适用于碾压混凝土坝层间缝处理的新材料

匡楚丰，韩行进，樊 勇，王 杰，李永丰

(1.湖南五凌电力科技有限公司，湖南 长沙 410004；2.湖南中南水电水利工程建设有限公司，湖南 长沙 410014)

层间缝渗漏是碾压混凝土坝普遍存在的常见病害之一，长期的渗漏水影响将导致水工建筑物内部产生不稳定的渗透压力，侵蚀建筑物，降低混凝土强度，若不及时处理层间缝缺陷，最终将危及大坝安全稳定运行[1-4]。目前，我国处理此类问题的常用方法是灌浆，灌浆材料有普通、化学及普通+化学等材料，具体材料由工程作业特点及材料性能决定[5-8]。文章针对含动静水的碾压混凝土坝层间缝结构缺陷处理，结合水泥、水玻璃、环氧、单组分聚氨酯材料的优点，提出了灌浆初期快凝型的水泥+水玻璃、中期防渗型的水泥+单组分聚氨酯+水玻璃、后期渗固型的水泥+环氧+水玻璃三种混合灌浆材料，通过室内试验确定三种材料的性能最优配比，并在现场试验灌浆验证成功，可供类似工程借鉴参考。

1 裂缝状况及原因分析

1.1 现场检查

某水电站主坝自蓄水发电运行以来，通过监测发现碾压混凝土溢流坝与重力坝坝体部位层间缝存在不同程度潜渗湿润现象。拟对主坝4#坝段邻近4#结构缝侧坝后渗水较严重的层面缝进行现场试验，即对主坝4#坝段邻近4#结构缝右侧5～8m、高层220～233m的渗水层面缝进行处理技术研究与试验应用。试验坝段取样与压水试验检测结果表明，坝体碾压混凝土层间整合性状较差，局部碾压欠密实，存在蜂窝缺陷。

1.2 原因分析

(1)混凝土碱骨料[1-6]

混凝土碱骨料线物理力学参数(如弹性模量和线膨胀系数)较大，易在骨料与水泥、外加剂、掺合料或拌合水等材料混合时发生碱骨料反应。反应导致拌合料吸水膨胀，使碾压混凝土产生不均匀内应力，使混凝土强度降低，同时产生不同类型的层间裂缝或蜂窝缺陷。

(2)混凝土内外温差[1-6]

碾压混凝土入仓到硬化期间，温度未得到有效控制，通水通温不及时，容易导致碾压混凝土坝坝体表层材料温降梯度较大，致使由温差引起的应力作用效果高于其他荷载作用的应力效果，当温度应力超过混凝土的应力极限时，将会出现表层裂缝。当内外温差不断增大时，将发展成深层裂缝。

(3)间歇期过长[1-6]

汛期前后碾压混凝土停筑时间较长，新老混凝土坝面黏接性较差，当新混凝土收缩时，会产生拉应力，同时老混凝土存在温度应力。碾压混凝土坝施工间歇期过长是新混凝土收缩应力和老混凝土温度应力产生的关键原因，也将导致混凝土的裂缝生成。

(4)养护及保温[1-6]

混凝土强度等性能正常发挥和干缩裂缝不发生的关键措施是及时有效的充分养护，混凝土浇筑完一层后，应洒水养护以保持混凝土表面温湿度。大量工程实践证明，当不同部位的混凝土温差达25～26℃时，混凝土内部将产生10MPa左右的拉应力，远大于一般混凝土的抗拉强度，此时就会产生裂缝，尤其是在混凝土施工中后期，这种现象更为明显。

2 灌浆材料研究

2.1 灌浆原材料

(1)水泥

现场试验灌浆用水泥，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水泥颗粒细度通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%，现场试验灌浆水泥参数见表1。

表1 现场试验灌浆水泥检验报告

(2)水

现场试验灌浆用水采用水库蓄水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的规定。

(3)化学材料

现场试验灌浆是采用长沙普照生化科技有限公司生产的PZ-1086E3型高渗透水下环氧浆材，黏度为≤10mPa·s。为加强防水效果，现场试验采用单组分聚氨酯化学材料，由重庆市九龙坡区谭氏防水建材厂提供的专用建筑防水材料。

(4)外加剂

现场试验外加剂根据浆液性能要求选用。现场试验灌浆速凝剂采用水玻璃材料，模数为3.0、波美度为38°Be′；早强剂采用工业氯化钠材料。

2.2 灌浆材料配比确定

水泥-环氧-水玻璃混合浆液是纯水泥浆液与环氧浆液混合后添加一定量的水玻璃，形成的一种混合浆液。水泥-环氧-水玻璃混合浆液在对碾压混凝土层面细微裂隙或细小孔隙充填与渗润灌注施工时，可将环氧浆液泌出，产生有效的渗透浸润固结灌注，从而达到充填与渗透浸润复合灌浆目标[9-11]；水泥-单组分聚氨酯-水玻璃混合浆液是一种单组分聚氨酯与水泥浆液均匀混合后并添加一定量水玻璃形成的一种混合型防渗型浆液，可对碾压混凝土层面较细小裂隙或空隙充填与渗透灌注，可有效提高层间缝防渗性能和抗温变效应性能[12-13]；水泥-水玻璃混合浆液研究是在水泥稳定浆液中依据水泥浆液中的含水量添加一定量的水玻璃浆液，形成一种快凝混合型浆液，该混合浆液在进行含动静水的碾压混凝土密实层面蜂窝空洞充填封堵灌注时，可快速凝结堵洞，并形成具有一定物理性能的固结体[14-15]。

室内试验主要对三种浆液的各项性能进行试验，主要包括水泥-环氧混合浆液配比与性能试验；水泥-单组分聚氨酯混合浆液性能优化试验；水泥、水泥+单组分聚氨酯和水泥+环氧与水玻璃混合浆液的性能检测试验。

(1)水泥-环氧混合浆液配比与性能试验

该试验主要依据环氧泌出性能与泌出环氧固结性能进行配比优化试验，材料配比优化试验按照正交法进行，材料组合配比及性能试验成果见表2。水泥-环氧混合浆液泌出率与试验压力成正比，有效环氧泌出率与水灰比成正比。

表2 水泥-环氧配比优化试验表

(2)水泥-单组分聚氨酯混合浆液性能试验

该试验主要对浆液配比、浆液黏度、固结体性能进行优选测定，试验初步成果见表3。混合浆液黏度与单组分聚氨酯掺量成正比，浆液可灌性较好，7d固结体呈微弹性且抗压强度满足碾压混凝土层间缝处理的防渗加固技术要求。

表3 水泥-单组分聚氨酯性能优化试验成果表

(3)水玻璃混合浆液的性能检测试验

水泥、水泥+单组分聚氨酯和水泥+环氧与水玻璃混合浆液的性能检测试验主要研究在早强剂(氯化钠)掺入量一定时，水玻璃掺入量对混合浆液初凝时间的影响。纯水泥浆液、水泥-环氧混合浆液、水泥-单组分聚氨酯混合浆液的初凝时间与水玻璃掺入量成反比。水玻璃掺量在5%以下时可采用单液灌注，大于5%时宜采用双液灌注。早强快凝型浆液配比优化试验结果见表4。

表4 早强快凝型浆液配比优化试验表

3 现场试验研究

3.1 层面缝试验灌浆

依据前期钻孔芯样资料、灌前压水检测、涌水测试、连通性试验及现场试验钻孔逐步揭露的碾压混凝土层面缝结构性状，表明主坝碾压混凝土层面缺陷区均有较复杂的渗漏通道，可灌性较好，且有不同程度的承压涌水。现场灌浆试验工艺参数与控制标准见表5。

表5 工艺与控制标准参数表

3.2 结构缝试验灌浆

为达到对试验灌浆区的整体处理效果，对试验区左侧4#结构缝采用水泥+橡胶粉+环氧+水玻璃组成的复合弹性快凝浆液进行了封闭处理灌浆试验。结构缝封堵灌浆按照自下而上依次钻孔穿缝进行灌注。4#结构缝封闭处理共布置了7个灌浆孔。开灌直接采用水泥+橡胶粉+环氧+水玻璃组成的复合弹性速凝浆液进行快速封闭，复合浆液配比为水∶水泥∶橡胶粉∶环氧∶水玻璃=0.5∶1∶(0.2～0.5)∶0.1∶(0.01～0.15)，灌浆脉冲压力为1.0MPa，屏压灌注10min，即结束结构缝单孔封堵灌浆。

3.3 效果检查

(1)钻孔取芯

现场试验灌浆结束28d后进行钻孔取样检查，J1检查孔钻孔取芯获取率为99.04%、RQD值为90.77%，芯样具体成果见表6。结果表明：检查孔芯样层面、裂隙、块间孔隙可见明显水泥结石和化学材料浸润，取出的芯样较完整，密实性与完整性较灌浆前显著提高，且4#坝段表面湿润现象有明显改善。

表6 检查孔钻孔取芯统计分析表

(2)压水试验

现场试验区灌浆前，各孔段均进行了简易压水试验，据灌前压水成果资料，试验灌浆孔段压水试验透水率为0～54Lu，且多集中在第2、4、5段。试验灌浆后压水试验检查成果表明，检查孔全孔段透水率均小于0.5Lu。具体结果见表7。

表7 J1检查孔压水及渗水测试成果统计汇总表

4 结论

(1)优选确定了水泥+水玻璃快凝型(水∶水泥∶水玻璃比为 0.8∶1∶5%)、水泥+单组分聚氨酯+水玻璃防渗型(水∶水泥∶聚氨酯∶水玻璃比为 0.8∶1∶0.2∶3%)、水泥+环氧+水玻璃渗固型(水∶水泥∶环氧∶水玻璃比为 0.8∶1∶0.2∶2%)三种组合混合浆液为最优配比。三种混合浆液室内性能试验均满足碾压混凝土坝层间缝防渗加固的技术性能要求，且可灌性好。

(2)三种组合混合浆液在灌浆试验初、中、后期进行依次变换，可有效提高碾压混凝土层间缝试验灌浆处理效果。钻孔和压水试验结果表明：检查孔钻孔取芯获取率为99.04%、RQD值为90.77%，检查孔全孔段透水率均小于0.5Lu。检查孔芯样可见明显水泥结石和化学材料浸润，芯样完整性、坝体强度及抗渗性能较灌浆前显著提高，且表面湿润现象有明显改善。