李海寧，晁永蓮

(1.青海省引大濟湟工程建設(shè)管理局，青海 西寧 810001；2.青海禹辰水利水電有限公司，青海 西寧 810001)

1 研究背景

據(jù)調(diào)查，我國正在運行中的水工建筑物因長期受到水流的沖刷以及水壓力的侵蝕作用，導致建筑物存在不同程度的缺陷，甚至有嚴重的安全隱患[1-4]。嚴寒地區(qū)水工混凝土除面臨沖磨破壞和空蝕破壞外，還存在凍脹、冰推、冰拔、冰撞等凍害問題，更加劇水工混凝土的破壞[5]。為改善水工結(jié)構(gòu)的抗沖磨、空蝕以及凍融能力，數(shù)十年來，國內(nèi)外學者一直致力于研究高速水流的侵蝕和破壞以及水利水電設(shè)施的維護，所涉及的抗沖磨材料種類諸多[6-7]。其中，有機類抗沖磨材料因抗沖磨性能優(yōu)異，具有與混凝土粘結(jié)性能好、施工方便等優(yōu)點，此類材料有聚合物樹脂砂漿、聚合物改性水泥砂漿、聚合物彈性體和有機耐磨涂層，涉及的聚合物包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚脲彈性體[8-10]。不足之處在于與待修復混凝土基底的線性膨脹系數(shù)差別較大，在運行環(huán)境變化、高速泄水(如流速超過40m/s)、尤其是嚴寒地區(qū)易發(fā)生脫層、起翹、龜裂等劣化問題，相容性及適應(yīng)性難以滿足實際工程要求。

經(jīng)大量試驗數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用情況表明，除了要求修復材料具有一定的強度、韌性以及抵抗對溫濕變化的能力，還應(yīng)改善其對基層混凝土的粘結(jié)性能及與老混凝土基面的適應(yīng)性等[11-12]。同時，還要根據(jù)水利工程混凝土的不同破壞情況，采用合適的修復材料與施工工藝，方能對水工混凝土缺陷做到有效修復[13]，其中固密特(Gumeete簡稱為GMT)新材料專注于混凝土建筑物的修復，具有防滲、抗沖蝕以及粘結(jié)能力強等優(yōu)勢。本文根據(jù)嚴寒地區(qū)水工混凝土運行特點、破壞形式、破壞程度、待修復基面情況、老混凝土強度等級、應(yīng)用場合等不同，介紹了GMT系列3類修復材料的性能特點，并將該修復材料應(yīng)用于泄水及其他建筑物工程中。

2 嚴寒地區(qū)水工混凝土修復材料選擇原則

嚴寒地區(qū)水工混凝土修復材料選擇要求主要考慮以下幾個方面：

(1)力學性能。修復材料具有不低于混凝土基底的強度、韌性以及與老混凝土有良好的粘結(jié)性能。

(2)耐久性。具有良好的耐久性，如抗沖磨、抗?jié)B性、耐腐蝕性等。

(3)相容性。與基底良好的熱相容性。

(4)適應(yīng)性。與基底相匹配的線性膨脹系數(shù)、線性收縮率。

(5)韌性、抗凍性能。具有一定的韌性、抗沖擊性能、抗凍性能，以抵抗溫度、濕度變化的能力，適應(yīng)嚴寒地區(qū)水工混凝土修復。

(6)和易性、經(jīng)濟性。具有適宜的稠度、適用期、固化時間、經(jīng)濟性，以便于施工、運行及推廣。

同時，嚴寒地區(qū)水工混凝土修復材料的選擇還要結(jié)合實際工程情況，如破壞因素、沖磨部位、沖磨破壞程度、缺陷深度、基面干燥程度等，選擇合適的修復材料。

3 GMT系列修復材料介紹

3.1 GMT系列修復材料的性能指標

根據(jù)嚴寒地區(qū)水工混凝土實際修補需要，GMT系列修復材料有GMT高性能改性聚合物修補砂漿、GMT新型快速修復抗沖磨砂漿、GMT特種高聚物修復材料3種主材，具體如下：

(1)GMT高性能改性聚合物修補砂漿

GMT高性能改性聚合物修補砂漿(以下簡稱GMT Ⅰ)由A1、B1兩組分組成，其中A1組分為高性能水性復合聚合物、外加劑等，B1組分由水泥(P·O 42.5)、復合摻合料、觸變劑、級配石英砂等組成。作為一種水性高分子復合聚合物改性砂漿，與油性聚合物砂漿相比，更為環(huán)保，更適用于潮濕基面施工，其主要性能指標見表1。

表1 GMT Ⅰ性能指標

GMT Ⅰ與普通砂漿相比，具有優(yōu)異的粘結(jié)、耐磨、抗?jié)B等性能，綠色環(huán)保，施工便捷，可人工抹涂作業(yè)也可機械噴涂施工。

(2)GMT新型快速修復抗沖磨砂漿

GMT新型快速修復抗沖磨砂漿(以下簡稱GMT Ⅱ)由A2、B2、C2三組分組成，其中A2組分是由一種改性環(huán)氧樹脂、增韌劑及其他助劑組成，B2組分為固化體系，包括改性固化劑、稀釋劑、固化促進劑等，C2組分由級配特種砂料、復合活性粉狀填料等組成。A2、B2、C2按規(guī)定比例攪拌混合固化后形成一種高韌性的快速修復材料，其主要性能指標見表2。

表2 GMT Ⅱ性能指標

GMT Ⅱ具有高沖磨強度、良好的柔韌性、抗沖擊性能強，抗凍性能佳，能夠適應(yīng)高寒地區(qū)大溫差、凍融循環(huán)頻繁等嚴苛的環(huán)境。

(3)GMT特種高聚物修復材料

GMT特種高聚物修復材料(以下簡稱GMT Ⅲ)由A3、B3、C3三組分組成，該修復材料是以改性脂肪族聚脲A3代替水泥作為膠結(jié)材料，與特種級配砂料B3、改性混合粉料C3制成一種高彈性、高沖磨強度的混凝土修復加固材料，其主要性能指標見表3。

表3 GMT Ⅲ性能指標

GMT Ⅲ 除了具有高韌性，還具有高抗沖磨強度、抗沖擊性、抗?jié)B、抗凍、耐老化性能，良好的高低溫性能，施工方便，適用于泄水建筑物水流過流面表面沖刷磨蝕及氣蝕破壞的表層修復。

3.2 GMT系列修復材料的力學性能

力學性能是修復材料的重要性能之一，其中，抗壓強度與抗折強度是表征修復材料基本特征的重要指標。通過比較分析修復材料的力學性能參數(shù)，獲取適合于不同水工建筑物的修復材料。圖1為GMT Ⅰ、GMT Ⅱ和GMT Ⅲ三種不同修復材料的28d抗壓強度和28d抗折強度，其中，抗壓強度和抗折強度每組數(shù)據(jù)分別測5個試件并求其平均值。由圖1可知，GMT Ⅰ的抗壓強度高于GMT Ⅱ和GMT Ⅲ，GMT Ⅱ的抗折強度高于其他2種修復材料，GMT Ⅲ的抗壓強度和抗折強度均處于最低。

圖1 各修復材料的力學性能

3.3 GMT系列修復材料的粘結(jié)性能

根據(jù)嚴寒地區(qū)待修復水工混凝土的破壞因素、沖磨部位、沖磨破壞程度、缺陷深度、基面干燥程度、相容性、經(jīng)濟性等情況，需選擇GMT系列修復材料一種或多種修復材料進行修復使用。GMT系列修復材料與老混凝土面、不同底材之間的粘結(jié)性能見表4。

表4 各修復材料間的粘結(jié)性能

由表4可知，GMT Ⅰ、GMT Ⅱ、GMT Ⅲ與老混凝土面粘結(jié)測試結(jié)果均大于4MPa，破壞層均為老混凝土面；不同修復材料之間粘結(jié)測試結(jié)果均大于5MPa，從破壞情況來看：粘結(jié)強度GMT Ⅱ>GMT Ⅲ>GMT Ⅰ。

GMT Ⅰ、GMT Ⅱ、GMT Ⅲ修復材料均具有優(yōu)異的強度、抗沖磨性、抗凍性等性能，根據(jù)各自優(yōu)勢單獨或復合修復嚴寒地區(qū)水工建筑不同情況的缺陷，可以承受嚴寒地區(qū)的高、低溫，補償高低溫引起的形變，抵抗嚴寒地區(qū)水工混凝土凍害、沖磨破壞等問題?？偨Y(jié)如下：① GMT Ⅰ是一種水性高分子復合聚合物改性砂漿，其抗壓強度高于其他2種修復材料，但抗折強度低于GMT Ⅱ，可廣泛應(yīng)用于水流落差不大的水工建筑物表面凍害、沖蝕破壞修復；② GMT Ⅱ的抗壓強度略低于GMT Ⅰ，其抗折強度最高，通常將GMT Ⅱ單獨使用或GMT Ⅰ作為底層材料與GMT Ⅱ復合使用，修復高速夾砂水流的非外露型泄水建筑物表面，如導流洞、泄洪排沙洞等；③ GMT Ⅲ的力學性能不及GMT Ⅰ、GMT Ⅱ，但對比表1、2、3可知，其抗沖磨強度和壓縮形變率最高，通常將GMT Ⅲ單獨使用或利用GMT Ⅰ、GMT Ⅱ作為底層材料與GMT Ⅲ復合使用，修復高速夾砂水流的外露型泄水建筑物表面，如溢流壩、泄洪閘井室等。

4 GMT系列修復材料在工程應(yīng)用情況

GMT系列修復材料均具有良好的綜合力學性能、粘結(jié)性、抗沖磨強度和耐久性，已應(yīng)用到多個嚴寒地區(qū)水工混凝土缺陷修復工程，經(jīng)運行驗證，效果良好。

4.1 項目概述

4.1.1工程概況

寶庫河三級水電站位于中國青海省大通縣境內(nèi)，以城市供水及發(fā)電。樞紐所在位置地形較為陡峭，自然坡42°～46°，呈U形，水電站共安裝3臺機組，總裝機容量1.5萬MW。

該水電站的泄水道寬2.0m，長132.3m，坡比為1∶1.05，引水流量為17m3/s，泄水道經(jīng)過多年運行，間斷性承受懸移質(zhì)與夾雜的高速水流的沖刷及氣蝕破壞，以及氣候因素導致的凍害破壞，混凝土表層出現(xiàn)大面積剝蝕脫落、露骨露筋等現(xiàn)象，目前所有破壞的部位其深度達到1～5cm不等。上述問題已嚴重影響泄水道的正常運行能力，在以后高水頭、大流速的情況下運行，沖磨范圍和深度將進一步加大，當磨損加大加深，危及鋼筋等結(jié)構(gòu)受力物時，導致鋼筋斷裂，泄水道整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全概況隱患，進而影響整個樞紐工程正常運行。

4.1.2原因分析

(1)由于泄水槽底板混凝土本身對于高速夾砂水流的抗沖蝕能力不足導致的沖蝕破壞。

(2)由于泄水槽落差大、流速高而產(chǎn)生的氣蝕破壞。

(3)由于泄水槽原伸縮縫沒有設(shè)置柔性止水材料嵌填，導致伸縮縫周邊混凝土的凍融破壞。

4.2 現(xiàn)場材料情況

(1)GMT Ⅰ修復材料

水泥采用52.5硅酸鹽水泥，石英砂采用10-20目、20-40目、40-70目按照2∶2∶1進行配置，根據(jù)生產(chǎn)廠家實驗室確定施工配合比為水泥∶砂子∶丙乳∶外加劑∶水=10∶20∶2.3∶1∶0.7。本工程根據(jù)實際情況采用攪拌機進行攪拌，要求拌制好的材料在30min內(nèi)用完為宜。

(2)GMT Ⅲ修復材料

聚脲砂漿A3∶B3∶C3按照1∶1∶5進行配置根據(jù)現(xiàn)場使用速度采用電動攪拌鉆進行攪拌，首先是將A3、B3組分攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入C3組分直至攪拌均勻無結(jié)塊即可，要求拌制好的材料在30min內(nèi)用完為宜。

4.3 泄水槽底板綜合修復(GMT Ⅰ+GMT Ⅲ)

4.3.1GMT Ⅰ修復材料底層修復

(1)鑿毛處理

使用電鎬對需處理缺陷范圍內(nèi)松散破損部位混凝土進行鑿毛處理直至密實混凝土基面。

(2)基面除塵處理

對于鑿毛過的基面先使用高壓水沖洗松動顆粒和粉塵，再使用高速吹風機對基面表面吹洗，保證基面無雜物粉塵及明水，對于存在裸露鋼筋采用鋼絲刷除銹。

(3)底層基液涂刷

在修復基面處理完成且檢驗合格后，在混凝土基面上滾涂一層專用改性聚合物凈漿以增強GMT Ⅰ修復材料與原混凝土的粘結(jié)強度。丙烯酸酯乳液∶水泥=1∶2進行稱量配制，采用攪拌鉆攪拌均勻無結(jié)塊。

將拌制好的基液均勻的涂抹在基面上，并要求涂抹面薄而均勻，基液應(yīng)現(xiàn)拌現(xiàn)用，同時涂刷基液和GMT Ⅰ修復材料交叉進行，基液涂刷后無需等待即可進行聚合物砂漿的涂抹。

(4)GMT Ⅰ的拌制和涂抹

因該產(chǎn)品出廠前已經(jīng)按照比例配置完成，故只需按照產(chǎn)品說明將A1組分液料與B1組分粉料整組攪拌均勻(約需7～10 min)即可供施工使用。用量少的情況下可按照產(chǎn)品使用說明進行稱量，也可人工拌制。應(yīng)同方向涂抹GMT Ⅰ修復材料，并進行壓實以排除多余氣體。由于本泄水槽底板坡降較大，對于修補較深部位采用分層施工的方法進行施工，每次涂抹厚度為3cm。

(5)養(yǎng)護

GMT Ⅰ修復材料涂抹完畢后，表面采用噴霧灑水的養(yǎng)護方式，7d后自然干燥即可。

4.3.2GMT Ⅲ修復材料面層修復

(1)基面處理

對修復過的基面局部不平整區(qū)域再次打磨，潮濕基面進行干燥處理。

(2)刮涂專用界面劑

根據(jù)現(xiàn)場情況及高彈性聚脲修復材料施工速度配置相應(yīng)用量的專用界面劑，使用刮板將界面劑刮涂在合格的混凝土基面上，要求刮涂盡可能的薄而均勻且混凝土基面無漏刮、漏點現(xiàn)象。

(3)涂抹GMT Ⅲ修復材料

待界面劑表面干后將配好的GMT Ⅲ修復材料攪拌均勻，在基面上攤鋪開，使用抹子將GMT Ⅲ修復材料涂抹均勻表面平整無刮痕，刮涂厚度控制在5～7mm。

(4)養(yǎng)護

待GMT Ⅲ修復材料施工完成后，自然養(yǎng)護7d后即可使用，養(yǎng)護期間保證表面不被外力破壞及其它材料表面污染。

4.3.3泄水槽側(cè)墻聚脲封閉涂刷

(1)基面處理

對于需要處理部位首先采用角磨機對混凝土表面打磨至新鮮混凝土基面并用大功率吹風機將表面吹除干凈。

(2)刮涂專用界面劑

對于檢查合格的基面使用刮板將配置好的界面劑刮涂在混凝土基面上，要求涂刷均勻無漏點。

(3)聚脲封閉涂刷

待界面劑表面干后(約5h后)即可涂刷聚脲封閉涂料要求刮涂均勻表面平整光滑無氣泡。

4.3.4泄水槽底板伸縮縫密封膠嵌填

(1)基面處理

對需要換填伸縮縫首先使用切割機切除表面砂漿，然后鑿除伸縮縫內(nèi)嵌填物，保證伸縮縫深度不小于3cm，然后使用大功率吹風機將縫內(nèi)雜物粉塵吹除干凈，伸縮縫兩側(cè)用膠帶進行粘貼，伸縮縫寬度為3cm。

(2)嵌填聚氨酯建筑密封膠

根據(jù)伸縮縫用量配置聚氨酯密封膠，經(jīng)稱量拌制至均勻即可；然后使用灰刀將密封膠嵌填入縫內(nèi)，要求填壓密實，表面光滑；最后拆除膠帶即可。

4.3.5現(xiàn)場試驗測試

采用GMT Ⅰ+GMT Ⅲ組合修復材料，使修復結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖磨性和整體性，為了對修復后的新老混凝土粘結(jié)性能進行定量分析以及保證修復后的泄水建筑物的正常運行，進行了現(xiàn)場試驗測試，GMT Ⅰ和GMT Ⅲ與老混凝土面的粘結(jié)強度、修補厚度分別見表5—6。

表5 GMT Ⅰ與老混凝土面的粘結(jié)強度和修補厚度

表6 GMT Ⅲ與老混凝土面的粘結(jié)強度和修補厚度

由表5—6可知，GMT Ⅲ與老混凝土面的粘結(jié)強度普遍高于GMT Ⅰ與老混凝土面的粘結(jié)強度，只有第5個現(xiàn)場測驗點的粘結(jié)強度較低；GMT Ⅲ的修補厚度均要比GMT Ⅰ的數(shù)值小。因此，老混凝土和修復材料之間的粘結(jié)力與各自的強度有較大關(guān)系，修復材料的強度應(yīng)高于老混凝土，應(yīng)根據(jù)不同的修復部位采用不同的修復材料，組合使用修復材料以增加修復結(jié)構(gòu)的使用壽命，GMT Ⅰ和GMT Ⅲ修復材料憑借優(yōu)異的力學性能和耐久性應(yīng)用于該泄水建筑物中，經(jīng)運行驗證，效果良好。

5 結(jié)語

通過對寶庫河三級水電站泄水槽底板底層涂抹GMT Ⅰ修復材料、面層涂抹GMT Ⅲ修復材料、側(cè)墻30 cm聚脲封閉涂刷、伸縮縫嵌填聚氨酯建筑密封膠處理，保證了該結(jié)構(gòu)的整體性與耐久性，修復情況滿足工程要求。因此，針對嚴寒地區(qū)水利工程面臨的水流沖刷、砂石磨蝕、侵蝕破壞等問題，并根據(jù)工程結(jié)構(gòu)不同部位情況，選擇GMT系列修復材料的其中一種或多種復合使用，可有效修復水工混凝土缺陷。