图1。

图1 渡槽现场“纳米胶”施工照片

3 应用效果

2021 年4 月在南水北调中线某渡槽段实施渡槽1#、2#、3#孔对比应用试验研究，其中1#孔应用“纳米胶”产品和2#孔为应用的空白对比试验。试验由中国水利水电科学研究院进行降糙率设计、 检测和计算评估，试验结果如表2。

表2 南水北调某渡槽清理前后水力参数变化情况

从表2 可看出，1#槽身清理之前的糙率为0.0130，清理并喷涂“纳米胶”后的糙率为0.0105，糙率减小19.2%；2#槽身清理之前的糙率为0.0132，清理后的糙率为0.0120，糙率降低9.1%。与表面清理后的2#槽身相比，1#槽身清理并喷涂纳米胶后，过流表面的糙率减小12.5%， 表面流速增加9.7%， 表明“纳米胶”具有很好的降糙效果。

4 结语

输水工程中混凝土耐久性是水工建筑安全运行的可靠保障因素之一， 而耐久性性能下降主要是混凝土表面或浅表层在自然界和运行环境条件下逐步劣化导致的， 故混凝土表面修复和防护材料及应用技术尤为重要。 纳米无机水性渗透结晶型修复和防护材料技术，具有与传统“贴皮式”修复和防护材料不同的作用机理， 从微观上有效提高混凝土浅表层密实度， 实现宏观上显著提高混凝土的综合耐久性能，同时其应用技术具有简便、高效、科学可靠等优点，且其应用后不会影响后续的修复和防护工作；而“贴皮式”修复和防护材料一旦出现质量问题或本身耐久性问题，需耗费更多财力和人力成本进行修复，即工程中的“五倍律”和“十倍律”问题。因此，纳米无机水性渗透结晶型修复和防护材料技术值得在输水工程混凝土表面降糙工程中大量推广和应用。