纳米无机水性渗透结晶型混凝土耐久性修复防护技术及在水工混凝土中的应用

左丰收 赵 龙 吴怀国

(1.北京市密云水库管理处，北京 101500；2.北京易晟元环保工程有限公司，北京 101500)

1 概 述

水利水电工程混凝土构筑物的病害修复和耐久性防护[1]一直是水工混凝土建筑物修补的难题。水工混凝土建筑物因其所处的环境复杂，如水工混凝土体积大、裂缝控制难、表面质量控制难、混凝土长期干湿交替和冻融循环、较高的水压力渗透溶蚀、容易碳化侵蚀等，致使水工混凝土耐久性修复和防护十分必要。多年来，各种耐久性修复和防护材料的技术研究和应用[2]一直在不断发展中，如聚合物水泥砂浆薄层修复技术、聚合物改性水泥防水涂料技术、环氧树脂砂浆和环氧树脂涂料技术[3]、喷涂聚脲涂层和刮涂聚脲涂层技术、水泥基渗透结晶型涂料技术等，且在水工混凝土建筑物上得到应用[4]。这些修复和防护技术暂时缓解了水工混凝土的病害发展，但由于材料存在与基面黏结力快速下降[5]、老化速率快等根本性不足，导致在工程应用中难以达到预期效果，甚至给工程修复和防护带来了一定程度上的负面作用。

笔者根据多年来从事水工混凝土修复和防护材料的研究经验，认为这些耐久性防护和修复材料的根本性问题在于没有深入研究与基底混凝土界面的耐久性，如修复和防护材料的综合力学性能与混凝土的综合力学性能不匹配(模量、泊松比、老化性能等)，尤其是界面黏结性能对于自然界温度变化引起的疲劳破坏、老化等作用的耐久性难以实现，以上“贴皮式”材料存在应用的局限性。近几年紧跟欧美及日本先进技术的发展，我们研究和开发出了混凝土表面耐久性修复和防护新型技术——纳米无机水性渗透结晶型材料技术，通过材料的机理分析研究、大量的应用性能研究和实际工程应用，认为这种“筋骨式”混凝土修复和防护材料，尤其适用于水工混凝土复杂条件下耐久性修复和防护应用，具有较广阔的应用前景。

2 纳米无机水性渗透结晶型耐久性防护材料技术

“纳米胶”是纳米无机水性渗透结晶型材料的典型品牌，该材料为无色、无味、完全透明、黏度小于15mPa·s的水溶液，溶液中的纳米粒径硅酸盐胶束粒子分散均匀且稳定，粒径范围主要分布在3～50nm之间。由于纳米粒子的特殊活性，溶液很容易在潮湿的混凝土界面迁移、渗透到混凝土表层内部40～70mm深度内，与混凝土微细孔隙、毛细孔、界面孔隙中的钙溶液反应生成C-S-H凝胶体，进而与水化硅酸钙(C-S-H凝胶)结晶体胶结成整体，有效地充填、固结和封闭微细孔隙、毛细孔隙等，极大地提高了混凝土浅表层密实度、微观结构的完整性，在一定程度上较大地降低了新拌混凝土表面由失水导致的收缩开裂、新浇筑混凝土早期强度增长过程中的干缩开裂，从而较大地提高了混凝土表层强度、抗渗性能、抗冻融剥蚀能力、抗酸碱腐蚀性能、抗碳化侵蚀性能、抗菌藻生长能力等混凝土综合耐久性能。

图1为应用了“纳米胶”的混凝土表层40mm处切片微观电镜照片，从图中可以明显看出，典型片状氢氧化钙结晶体比较少，如蓝色圈区域。而局部有很多细针状结晶体密集的小区域并覆盖在片状氢氧化钙结晶体旁边，如图中红色圈区域，这些都是纳米硅酸盐渗透进来与氢氧化钙反应生成的C-S-H凝胶结晶体。

图1 “纳米胶”渗透到混凝土内部反应结晶体的扫描电镜微观照片

图2为“纳米胶”修复混凝土浅表层微细裂隙、毛细孔隙等缺陷的模拟过程图。

图2 “纳米胶”修复混凝土浅表层缺陷的过程示意图

为了有效考察“纳米胶”应用于混凝土表面耐久性防护的实际效果，分别在中国水利水电科学研究院、国家道路与桥梁质量监督检验中心、中国建筑科学研究院等单位，参照相关国家标准、行业标准进行了室内条件下混凝土耐久性应用试验研究和检测，具体结果见表1。

表1 纳米胶应用于C40混凝土后耐久性能提高的结果

3 纳米无机水性渗透结晶型耐久性防护材料应用技术特点

应用混凝土表面“贴皮式”耐久性修复和防护材料，如环氧树脂砂浆和涂料、聚脲涂层等，需要先打磨混凝土基底，露出混凝土内部新鲜界面，采取措施确保混凝土表面尽量干燥，喷涂或刮涂施工时，每个细节质量都需严格把控，否则整体应用效果会出现严重问题。纳米胶对基底处理要求不高，施工工艺相对简便和高效，施工细节和过程把控相对容易，整体质量可靠性高。具体如下：

a.基底处理要求。无须对混凝土表面进行打磨见到新渣，只需去除影响渗透的有机涂层和油渍，一般情况下只需用压力水(0.3～0.8MPa)对混凝土表面冲洗即可。

b.基底干燥状态要求。对混凝土基底表面含水率要求不高，在混凝土基底表面无明水的潮湿状态下即可施工。传统的“贴皮式”修复和防护材料要求在尽量干燥状态下才可以涂刷界面剂。

c.施工工艺简便。基底处理好后，无须涂刷界面剂等复杂繁琐工序，只需喷洒2～3遍，区域喷洒施工只需1人，多区域可以安排多人平行喷洒施工，施工效率高，每人每小时可施工30～100m2。传统的“贴皮式”修复和防护材料需要先涂刷界面剂，等待界面剂表干后才可以正式刮涂或喷涂施工，施工相对比较缓慢，一般每人每天施工100m2左右，工期较长。

d.施工后的养护时间短且简单。纳米胶每遍施工间隔一般在30～60min，施工后保持基本环境要求，只需要关注24h内不受雨水淋刷即可。而传统的“贴皮式”修复和防护材料一般至少需要养护3天以上，且受天气和环境影响较大。

图3为不同工况下现场喷洒施工情况。看出针对不同的工程条件可以选用不同的自动化施工设施。

图3 不同工况下纳米胶喷洒施工

4 在不同工程中的应用情况

a.北京市水厂输水隧洞防渗防护修复工程。北京市水厂输水隧洞，1995年5月建成通水，隧洞为钢筋混凝土圆形压力隧洞，直径为3.5m，洞长3078m，混凝土衬砌强度等级为C20，衬砌厚度约400mm。

2020年隧洞维修改造时，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，裂缝宽度一般在0.5mm以下，大部分裂缝内有白色钙质析出物质，局部有钢筋露头现象，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，表面微细龟裂较多。

考虑到洞内混凝土面潮湿及施工空间限制、修复和防护施工工期紧等方面因素，于2020年11月10—19日采用纳米胶对隧洞混凝土衬砌层进行防渗防护处理。施工完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。测试数据见表2。

表2 使用纳米胶后表面回弹强度现场检测结果

从表2结果可以看出，施用了纳米胶后混凝土表面回弹强度从21.8MPa变为29.9MPa，提高了37%，说明混凝土表面密实度得到提高，可以有效提高混凝土整体防止外水慢渗能力，并提高混凝土整体抗碳化性能。经观察，施用纳米胶后的混凝土表面原有的裂缝已被封堵，微渗水点基本消失，效果十分显著。

b.广西水利枢纽工程耐久性防护修复工程。广西水利枢纽工程自2006年竣工投入使用，至今已有14年，在自身时变因素和服役环境(交变荷载、温度循环、干湿循环、侵蚀性离子等)的双重作用下，坝体混凝土的各项物理性能和耐久性能随着时间的推移而下降，影响到大坝的安全运行。2019年11月现场实地勘查发现上游坝面已存在渗漏和碳化问题，下游坝面布满苔藓和存在碳化问题。

2020年8月1—15日，先处理混凝土表面较大的裂缝(宽度大于0.2mm以上)、缺损、渗漏等病害，然后在混凝土表面整体喷涂纳米胶。施工1个月后抽取芯样，由权威第三方进行抗渗等级测试试验，结果见表3。

表3 广西水利枢纽工程使用纳米胶后抗渗等级变化情况

5 结 语

水工结构混凝土的耐久性是水工建筑安全运行的可靠保障因素之一，而耐久性能下降主要是混凝土表面或浅表层在自然界和运行环境条件下逐步劣化导致的，故水工混凝土表面修复和防护材料及应用技术尤为重要。纳米无机水性渗透结晶型修复和防护材料技术，具有与传统“贴皮式”修复和防护材料不同的作用机理，从微观上有效提高混凝土浅表层密实度，实现宏观上显著提高混凝土的综合耐久性能，同时其应用技术具有简便、高效、科学可靠等优点，且其应用后不会影响后续的修复和防护工作；而“贴皮式”修复和防护材料一旦出现质量问题或本身耐久性问题，需要耗费更多的财力和人力成本进行修复，即工程中的“五倍律”和“十倍律”问题。因此，纳米无机水性渗透结晶型修复和防护材料技术值得大力推广和应用。