GMT新材料在泄水建筑物修复中的应用研究

李海宁，晁永莲

(1.青海省引大济湟工程建设管理局，青海 西宁 810001；2.青海禹辰水利水电有限公司，青海 西宁 810001)

1 研究背景

据调查，我国正在运行中的水工建筑物因长期受到水流的冲刷以及水压力的侵蚀作用，导致建筑物存在不同程度的缺陷，甚至有严重的安全隐患[1-4]。严寒地区水工混凝土除面临冲磨破坏和空蚀破坏外，还存在冻胀、冰推、冰拔、冰撞等冻害问题，更加剧水工混凝土的破坏[5]。为改善水工结构的抗冲磨、空蚀以及冻融能力，数十年来，国内外学者一直致力于研究高速水流的侵蚀和破坏以及水利水电设施的维护，所涉及的抗冲磨材料种类诸多[6-7]。其中，有机类抗冲磨材料因抗冲磨性能优异，具有与混凝土粘结性能好、施工方便等优点，此类材料有聚合物树脂砂浆、聚合物改性水泥砂浆、聚合物弹性体和有机耐磨涂层，涉及的聚合物包括环氧树脂、聚氨酯、聚脲弹性体[8-10]。不足之处在于与待修复混凝土基底的线性膨胀系数差别较大，在运行环境变化、高速泄水(如流速超过40m/s)、尤其是严寒地区易发生脱层、起翘、龟裂等劣化问题，相容性及适应性难以满足实际工程要求。

经大量试验数据及工程应用情况表明，除了要求修复材料具有一定的强度、韧性以及抵抗对温湿变化的能力，还应改善其对基层混凝土的粘结性能及与老混凝土基面的适应性等[11-12]。同时，还要根据水利工程混凝土的不同破坏情况，采用合适的修复材料与施工工艺，方能对水工混凝土缺陷做到有效修复[13]，其中固密特(Gumeete简称为GMT)新材料专注于混凝土建筑物的修复，具有防渗、抗冲蚀以及粘结能力强等优势。本文根据严寒地区水工混凝土运行特点、破坏形式、破坏程度、待修复基面情况、老混凝土强度等级、应用场合等不同，介绍了GMT系列3类修复材料的性能特点，并将该修复材料应用于泄水及其他建筑物工程中。

2 严寒地区水工混凝土修复材料选择原则

严寒地区水工混凝土修复材料选择要求主要考虑以下几个方面：

(1)力学性能。修复材料具有不低于混凝土基底的强度、韧性以及与老混凝土有良好的粘结性能。

(2)耐久性。具有良好的耐久性，如抗冲磨、抗渗性、耐腐蚀性等。

(3)相容性。与基底良好的热相容性。

(4)适应性。与基底相匹配的线性膨胀系数、线性收缩率。

(5)韧性、抗冻性能。具有一定的韧性、抗冲击性能、抗冻性能，以抵抗温度、湿度变化的能力，适应严寒地区水工混凝土修复。

(6)和易性、经济性。具有适宜的稠度、适用期、固化时间、经济性，以便于施工、运行及推广。

同时，严寒地区水工混凝土修复材料的选择还要结合实际工程情况，如破坏因素、冲磨部位、冲磨破坏程度、缺陷深度、基面干燥程度等，选择合适的修复材料。

3 GMT系列修复材料介绍

3.1 GMT系列修复材料的性能指标

根据严寒地区水工混凝土实际修补需要，GMT系列修复材料有GMT高性能改性聚合物修补砂浆、GMT新型快速修复抗冲磨砂浆、GMT特种高聚物修复材料3种主材，具体如下：

(1)GMT高性能改性聚合物修补砂浆

GMT高性能改性聚合物修补砂浆(以下简称GMT Ⅰ)由A1、B1两组分组成，其中A1组分为高性能水性复合聚合物、外加剂等，B1组分由水泥(P·O 42.5)、复合掺合料、触变剂、级配石英砂等组成。作为一种水性高分子复合聚合物改性砂浆，与油性聚合物砂浆相比，更为环保，更适用于潮湿基面施工，其主要性能指标见表1。

表1 GMT Ⅰ性能指标

GMT Ⅰ与普通砂浆相比，具有优异的粘结、耐磨、抗渗等性能，绿色环保，施工便捷，可人工抹涂作业也可机械喷涂施工。

(2)GMT新型快速修复抗冲磨砂浆

GMT新型快速修复抗冲磨砂浆(以下简称GMT Ⅱ)由A2、B2、C2三组分组成，其中A2组分是由一种改性环氧树脂、增韧剂及其他助剂组成，B2组分为固化体系，包括改性固化剂、稀释剂、固化促进剂等，C2组分由级配特种砂料、复合活性粉状填料等组成。A2、B2、C2按规定比例搅拌混合固化后形成一种高韧性的快速修复材料，其主要性能指标见表2。

表2 GMT Ⅱ性能指标

GMT Ⅱ具有高冲磨强度、良好的柔韧性、抗冲击性能强，抗冻性能佳，能够适应高寒地区大温差、冻融循环频繁等严苛的环境。

(3)GMT特种高聚物修复材料

GMT特种高聚物修复材料(以下简称GMT Ⅲ)由A3、B3、C3三组分组成，该修复材料是以改性脂肪族聚脲A3代替水泥作为胶结材料，与特种级配砂料B3、改性混合粉料C3制成一种高弹性、高冲磨强度的混凝土修复加固材料，其主要性能指标见表3。

表3 GMT Ⅲ性能指标

GMT Ⅲ 除了具有高韧性，还具有高抗冲磨强度、抗冲击性、抗渗、抗冻、耐老化性能，良好的高低温性能，施工方便，适用于泄水建筑物水流过流面表面冲刷磨蚀及气蚀破坏的表层修复。

3.2 GMT系列修复材料的力学性能

力学性能是修复材料的重要性能之一，其中，抗压强度与抗折强度是表征修复材料基本特征的重要指标。通过比较分析修复材料的力学性能参数，获取适合于不同水工建筑物的修复材料。图1为GMT Ⅰ、GMT Ⅱ和GMT Ⅲ三种不同修复材料的28d抗压强度和28d抗折强度，其中，抗压强度和抗折强度每组数据分别测5个试件并求其平均值。由图1可知，GMT Ⅰ的抗压强度高于GMT Ⅱ和GMT Ⅲ，GMT Ⅱ的抗折强度高于其他2种修复材料，GMT Ⅲ的抗压强度和抗折强度均处于最低。

图1 各修复材料的力学性能

3.3 GMT系列修复材料的粘结性能

根据严寒地区待修复水工混凝土的破坏因素、冲磨部位、冲磨破坏程度、缺陷深度、基面干燥程度、相容性、经济性等情况，需选择GMT系列修复材料一种或多种修复材料进行修复使用。GMT系列修复材料与老混凝土面、不同底材之间的粘结性能见表4。

表4 各修复材料间的粘结性能

由表4可知，GMT Ⅰ、GMT Ⅱ、GMT Ⅲ与老混凝土面粘结测试结果均大于4MPa，破坏层均为老混凝土面；不同修复材料之间粘结测试结果均大于5MPa，从破坏情况来看：粘结强度GMT Ⅱ>GMT Ⅲ>GMT Ⅰ。

GMT Ⅰ、GMT Ⅱ、GMT Ⅲ修复材料均具有优异的强度、抗冲磨性、抗冻性等性能，根据各自优势单独或复合修复严寒地区水工建筑不同情况的缺陷，可以承受严寒地区的高、低温，补偿高低温引起的形变，抵抗严寒地区水工混凝土冻害、冲磨破坏等问题。总结如下：① GMT Ⅰ是一种水性高分子复合聚合物改性砂浆，其抗压强度高于其他2种修复材料，但抗折强度低于GMT Ⅱ，可广泛应用于水流落差不大的水工建筑物表面冻害、冲蚀破坏修复；② GMT Ⅱ的抗压强度略低于GMT Ⅰ，其抗折强度最高，通常将GMT Ⅱ单独使用或GMT Ⅰ作为底层材料与GMT Ⅱ复合使用，修复高速夹砂水流的非外露型泄水建筑物表面，如导流洞、泄洪排沙洞等；③ GMT Ⅲ的力学性能不及GMT Ⅰ、GMT Ⅱ，但对比表1、2、3可知，其抗冲磨强度和压缩形变率最高，通常将GMT Ⅲ单独使用或利用GMT Ⅰ、GMT Ⅱ作为底层材料与GMT Ⅲ复合使用，修复高速夹砂水流的外露型泄水建筑物表面，如溢流坝、泄洪闸井室等。

4 GMT系列修复材料在工程应用情况

GMT系列修复材料均具有良好的综合力学性能、粘结性、抗冲磨强度和耐久性，已应用到多个严寒地区水工混凝土缺陷修复工程，经运行验证，效果良好。

4.1 项目概述

4.1.1工程概况

宝库河三级水电站位于中国青海省大通县境内，以城市供水及发电。枢纽所在位置地形较为陡峭，自然坡42°～46°，呈U形，水电站共安装3台机组，总装机容量1.5万MW。

该水电站的泄水道宽2.0m，长132.3m，坡比为1∶1.05，引水流量为17m3/s，泄水道经过多年运行，间断性承受悬移质与夹杂的高速水流的冲刷及气蚀破坏，以及气候因素导致的冻害破坏，混凝土表层出现大面积剥蚀脱落、露骨露筋等现象，目前所有破坏的部位其深度达到1～5cm不等。上述问题已严重影响泄水道的正常运行能力，在以后高水头、大流速的情况下运行，冲磨范围和深度将进一步加大，当磨损加大加深，危及钢筋等结构受力物时，导致钢筋断裂，泄水道整体结构产生安全概况隐患，进而影响整个枢纽工程正常运行。

4.1.2原因分析

(1)由于泄水槽底板混凝土本身对于高速夹砂水流的抗冲蚀能力不足导致的冲蚀破坏。

(2)由于泄水槽落差大、流速高而产生的气蚀破坏。

(3)由于泄水槽原伸缩缝没有设置柔性止水材料嵌填，导致伸缩缝周边混凝土的冻融破坏。

4.2 现场材料情况

(1)GMT Ⅰ修复材料

水泥采用52.5硅酸盐水泥，石英砂采用10-20目、20-40目、40-70目按照2∶2∶1进行配置，根据生产厂家实验室确定施工配合比为水泥∶砂子∶丙乳∶外加剂∶水=10∶20∶2.3∶1∶0.7。本工程根据实际情况采用搅拌机进行搅拌，要求拌制好的材料在30min内用完为宜。

(2)GMT Ⅲ修复材料

聚脲砂浆A3∶B3∶C3按照1∶1∶5进行配置根据现场使用速度采用电动搅拌钻进行搅拌，首先是将A3、B3组分搅拌均匀，然后边搅拌边加入C3组分直至搅拌均匀无结块即可，要求拌制好的材料在30min内用完为宜。

4.3 泄水槽底板综合修复(GMT Ⅰ+GMT Ⅲ)

4.3.1GMT Ⅰ修复材料底层修复

(1)凿毛处理

使用电镐对需处理缺陷范围内松散破损部位混凝土进行凿毛处理直至密实混凝土基面。

(2)基面除尘处理

对于凿毛过的基面先使用高压水冲洗松动颗粒和粉尘，再使用高速吹风机对基面表面吹洗，保证基面无杂物粉尘及明水，对于存在裸露钢筋采用钢丝刷除锈。

(3)底层基液涂刷

在修复基面处理完成且检验合格后，在混凝土基面上滚涂一层专用改性聚合物净浆以增强GMT Ⅰ修复材料与原混凝土的粘结强度。丙烯酸酯乳液∶水泥=1∶2进行称量配制，采用搅拌钻搅拌均匀无结块。

将拌制好的基液均匀的涂抹在基面上，并要求涂抹面薄而均匀，基液应现拌现用，同时涂刷基液和GMT Ⅰ修复材料交叉进行，基液涂刷后无需等待即可进行聚合物砂浆的涂抹。

(4)GMT Ⅰ的拌制和涂抹

因该产品出厂前已经按照比例配置完成，故只需按照产品说明将A1组分液料与B1组分粉料整组搅拌均匀(约需7～10 min)即可供施工使用。用量少的情况下可按照产品使用说明进行称量，也可人工拌制。应同方向涂抹GMT Ⅰ修复材料，并进行压实以排除多余气体。由于本泄水槽底板坡降较大，对于修补较深部位采用分层施工的方法进行施工，每次涂抹厚度为3cm。

(5)养护

GMT Ⅰ修复材料涂抹完毕后，表面采用喷雾洒水的养护方式，7d后自然干燥即可。

4.3.2GMT Ⅲ修复材料面层修复

(1)基面处理

对修复过的基面局部不平整区域再次打磨，潮湿基面进行干燥处理。

(2)刮涂专用界面剂

根据现场情况及高弹性聚脲修复材料施工速度配置相应用量的专用界面剂，使用刮板将界面剂刮涂在合格的混凝土基面上，要求刮涂尽可能的薄而均匀且混凝土基面无漏刮、漏点现象。

(3)涂抹GMT Ⅲ修复材料

待界面剂表面干后将配好的GMT Ⅲ修复材料搅拌均匀，在基面上摊铺开，使用抹子将GMT Ⅲ修复材料涂抹均匀表面平整无刮痕，刮涂厚度控制在5～7mm。

(4)养护

待GMT Ⅲ修复材料施工完成后，自然养护7d后即可使用，养护期间保证表面不被外力破坏及其它材料表面污染。

4.3.3泄水槽侧墙聚脲封闭涂刷

(1)基面处理

对于需要处理部位首先采用角磨机对混凝土表面打磨至新鲜混凝土基面并用大功率吹风机将表面吹除干净。

(2)刮涂专用界面剂

对于检查合格的基面使用刮板将配置好的界面剂刮涂在混凝土基面上，要求涂刷均匀无漏点。

(3)聚脲封闭涂刷

待界面剂表面干后(约5h后)即可涂刷聚脲封闭涂料要求刮涂均匀表面平整光滑无气泡。

4.3.4泄水槽底板伸缩缝密封胶嵌填

(1)基面处理

对需要换填伸缩缝首先使用切割机切除表面砂浆，然后凿除伸缩缝内嵌填物，保证伸缩缝深度不小于3cm，然后使用大功率吹风机将缝内杂物粉尘吹除干净，伸缩缝两侧用胶带进行粘贴，伸缩缝宽度为3cm。

(2)嵌填聚氨酯建筑密封胶

根据伸缩缝用量配置聚氨酯密封胶，经称量拌制至均匀即可；然后使用灰刀将密封胶嵌填入缝内，要求填压密实，表面光滑；最后拆除胶带即可。

4.3.5现场试验测试

采用GMT Ⅰ+GMT Ⅲ组合修复材料，使修复结构具有良好的抗冲磨性和整体性，为了对修复后的新老混凝土粘结性能进行定量分析以及保证修复后的泄水建筑物的正常运行，进行了现场试验测试，GMT Ⅰ和GMT Ⅲ与老混凝土面的粘结强度、修补厚度分别见表5—6。

表5 GMT Ⅰ与老混凝土面的粘结强度和修补厚度

表6 GMT Ⅲ与老混凝土面的粘结强度和修补厚度

由表5—6可知，GMT Ⅲ与老混凝土面的粘结强度普遍高于GMT Ⅰ与老混凝土面的粘结强度，只有第5个现场测验点的粘结强度较低；GMT Ⅲ的修补厚度均要比GMT Ⅰ的数值小。因此，老混凝土和修复材料之间的粘结力与各自的强度有较大关系，修复材料的强度应高于老混凝土，应根据不同的修复部位采用不同的修复材料，组合使用修复材料以增加修复结构的使用寿命，GMT Ⅰ和GMT Ⅲ修复材料凭借优异的力学性能和耐久性应用于该泄水建筑物中，经运行验证，效果良好。

5 结语

通过对宝库河三级水电站泄水槽底板底层涂抹GMT Ⅰ修复材料、面层涂抹GMT Ⅲ修复材料、侧墙30 cm聚脲封闭涂刷、伸缩缝嵌填聚氨酯建筑密封胶处理，保证了该结构的整体性与耐久性，修复情况满足工程要求。因此，针对严寒地区水利工程面临的水流冲刷、砂石磨蚀、侵蚀破坏等问题，并根据工程结构不同部位情况，选择GMT系列修复材料的其中一种或多种复合使用，可有效修复水工混凝土缺陷。