水泥基渗透结晶材料在抽水蓄能电站中的应用

张 帆，李 杨，林育强，詹程远，石 妍

（1. 河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司，河南 信阳 464000；2.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010）

1 工程概况

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县，电站由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站组成。总装机容量为120万kW，上水库总库容为1 073万m3，主坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高714.0 m，坝顶长度为249.0 m[1]。下水库大坝为碾压混凝土（RCC）重力坝，总库容为799万m3，最大坝高108.0 m，坝顶长度为231.0 m。

周宁地区属亚热带季风气候，湿热交替频繁，干湿循环明显，大坝混凝土与周围环境间的水分交换作用强烈，结构表面防护与耐久性提升的需求较高。同时，下水库位于周宁县、福安市等地饮用水源的主河道上，涂层材料的安全无毒、环保等性能要求较高；并且大坝整体位于国家地质公园内，对涂层材料的外观质量、色泽稳定性、长期耐候性等更为重视。因此，下水库大坝防渗材料的选择尤其重要。

2 材料性能与技术原理

2.1 材料性能

优选长江科学院生产的CKY-CFJ1型CCCW材料进行施工，材料性能如表1所示。CCCW材料由精细石英砂、硅酸盐水泥和活性物质组成，呈粉状，使用时直接按比例加水拌合，可用刮涂、刷涂或喷涂等方法进行施工，但不同施工方法的料水配比略有差异。考虑RCC混凝土的技术特点与层间结合面性能，本次采用手工刷涂的工艺。

表1 CKY-CFJ1型CCCW材料性能

2.2 技术原理

CCCW材料属刚性无机防水材料，最早由德国化学家劳伦斯·杰逊（Lanritz Jensen）提出[2]，主要以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、精细石英砂（或硅砂）等为基材，掺入活性化学物质（催化剂）及其他辅料组成。目前，比较成熟的CCCW材料品牌包括国外的XYPEX系列、KRYSTOL系列，以及国内的CKY-CFJ1系列、CJ-K118系列等[3-5]。

CCCW材料的修复原理如图1所示，渗透和结晶是CCCW材料的显著特点。CCCW材料通过基材在混凝土表面形成防护外衣，活性物质能够以水为载体向混凝土渗透和迁移，并以结晶沉淀、离子络合等方式对混凝土进行裂缝修复和密实化处理，可提高混凝土抗渗性能175%以上，提高抗压强度10%左右[2]。整体上，渗透深度决定了CCCW材料作用的区域范围，结晶过程决定了CCCW材料的修复能力[6]。

图1 CCCW材料的修复原理

目前，关于CCCW材料活性组分的反应机理尚未形成一致意见。有学者认为CCCW材料遵循渗透结晶理论，活性物质跟随外界水分渗透到混凝土内部，通过自身反应或与胶凝材料水化产物反应来发挥作用[7]；也有学者认为CCCW材料遵循络合—沉淀理论，活性物质中含有钙络合物（Ca=CAT-L）[3]，络合基团能够在低Ca2+浓度区释放Ca2+，导致Ca2+与SiO32-结合，生成CaSiO3晶体析出，又可在高Ca2+浓度区再次捕获Ca2+，从而使化学反应能够持续不断的进行。络合—沉淀理论的反应机理如图2所示。

图2 络合—沉淀理论的反应机理

实际上，渗透结晶理论、络合—沉淀理论都存在一定的缺陷和不足。渗透结晶理论认为CCCW材料修复过程中，活性物质参与水化并被消耗，导致后期的修复能力有所降低，但无法解释CCCW材料能够长期作用、多次修复的原因。而络合—沉淀理论认为CCCW材料修复过程中，钙络合物仅催化未水化水泥颗粒进一步发生反应，但不会发生自身的损失或消耗，因而可在休眠与激活状态间多次转换，并具有持续的修复能力和作用效果，但无法解释CCCW材料对长服役龄期、高水化程度、大掺合料用量混凝土的修复能力。可见，关于CCCW材料的反应机理仍处于不断的研究和探索之中。

3 施工工艺和质量

3.1 施工工艺

CCCW材料的应用区域为下水库大坝上游面，高程范围是EL209.0 m～EL299.0 m，总面积约13 000 m2，材料用量近20 t。CCCW材料现场施工程序如图3所示，主要包括混凝土基面打磨与清洗、表面缺陷修补与处理、基面润湿和饱水、CCCW材料制浆和涂刷、表面养护与保湿，以及完工后的验收和质量评定等阶段，其中工序①和工序②完成后，监理需对混凝土基面的处理质量进行验收，主要的关注点包括表面污物的清理情况、孔洞和裂缝等缺陷处理情况、粘附粉尘的冲洗情况等。

图3 CCCW材料的施工程序

现场施工借助电动吊篮进行，人工使用手持砂轮对混凝土表面进行打磨，并采用电凿清除质量不良的混凝土。各工序的施工工艺和质量控制要点如下。

（1）基面打磨与清洗。主要对混凝土表面的浮浆、泥皮、碳化层、附着物及其它污染物进行清理，并将挂帘、错台打磨平整，同时对钢筋头、管件等用角磨机割除并磨平，结束后用水冲洗干净。

（2）缺陷修补与处理。常见的混凝土缺陷主要包括蜂窝、麻面、孔洞、微细裂缝、骨料架空、局部破损等，其中蜂窝、麻面、孔洞可用半干料找平后直接刷涂浆料；微细裂缝需先沿缝修凿成燕尾槽，然后用浆料润湿并用半干料找平，最后再刷涂浆料。影响程度较大的局部骨料架空、空洞、局部破损等缺陷，需先用电镐凿除松动骨料和砂浆，直至露出新鲜、坚硬基面，然后用浆料润湿并用半干料找平，最后刷涂浆料。

现场采用的半干料是由CCCW材料与水按体积比6∶1拌制，浆料是由CCCW材料和水按体积比5∶2拌制，其中半干料用于混凝土表面的缺陷处理，塑性较强，可用抹刀直接刮平或填塞；浆料用于表面涂层防护，流动性较大，可用毛刷、滚筒、喷涂机施工。裂缝、局部骨料架空、空洞、局部破损等缺陷的表面及周围100 mm范围涂刷浆料。

（3）基面湿润和饱水。接水管直接冲洗基面或采用洒水箱喷淋基面至其充分的湿润、润透后将基面明水用抹布擦拭洁净。如施工过程中发现局部基面过于干燥，必须重新湿润。

（4）CCCW材料制浆。现场就近安排专人称量材料及调和浆液，搅拌后戴胶皮手套检查浆料是否存在未拌开、不均匀等现象。一次拌料不宜过多，要求每次浆料调和均匀后20 min内用完。

（5）CCCW材料涂刷。现场控制CCCW材料的综合用量不低于1.5 kg/m2。人工用硬毛刷均匀地涂刷至混凝土表面。涂刷分两遍进行，横竖各一遍，两遍涂刷相互重叠，确保基面无漏刷。

3.2 养护措施

养护是保障CCCW材料效果的重要环节。CCCW材料中硅酸盐水泥的凝结和硬化需要水，活性物质的渗透与结晶也需要水。因此，CCCW材料涂刷后需及时跟进养护，养护次数、养护方式和养护时长是影响养护效果的重要因素。

结合前期现场工艺试验结果，以及坝址处的环境温度和水分蒸发情况，采用流水养护能够获得较为满意的养护和饱水效果。浆料终凝后3～4 h，或涂层固化达到一定硬度后，采用流水养护，保证涂层处于湿润状态。每天的上午、下午各进行1次养护，每次时长10 min，连续进行3～7 d。高温季节或天气比较干燥的情况下，需适当增加养护频率，并延长养护时间。

水泥基材料的凝结和硬化需要在适宜的温度下进行。冬季施工时，养护宜在温度较高的时段进行，并防范养护结束后涂层材料的结冰风险。实际施工时，当养护结束3～4 h后环境温度降至-10 ℃以下或温度超过48 h持续为负温时，应采取表面保温措施。

3.3 质量效果

目前，CCCW材料在隧洞、港口、地下室、污水池等领域已有较多的应用，但在水利工程中的应用仍然偏少。现行的技术文件、标准规范等虽然对CCCW材料的品质特性做了明确的要求，但对施工工艺、验收方法、质量评定等缺少相关的规定，导致CCCW材料的施工质量检查没有依据。

现场采用陪伴试件进行试验，控制陪伴试件渗透结晶材料的刷涂用量、刷涂方法与实际施工相一致，研究渗透结晶材料对陪伴试件抗渗性能的影响。陪伴试件的抗渗性能从W8提高到W12，说明渗透结晶材料能有效提高混凝土的抗渗性能。

结合已有工程经验和现场工艺试验结果，根据刷涂厚度和材料用量的关系，通过测定硬化后涂层的厚度来间接表征施工质量。CCCW材料刷涂厚度的检测结果如图4所示，不同区域的刷涂厚度基本在1.2～1.4 mm之间，平均值为1.25 mm，换算成材料用量为1.2～1.4 kg/m2，平均值为1.25 kg/m2，说明施工质量满足技术要求。同时，现场利用卡斯通管的试验结果表明，刷涂CCCW材料后混凝土透水量降低了24%～33%，说明CCCW材料提高了混凝土的抗渗水平。

图4 CCCW材料刷涂厚度的检测结果

4 结论

CCCW材料能够实现与混凝土基体的同寿命服役，并且活性物质跟随外界水分的渗透而不断迁移，材料的作用范围不断扩大，修复效果不断增强，特别适合水利工程及其它服役期难以维护的涉水工程。周宁抽水蓄能电站下水库大坝上游面的防渗修复应用情况表明，CCCW材料可有效提高整体的抗渗性能，并且安全环保、无毒副作用，相关技术经验可为其它同类工程应用提供参考。