纳米胶混凝土防护技术在水利工程中的应用

陈星辰 陈 钟 柳 斌

(江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100)

1 项目背景

目前，国内的多数混凝土工程都存在实际寿命与设计寿命相差较大的情况，混凝土工程设计寿命一般在50年以上，重点工程要求的设计寿命在100年以上，但是在实际应用中，混凝土工程通常使用20～30年，就开始陆续出现各种问题和安全隐患，不得不花费大量资金和时间进行修复与加固，直接影响到经济效益和安全运行。

混凝土是在工程建设时大量采用的基础材料，2018年全国混凝土用量约为15.9亿m3，但是在使用混凝土进行工程建设时，建设单位一般关心的都是强度能否达到设计指标，价格是否符合预算，对于使用寿命只简单地按照工程重要程度分为50～100年，对于工程实际的耐久性缺少具体指标，也没有检验要求。实际上，混凝土暴露在自然环境中会面临种种腐蚀因素，影响混凝土的使用寿命，主要如下：

a.化学作用。如碳化、盐害、硫酸盐腐蚀、碱-骨料反应等。

b.物理作用。如冻融、干湿循环、磨损等。

c.微生物作用。如菌藻扎根、分泌物腐蚀等。

混凝土的腐蚀问题如果在设计建设阶段没有被充分考虑的话，工程一般在实际使用5～10年后就会陆续出现细微裂缝、表层剥落、顺筋裂缝、钢筋锈蚀、骨料剥落、结构损坏等，最后只能大修或重建，所以要高度重视混凝土的防护与修复工作。

目前国内混凝土工程防护方法较少，修复效果不明显，且部分防护工艺费时费力，一般使用的防护方法分为内部防护和表层防护两大类。内部防护主要以采用耐蚀材料和电化学保护为主，防护效果较好，但是会导致工程造价大幅上升，而且一般只适用于新建工程，对于既有工程很难应用。表层防护主要分为有机材料(如环氧树脂、丙烯酸、聚氨酯、聚脲等材料)防护和无机材料(如硅酸盐等)防护。目前在国内主要采用的是有机材料表层防护技术，但是由于有机材料普遍存在耐候性差易老化、与混凝土附着性差，及对施工人员技术水平和设备质量依赖的问题，导致有机材料对混凝土的有效保护时间普遍较短。而无机材料对混凝土的防护机理较好，但是对材料的制备水平要求较高，因此早期材料性能并不理想，直到近年来纳米材料制备工艺的成熟，才体现出良好的效果。

纳米胶是在引用无机水性硅酸盐表面渗透结晶材料的基础上，采用纳米级制备技术，研发出的混凝土耐久性防护和修复材料，它可以显著提高混凝土耐久性，达到延长工程寿命、提高工程经济与社会效益的目的，该技术将在水利、交通、建筑等混凝土工程中得到广泛应用。

2 化学原理

硅酸盐水泥在水化反应中，生成水化硅酸钙(C-S-H)和氢氧化钙(Ca(OH)2)，纳米胶具有高度的纳米活性，可以快速渗透到混凝土内部40mm以上的深度，在渗透层内其主要成分与混凝土中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，封堵混凝土中的细微裂缝，形成致密层，阻滞水、盐、酸碱、二氧化碳和微生物的侵入，并保持混凝土碱性环境，防止钢筋锈蚀，从而显著提高混凝土耐久性。

2.1 硅酸盐水泥水化

硅酸三钙(硅酸盐水泥主要成分)在常温下的水化反应中生成水化硅酸钙和氢氧化钙，化学方程式为：

2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·(n-2+x)H2O+(2-x)Ca(OH)2

(1)

xCaO·SiO2·(n-2+x)H2O为水化硅酸钙(凝胶)，水化硅酸钙为六面立方椎体，结构很稳定，可增强混凝土的强度，而氢氧化钙Ca(OH)2为层状结构，易风化、腐蚀、裂缝，对混凝土强度极为不利，是提高混凝土强度要解决的核心问题。

2.2 纳米胶补强与修复原理

在混凝土加入纳米胶后，其主成分会与混凝土中的氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，填补混凝土中的缝隙，形成致密层，增强混凝土强度，保持混凝土碱性环境，并阻滞水、盐、酸碱、二氧化碳和微生物的侵入，同时起到保护钢筋不锈蚀的作用，化学方程式为：

Na2O·SiO2+xCa(OH)2+yH2O→xCaO·SiO2·zH2O+2NaOH+(x+y-z-1)H2O

(2)

Na2O·SiO2为纳米胶的主成分，xCaO·SiO2·zH2O为一种水化硅酸钙(凝胶)，通过将氢氧化钙转化为水化硅酸钙凝胶，提高混凝土表层致密度；同时无机水性渗透结晶型材料(纳米胶主要成分)根据其主成分与氢氧化钙持续反应能力的不同，分为固化型和反应型两种；固化型纳米胶使用后增加混凝土强度，反应型纳米胶即使在干燥后，一旦被供给水分，就会和氢氧化钙继续产生反应，具有持续自修复能力。

2.3 物理渗透原理

混凝土是一种非均质的多孔复合材料，孔是混凝土微结构中重要的组成之一。混凝土中的孔有两类：凝胶孔和毛细孔。凝胶孔与水化硅酸钙的结构有关，其尺寸在几个纳米之间。但毛细孔是存在于不同水化产物之间的孔，尺寸在几百个纳米至几个毫米之间。而混凝土的耐久性除了受其本身化学组成的影响外，主要就由孔隙率、孔隙特征和微裂缝等因素决定，孔径小于20nm的为无害孔，孔径在20～50nm的为少害孔，孔径在50～200nm的为有害孔，孔径大于200nm的为多害孔。一般只有大于100nm的毛细孔才会影响混凝土的强度和渗透性。而纳米胶颗粒粒径为1～20nm，可以对水泥硬化浆体中20nm以上的微孔进行渗透，并起到填充效应，有效改善孔隙率和孔隙结构，并可自行反应填充0.2mm以下的裂缝，封闭腐蚀因素的侵入通道，从而提高混凝土的强度与耐久性能。

3 主要工艺及特性

3.1 纳米胶分类及防护机理

纳米胶目前有两种型号：适用于新混凝土防护的为纳米胶Ⅰ型，见图1；适用于已劣化混凝土的修复和防护的为纳米胶Ⅱ型，见图2。

图1 Ⅰ型防护机理

图2 Ⅱ型防护机理

3.2 简便的工艺流程

纳米胶施工简便，主要过程如下：

a.基底处理。无须对混凝土表面进行打磨，只需用高压水枪冲洗，去除影响渗透的有机涂层和油渍等即可；对混凝土表面含水率要求不高，湿润状态下(无表面径流)也可施工。

b.环境要求。建议施工环境温度为5～35℃，无风或微风时可以直接喷涂，风力大于四级时可以采用滚刷工艺，风力大于六级建议采用薄膜敷设法施工。

c.施工人员要求。施工用具简便，施工方法简单，见图3，对施工人员技术素质无特殊要求，只需按量喷涂即可。

图3 现场施工工具及方法

d.养护要求。施工方案中设计多次施工，施工间隔不少于30min，施工后保持基本环境要求，24h后即可使用。

3.3 工艺特性

纳米胶与传统防护技术相比有如下特性：

a.纳米胶是对混凝土本体进行改性和增强，对比传统技术采用的有机涂膜工艺，效果更加持久，无老化、脱落问题。

b.纳米胶对多种劣化作用都有抑制作用，能延长已劣化混凝土的寿命。

c.全无机成分，无毒无重金属，安全环保，符合饮用水工程标准。

d.施工简便，对人员技能要求低。

e.施工环境要求低，基本不受季节、环境和基面含水率影响。

f.施工费用低，维护管理费用大幅降低。

4 实际应用

4.1 北京向阳闸水闸耐久性防护修复工程

向阳闸位于北京市顺义区马坡镇向阳村东，横跨潮白河，是一座大(Ⅱ)型水闸，其主要功能是蓄水和泄洪。该水闸于1984年竣工并投入运行。向阳闸已运行35年，目前水闸混凝土出现了各种老化病害现象，已影响该闸正常运行。

应用中选取闸墩、横梁及翼墙部分区域，进行了试验。于2018年4月9—12日对所选区域进行了混凝土各病害修复和纳米胶喷涂，4月26日纳米胶喷涂14天后抽取芯样，并送有关机构进行加速碳化深度试验，抽芯碳化深度检测结果见表1。

表1 抽芯碳化深度检测

以上碳化试验结果表明喷涂纳米胶后碳化深度从23.7mm变为11.8mm，抑制率为50.21%，此结果相当于为混凝土基体延长20年的使用寿命，工程质量评估合格，施工效果得到建设方的一致肯定，该工艺使用效果优良。

4.2 天津滨海新区汉沽海挡外移工程

汉沽海挡外移工程位于滨海新区汉沽北疆电厂与中心渔港之间，2011年5月完工，已运行8年。从现场勘查情况来看，迎海面已出现钢筋外漏、麻窝、裂缝、缺损等现象，需要及时进行修补以确保海堤的安全运行。2018年5月26—27日，施工队伍先处理混凝土表面较大的裂缝、缺损、漏筋等病害，然后对选定区域的混凝土表面整体喷涂纳米胶Ⅱ型，并对混凝土表面整体涂刷一层表面防护涂层材料。

2019年5月28日，施工1年后抽取芯样，送有关机构进行氯离子迁移系数试验，氯离子迁移系数的检测报告见表2。

表2 氯离子迁移系数检测

从抗氯离子侵蚀结果可以看出，喷涂纳米胶后混凝土的氯离子迁移系数从 6.41×10-12m2/s变为3.69×10-12m2/s，抗氯离子渗透等级由Ⅰ级变为Ⅱ级，抗氯离子渗透能力增强，混凝土的耐久性大大提高，延长了混凝土的寿命。据此并选定纳米胶作为新建混凝土挡浪墙工程的防碳化、防氯离子侵蚀的防护材料。

5 结 语

纳米胶混凝土耐久性防护和修复技术大幅度延长了混凝土的使用寿命，降低了混凝土的防护难度和成本，在全国水利及建筑等行业有较大应用前景，应加快此项技术的推广转化；国内水利水电、交通、市政、港口工程、桥梁、隧道、住房等混凝土建筑面广量大，纳米胶混凝土耐久性防护和修复技术的进一步推广应用，将为各类工程带来巨大的经济与社会效益。