浅谈纳米胶在密云水库输水工程中的应用

赵 龙 左丰收 陈 闯

(北京市密云水库管理处，北京 101512)

1 工程概况

密云水库位于北京东北部，距密云县城13km，1958年9月动工兴建，1959年汛期拦洪，1960年9月基本建成并投入使用。水库设计水位157.50m，校核水位158.50m，总库容43.75亿m3。密云水库是一座以防洪、供水为主要功能的多年调节、综合利用的大型水库工程，是首都最重要的地表饮用水源地，也是支撑首都经济社会发展的战略水源地。

第九水厂输水隧洞位于密云水库九松山副坝以东约1km处，是北京市第九水厂二期取水工程，1995年5月建成通水，最大日供水量100万m3，设计供水保证率为97%，由进口缓冲段、闸门井、洞身组成，隧洞为钢筋混凝土圆形压力隧洞，直径为3.5m，洞长3078m，采用钢筋混凝土衬砌，衬砌厚0.6m。

2 存在问题分析

2015年，对密云水库进行安全鉴定时，发现洞内混凝土衬砌表面存在较多以环形或半环形为主的裂缝[1]，裂缝宽度一般在0.5mm以下，大部分裂缝内有白色钙质物质析出，表面微细龟裂较多，局部有钢筋露头现象。说明在外水压力下隧洞慢渗较为严重，洞口部位碳化现象较严重。根据中国水利水电科学研究院安全鉴定评价结论，对隧洞洞身混凝土病害和衬砌部位进行防碳化处理。

3 输水隧洞混凝土衬砌表面微细裂缝整体处理技术对比论证

针对输水隧洞及其他各种混凝土衬砌内表面微细裂缝的防渗治理技术[2]较多，现有技术所用材料主要有环氧树脂涂料、聚合物水泥防水涂料、刮涂聚脲等表面“贴皮式”防护涂料(见表1)。

表1 现有不同防渗防护涂料的主要性能指标范围及特点

作为隧洞混凝土衬砌表面的防渗防护材料[3]的关键性指标是：潮湿面黏结强度、潮湿基底面施工的可靠性。从表1可以看出，环氧树脂涂料具有较高的抗拉强度和潮湿黏结强度，拉伸变形也能达到工程需求，但该材料有机溶剂含量高、有毒，在输水隧洞应用对环境和水资源存在较大隐患；刮涂聚脲涂料抗拉强度和拉伸变形数值太高，且不是输水工程所需关键指标，潮湿面黏结强度为关键指标，其室内测试值可达到1MPa以上，但在输水隧洞高湿环境应用中，刮涂前使用的界面剂易发生起皮、脱落现象；聚合物水泥涂料力学性能、潮湿面施工可靠性和经济性都适合输水隧洞的工程应用，但是涂层长期耐水性较差，更不适用于有一定输水压力隧洞混凝土衬砌表面的防护。

上述三种防渗防护材料都存在不同的技术性能不足之处，在实际工程应用中都会出现不同的问题，涂层防护寿命有限，有的不到一年就会出现空鼓等质量问题，有的不到三年就出现脱落等严重质量问题。根据以往工程经验，重新处理的费用[4]至少是“五倍率”以上，给工程造成较大的经济损失。

密云水库枢纽工程局部改造及检查维护工期短、工程量大，同时还必须考虑隧洞混凝土衬砌防渗防护涂层要性能优异，并长期稳定可靠。经调查研究，决定采用水利部2019年度推广的水利先进实用技术“易晟元“纳米胶”——混凝土耐久性防护和修复技术”进行防渗防护修复处理。

4 “纳米胶”混凝土耐久性防护技术[5]

4.1 技术简介

易晟元“纳米胶”技术，是一种纳米无机硅酸盐水溶液，利用纳米胶特有的活性，与混凝土内部微细裂缝、毛细孔、界面孔隙中的钙溶液反应生成C-H-S凝胶结晶，有效封闭混凝土表层结构微细缝隙、微细孔等缺陷，提高混凝土表层结构致密性和强度，从而实现混凝土结构表层整体耐久性的提高。这种技术是国际最先进的混凝土耐久性修复防护新技术，被誉为提高混凝土本体性能的“筋骨式”防护技术。该技术应用时无须对既有混凝土基面进行打磨或干燥处理，采用压力水冲洗混凝土基面油性污物，在潮湿面即可进行施工，施工工艺简便，无须特殊养护，24h后即可通水使用，施工后对水无污染。

4.2 性能特点

该技术不会出现传统“贴皮式”涂层防护技术的质量问题，同时节省对基面整体处理所耗费的人力和财力。

4.2.1 防混凝土表面开裂功能

混凝土浇筑后因早期干缩、荷载等原因致其表面产生裂缝，“纳米胶”可渗透至到混凝土表层40mm以上，与氢氧化钙反应生成CSH凝胶封堵裂缝，且对于新产生的0.2mm以下的裂缝可以在有效时间内起到持续自修复的作用。

4.2.2 防水渗透的功能

混凝土因本身的特性，存在有大量的孔隙和毛细管，同时施工中也很难避免产生大量的孔隙，导致水渗透，而水会将劣化因子代入其内部造成腐蚀的条件。“纳米胶”可对混凝土表层改性，提高其致密性，降低混凝土表层空隙率，从而达到抑制表面透水、吸水的效果。

4.2.3 具有防菌藻的功能

由于混凝土表面相对较粗糙，加上水的流速低和气温高，容易使菌藻大肆繁殖，大量附着于混凝土的表面，造成环境污染。使用“纳米胶”的混凝土表面致密光滑，可以抑制菌藻在混凝土表面附着生长。

4.2.4 提高老混凝土表面强度

在混凝土表面涂刷“纳米胶”后，混凝土的致密性得到提高，表面强度也会相应提高(见表2)。

表2 “纳米胶”技术对于混凝土耐久性提升效果

5 “纳米胶”施工工艺及流程

“纳米胶”可应用于所有混凝土结构，施工简单、操作方便，不受季节、环境的影响，在渗漏或缺陷部位已进行修补的前提下进行“纳米胶”喷涂。为确保“纳米胶”能更快、有效地渗透至隧洞混凝土洞壁内部，首先使用高压水对洞壁进行冲洗，使洞壁干净、无油污、无菌藻，用手触摸表面无明水时即可进行“纳米胶”喷涂。

“纳米胶”的施工工序如下：进行“纳米胶”Ⅱ型B剂喷涂，目的是对混凝土内部进行补钙处理，待B剂表干后再进行A剂喷涂；“纳米胶”Ⅱ型A剂进行第一次喷涂，目的是封堵混凝土内部微细裂缝(为达到良好的渗透效果，A剂分两次喷涂，待A剂第一次喷涂表干后进行第二次喷涂；“纳米胶”Ⅱ型A剂进行第二次喷涂。无须特殊养护，24h后即可通水使用。

“纳米胶”Ⅱ型采用引擎式喷雾器进行喷涂，喷雾器喷头与洞壁的距离以20cm为宜，并对洞壁进行分块喷涂。

6 应用效果

施工14天后，进行表面回弹强度测试，结果表明使用“纳米胶”后强度增加约8MPa；由于洞内无法进行取芯检测，所以根据以往“纳米胶”应用测试数据可知，C30混凝土抗渗等级提高两个等级以上，C50混凝土防菌藻效果提升22倍(见表3)。

表3 密云水库使用“纳米胶”后性能指标变化情况

7 结 语

“纳米胶”广泛应用于水利工程、海堤防浪墙、桥梁、高速公路混凝土路面等工程。该材料应用于密云水库第九水厂输水隧洞中，隧洞洞壁表面原有的微小裂缝修复较好，微渗水封堵效果明显。采用回弹仪对洞壁混凝土强度进行测试对比，喷涂“纳米胶”比不喷涂“纳米胶”洞壁混凝土强度增加8MPa，由此证明，本工程采用“纳米胶”新型防护修复材料，其效果已达到了技术要求。从本工程的实践以及其他工程采用“纳米胶”的成果来看，混凝土耐久性大为提高。