水泥基渗透结晶性防水涂料在高原高寒地区大坝工程中的应用

刘 昕 鑫，李 建 武，刘 斌

(中国水利水电第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

瓦托水电站位于西藏自治区昌都市卡若镇列巴村金河下游约2.5 km处，是金河水电规划中的第五个梯级。金河流域属高原温带半湿润季风气候区，每年11月至次年4月为旱季， 5～10月为雨季，金河流域内冬季气候寒冷干燥，夏季温和湿润，日照较为充足，太阳辐射较为强烈，日温差大，年温差小，无霜期短，总的气候特征是空气较为稀薄，气压低，氧气少；高原紫外线强烈，气温偏低，旱季雨季分明。

工程区多年平均气温为7.6℃，实测最高气温33.4℃，发生在1972年；实测最低气温为-20.7℃，发生在1982年。坝址区最大冻土深度为0.8～1 m，最大风速18 m/s(相应风向SE和NW)。

综上所述，工程所在地由于处于高原高寒地区，受地理气候条件等因素影响，具有气压较低、日照强烈、平均湿度较低、平均气温较低、温差较大等明显特点。

瓦托水电站大坝为常态混凝土重力坝，坝体混凝土总方量为27.8万m3。为提高大坝整体防渗效果，施工过程中采取了在大坝上游面涂刷水泥基渗透结晶性防水涂料的方案。水泥基渗透结晶性防水涂料是一种含有活性化合物的粉状防水涂料，主要由渗透结晶型活性剂、二氧化硅、硅酸盐水泥等化学物质组成，其为粉末状材料，是一种新型永久型刚性防水材料，在大面积混凝土和砂浆面的防水应用中具有无可比拟的优越性[1]。由于工程所在地的地理位置特殊，气候条件恶劣，高原高寒干燥的施工环境给该材料的使用带来了很大的困难。为了克服这些困难，施工过程中，通过多次现场试验并采取多种有效措施，最终确保了该材料的有效应用，取得了较好的效果。笔者详细介绍了水泥基渗透结晶性防水涂料在高原高寒地区大坝工程中的应用情况。

2 水泥基渗透结晶性防水涂料的基本原理及其对混凝土大坝的主要作用

(1)基本原理。水泥基渗透结晶型防水涂料的特点是全方位自动结晶渗透，所生成的晶体能深入封堵混凝土和砂浆结构内部的孔隙，改善其内部结构，防水具有永久性，无水时处于休眠状态，一旦有水渗入，能够生成新的晶体进行封堵，具有对新生成的细小裂纹自动修复的功能，没有老化期，防水性与结构同寿命[2]。

(2)水泥基渗透结晶性防水涂料对混凝土大坝的主要作用。

①自动修复表层细小裂纹，堵塞渗漏通道。在水利水电工程中，当下闸蓄水完成后，大坝上游迎水面大部分将浸泡在水库之中，如果坝体表面存在细微裂缝，受大温差、水位涨落及水力侵蚀影响，这些裂缝会不断向内发展，对坝体结构造成持续性破坏，形成渗漏通道，降低大坝混凝土的耐久性。根据水泥基渗透结晶型防水涂料的基本特点，该材料在遇水涌入时会生成晶体，从而自动对混凝土表面的细小裂纹进行修复，及时堵塞渗漏通道，避免坝体受到进一步破坏，起到了良好的防水防裂缝作用。

②改善施工缝及结构缝的薄弱区域，形成整体效应。瓦托水电站大坝坝体为重力式大坝，混凝土坝共分为10个坝段，均采用常态混凝土，浇筑施工过程中采用了翻升模板施工工艺。根据坝体结构特点，共设置了9条纵向结构缝。同时，根据施工组织设计，坝体强约束区按照1.5 m进行分层，其他部位按3 m左右进行分层，每个坝段施工缝均在20条以上。由于坝段间及上下层施工均存在时间差，先浇块与后浇块混凝土收缩存在明显差异，特别是在高原高寒地区，这种差异更加明显。因此，这些分缝部位不可避免地成为坝体渗漏的薄弱区域。通过在坝体上游涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，各分缝均被一层完整涂料包裹。同时，该涂料与上游坝面混凝土发生化学反应形成整体面层，从而起到了消除分缝的作用，有效地解决了分缝薄弱区域的渗漏问题。

③外表面形成防冻封闭层，减轻了寒潮对混凝土结构的直接影响。瓦托水电站工程所在地高程为3 300 m左右，全年整体气温较低，日温差大。根据现场统计数据，单日温差最高可达23℃以上。按照工期安排，混凝土施工需要跨越2个冬季。当遇到寒潮或单日温差过大时，混凝土表面长时间受到反复冻胀破坏，会对混凝土结构造成较大影响。根据混凝土冬季施工措施，大坝混凝土施工完成后主要采用4 cm厚 XPS 板保温，其等效放热系数不大于 100 kJ/(m2·d·℃)。但XPS板在粘贴过程中，相邻板之间存在一定缝隙，这些部位的保温效果往往难以达到预期。同时，受大风天气影响，部分XPS板粘贴完成后会发生脱落，从而影响该部位的保温效果。因此，当混凝土浇筑完成后，及时涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，不仅可以起到防水作用，亦可以起到临时保温作用。虽然其保温效果远不及XPS板，但及时形成的防冻封闭层可以对保温板的不足起到一定的补充，从而减轻寒潮等对混凝土结构的直接影响。

④易于修复，提高坝体混凝土的耐久性。受高原高寒特殊气候的影响，水泥基渗透结晶型防水涂料涂刷在混凝土表面后，即使严格按照使用要求进行操作，往往也比其他正常环境下使用更容易出现脱壳掉皮等现象。水泥基渗透结晶型防水涂料作为一种相对较经济的材料，如果出现这些现象之后，只需对局部进行二次打磨、二次涂刷处理即可，处理难度和成本相对较低。同时，进行二次处理所花的时间较少，及时进行二次处理对混凝土的表面影响相对更小，从而有利于提高坝体混凝土的耐久性能。

⑤表面光洁，能够提升大坝的美观效果。按照设计技术要求，水泥基渗透结晶型防水涂料在涂刷前需要对混凝土表面的外观缺陷(错台、麻面等)进行处理，浅层裂缝的部位用钢丝刷进行重点打毛，经过处理后的混凝土表面整体较为平整。涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料后，从外观面看，可形成一层完整的外壳，没有施工缝印迹，表面均匀光洁，可大幅度提升大坝的美观效果。

3 高原高寒气候环境对防水涂料的影响研究

(1)水泥基渗透结晶性防水涂料效果影响因素分析。瓦托水电站防水涂料的施工时段为2017年3月～2018年7月(其中2017年12月和2018年1月由于气温过低，未进行该项目施工)。全年现场记录的温度范围为-5.4℃～28.9℃，平均相对湿度范围为19.25%～70.86%。其中施工时段内大部分时间温度在20℃以下，平均相对湿度在50%以下。

现场试验研究发现：对防水涂料影响最大的两个因素主要为气温和相对湿度，其中低温环境条件主要会对第1层涂料初步固化时间造成影响，干燥的环境条件主要会对达到设计抗压和黏结强度的时间造成影响。[3]

(2)水泥基渗透结晶性防水涂料性能指标试验研究。为适应高海拔地区特殊气候条件，确保防水涂料的施工质量，施工前对该材料的的各项性能指标进行了现场试验研究。为了更接近于工程所在地的实际情况，试验时现场营造了5组不同的温度和平均湿度环境，其中温度分别取了-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃，平均湿度分别取了20%、25%、30%、40%、45%，试验取值情况与实际施工时段的外界温度和平均湿度范围基本相近。

①平均抗压强度与温度的关系。试验选取了5组试件在不同的温度下进行抗压强度测试，其中环境温度在5℃以下时，试件的平均抗压强度与温度关系十分密切，呈正相关，最小平均抗压强度为13.43 MPa，最高平均抗压强度为22.54 MPa。当环境温度上升到5℃以上时，试件的平均抗压强度与温度仍然呈正相关，但随温度上升其增长的速度明显放缓。

②平均湿基面黏结强度与温度的关系。试验选取了5组试件在不同的温度下进行湿基面黏结强度测试，其中环境温度在5℃以下时，试件的平均抗压强度与温度关系十分密切，呈正相关，最小平均湿基面黏结强度为0.88 MPa，最高平均湿基面黏结强度为1.19 MPa。当环境温度上升到5℃以上时，试件平均湿基面黏结强度与温度仍然呈正相关，但随温度上升其增长的速度明显放缓。

③第1层涂料初步固化的平均时间与温度的关系。试验选取了5组试件在不同的温度下进行第1层涂料初步固化时间测试，其中在试验温度范围内,试件的第1层涂料初步固化平均时间与温度关系十分密切，呈负相关，第1层涂料初步固化的平均时间最短为1.58 h，最长为2.37 h。

④平均抗压强度与相对湿度的关系。试验选取了5组试件在不同的湿度下进行抗压强度测试，其中在试验湿度范围试件的平均抗压强度与平均湿度关系十分密切，呈正相关，最小平均抗压强度为21.45 MPa，最高平均抗压强度为23.53 MPa。

⑤平均湿基面黏结强度与相对湿度的关系。试验选取了5组试件在不同的湿度条件下进行湿基面黏结强度测试，其中环境平均湿度在30%以下时，试件的平均抗压强度与平均湿度的关系十分密切，呈正相关，最小平均湿基面黏结强度为1.23 MPa，最高平均湿基面黏结强度为1.25 MPa。当环境平均湿度上升到30%以上时，试件的平均湿基面黏结强度与平均湿度不再有明显联系，甚至略有降低。

⑥第1层涂料初步固化的平均时间与相对湿度的关系。试验选取了5组试件在不同的湿度条件下进行第1层涂料初步固化时间测试，其中在试验湿度范围内,试件的第1层涂料初步固化平均时间与平均湿度关系十分密切，呈正相关，第1层涂料初步固化的平均时间最短为1.42 h，第1层涂料初步固化的平均时间最长为1.58 h。

综上所述，通过现场试验研究可以发现：在一定的范围内，温度越高，固结越快，其平均抗压强度和平均湿基面黏结强度越高。当气温降到5℃以下时，这两项指标的下降趋势更加明显。而第1层涂料初步固化的平均时间随温度升高会逐渐缩短。

在一定范围内，湿度升高会引起平均抗压强度、平均湿基面黏结强度升高。随着湿度不断提高，其平均抗压强度上升趋势会逐渐变缓。当达到一定湿度时，平均湿基面的黏结强度将不再继续上升。第1层涂料初步固化的平均时间随湿度升高会逐渐变长。

因此，从试验数据看，温度越高对水泥基渗透结晶性防水涂料各项性能指标的提升越有利，特别是在5℃以下时更加明显。平均湿度的高低不同会对水泥基渗透结晶性防水涂料各项性能指标产生截然不同的影响。在高原高寒干燥的特殊环境下，将平均湿度控制在30%以上时，将更有利于提升平均湿基面黏结强度，减少涂刷后掉皮现象的发生。

4 水泥基渗透结晶性防水涂料的主要施工工艺及过程控制关键技术

(1)主要施工工艺。水泥基渗透结晶性防水涂料主要施工工艺分为6步，其工艺流程如下：基层处理→基面湿润→制浆→涂水泥基渗透结晶性防水涂料→检验→养护验收。[4]

(2)施工过程质量控制要点。施工过程中，对防渗涂料影响较大的质量关键控制点主要包括涂料的贮存方式、基层处理、拌制、涂刷、低温时段保温及养护等几个方面。简述如下：

①贮存方式。贮存与运输时，不同类型的产品应分别堆放，不应与其他物资混杂。材料需置于干燥处，密封保存，避免日晒雨淋，防止受潮。[5]贮存温度不低于0℃。由于工程所在地气温较低，材料均采取室内贮存，使用时再挑选温度适宜的时间按计划领用。产品应在规定贮存期内使用完，贮存期自生产之日起开始计算，超过贮存期的防水涂料不得使用。

②基层处理控制要点。由于大坝混凝土上游面采用的是大型钢模板浇筑，整体表面较为光滑，同时上下层模板之间水平施工缝部位容易出现错台等现象。基层处理时，应按照施工方案对每个部位的缺陷进行细致处理，确保基面的摩擦系数并用水润湿。由于工程所在地气候干燥，混凝土表面的水分蒸发速度较快，在实际施工过程中，每次对基面的润湿面积不宜过大，否则应进行二次润湿，以确保涂刷前基面满足要求。

③拌制过程控制要点。为便于现场施工，防水涂料的拌制采取现场随拌随用的方式。由于温度太低，拌制方式采取现场拌制，不能一次性拌制过多并尽量采用温水拌制。另一方面，应严格按照试验报告要求的配合比进行拌制，对现场的容积量测桶应每天进行检查，保证配料用量准确，每次使用完后应清洗干净。

④涂刷过程的控制要点。涂刷过程主要应对涂刷的次数、间歇时间、均匀度等进行重点控制。其中涂刷次数根据该材料的使用说明要求为两遍，但对于局部存在涂刷不均匀、涂层脱落等明显质量缺陷的部位应进行处理后补涂；两次涂刷的间歇时间应结合当日的温度实测情况按试验报告结果中要求的时间进行控制。涂刷时，第一遍采用长毛滚筒刷，第二遍采用专用半硬的尼龙刷，应一边涂刷一边观察其均匀度，并保证其厚度满足设计要求。

⑤低温时段的保温及养护。在低温时段，施工应尽量安排在白天，气温降至5℃以下前完成已涂刷面的保温工作。同时，对养护时间进行适当调整，利用白天温度较高时段进行，夜间不进行养护，以避免结冰。

通过对这些质量控制关键要点进行严格控制，虽然工程所在地存在温度低、昼夜温差大、气候干燥等不利条件，但最终的施工效果经过检查均满足设计及质量标准要求。大坝蓄水后，四方对坝后及坝内廊道进行了联合检查，防渗效果较好，未发现明显的渗水点。

5 结 语

瓦托水电站工程利用大坝施工期同步进行了坝体上游面防水涂料的施工，充分利用了水泥基渗透结晶性防水涂料的特点，实现了提高大坝坝体防渗效果的目的。由于工程所在地高寒高海拔等特殊气候环境，给该材料的有效应用带来了一定难度。但通过室内试验、现场施工过程中不断摸索总结，形成了一套行之有效的施工工艺，取得了良好的施工效果，积累了宝贵的施工经验。已经取得的成果将为后期进一步深化研究提供参考和借鉴。