混凝土坝加固新材料及应用.pdf
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1、第 4 2卷 第 1 2期 2 0 1 1年 6月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42 No 1 2 J u ne, 2 01 I 文章 编 号 : 1 0 0 141 7 9 f 2 0 1 1 ) l 20 0 4 00 5 混凝土坝加固新材料及应用 周 启 , 宋 应 玉 , 杨 明 化 , 潘 建 波 ( 1 长江勘测规划设计研 究院, 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ; 2 国家大坝安全工程技术研 究中心 , 湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ; 3 华北水利水电学院, 河 南 郑州 4 5 0 0 1 1 ) 摘 要 : 混凝土结构工程
2、 的老化或功 能缺 陷是病 险水库最为常见 的病 害之一 。论述 了混凝土坝 常见 的缺 陷及相 应修补加 固材料 必须 具备 的性 能。介 绍 了新 近研制 的一 些修补加 固材料及其在 工程 中的应 用情 况, 包括高强 环氧灌浆材料 、 新 老混凝土界面粘结材料 、 钢 筋锚 固材料 、 混凝土抗冲磨修 补材料、 防渗堵漏材料 、 碳化 修补 材 料 。这些材料均具有优异 的性 能, 能满足 混凝 土坝工程修补加 固的要 求, 具有显著 的经 济效益 , 可在 类似工程 中推广 。 关键词 : 大坝 加 固 ;混 凝 土 碳 化 ;粘结 材 料 ;抗 冲 磨 ;混 凝 土坝 中图法分类号
3、 : T V 6 9 8 文献标志码 :A 目前在我国存在大量的病险水库 , 部分水工建筑 物 已进 入或 即将进 入 老 化 病 害 期 , 其 中如碳 化 、 裂 缝 、 露 筋 、 剥 蚀 、 渗漏 等混凝 土结 构工 程 的老化 或功 能缺 陷 是 最为 常见 的病害 之一 。如不 及 时对这 些部 位 的混凝 土进行加固修补 , 势必将大大影 响建筑物的使用寿命 和 安全 。针对 混凝 土 大坝 不 同的 缺 陷 , 其 修补 材 料 也 不相同, 但总体而言必须具备以下一些相关性能: ( 1 )对 H : O和 C O : 具有 抗渗 透性 ; ( 2 )能有效地粘结钢筋和基面 ;
4、 ( 3 )收缩 性要 小 , 应 力不 能过 于集 中 ; ( 4)具 有与基 面 相 匹配 的物 理 性 能 , 尤 其是 弯 曲 强 度和热 膨胀 系数 ; ( 5 )恢 复钢 筋 周 围钝 化 的碱性 环境 ; ( 6 )简单安全的现场配制方法 , 如简单 的比例 、 简 单 的混合 、 足够 的工作 时 间 ; ( 7 )操作性能好 , 如在水平面施工时要有好 的流 动性和凝 固性 , 在 立面 和顶 部施工 时不 易垂 挂 , 在 裂缝 中灌浆 时需 要低 的黏 度 和 高 的渗 透 性 , 在 宽 缝 中灌 注 时要 有触 变性 ; ( 8 )固化速度要适合 , 强度增长要及时
5、, 并能适应 高温与低温环境条件 。 随着科学技术的进步 , 近十几年针对混凝土工程 缺 陷加 固修 补 的新 材 料 、 新 工 艺 、 新 技 术 得 到 迅 猛 发 展 。针 对不 同 的缺 陷 研 发 了许 多 相 应 的 加 固修 补 材 料 , 本 文 主要介 绍 近年来 研发 的环保 型 、 高效 低成本 混 凝土 坝加 固新材 料及 其应 用情 况 。 1 高强环 氧灌 浆材料 高 强环 氧灌 浆材 料 多 用 于混 凝 土 裂 缝 、 软 基 和 岩 基的固结补强和防渗堵漏。目前传统的环氧灌浆材料 主要 是 以丙酮 、 糠醛 为稀 释剂 , 这类 材料 具有 较好 的抗 压
6、、 抗 拉 强度 , 但环 保性不 佳 。主要 存在 如下 问题 : ( 1 )用糠醛 一丙酮作混合稀释剂的环氧树脂灌浆 材 料 , 挥发性 大 。糠 醛毒 性 大 , 而长 期 接 触 丙 酮 , 会 对 皮 肤产 生刺 激 作 用 , 长 期 吸 人 丙 酮 蒸 汽 , 对 人 的 呼 吸 道 、 食 道等器 官会 产生 一定 的麻 醉作用 。 收 稿 日期 : 2 0 1 10 5一l 6 基金项 目: 国家“ 十一五” 科技 支撑计划“ 水库 大坝病险 与溃坝规律研 究” ( 2 0 0 6 B A C 1 4 B 0 1 ) ; 国家大坝安 全工程技 术研 究 中心 资助项 目( 2
7、 0 0 9 F U 1 1 5 x 1 7 ) 作者简介 : 周 启 , 男, 高级工程师 , 主要从 事病 险水库及 大坝 的安 全评价监测和 治理 咨询 、 加 固设计 工作 。Ema i l : 5 3 4 5 3 9 0 8 3 q q c o rn 第 1 2期 周 启 , 等 : 混凝土 坝加固新材料及 应用 4 1 ( 2 )以环 氧 活 性 稀 释 剂 为 主 的环 氧 树 脂 灌 浆 材 料 , 初始 黏度 大 , 可灌 时 间相 对较 短 , 可 灌性 受 到 限制 , 且价 格较 贵 。 针对 以上 缺 点 , 国 内外 研 制 出 了大 量 改 性 环 氧 灌 浆材
8、料 , 其 主 要技 术性 能 见 表 1 。 表 1 国 内 外 常 用改 性 环 氧 灌 浆 材 料 的 主 要 技 术 性 能 材 料 起 始黏 度 抗 压 强度 抗 拉强 度 抗 剪 强度 抗折 强 度 粘 结强 度 材料 名 称 ( m p a s ) M P a M P a M P a M P a M P a 特点 由长江勘 测 规划 设计 研 究 院和 昌辉 公 司联 合研 制 的 C J YH G1 是 一种 环 保 型 高 强环 氧灌 浆 材料 , 摒 弃 了传 统 的糠醛 、 丙 酮稀 释 剂 , 具有 黏 度小 、 强 度 高 、 无 毒 等优 点 。产 品 以低黏 度
9、环氧 树脂 和 低分 子量 的环 氧活 性稀 释剂 作 为 A组 份 , 采用 低 黏度 、 无 毒 的 固化剂 为 B 组份 , 是 双组 份 高强 环 保 环 氧 灌 浆 材 料 , 其 在抗 压 、 抗 拉 、 粘结 强度 等力 学 性 能方 面有 着 较 好 的 优 势 。在 初 始 黏度 方面 比同类 的美 国 L P L、 德 国 s i k a产 品要 低 得 多 , 总体 性 能 处 于 领 先 水 平 。该 产 品 已 获 国家 专 利 。 能广 泛 应用 于 干燥 、 潮 湿 的建 筑 物 基 岩 和 混 凝 土 裂 缝 ( 特 别是 微 细裂 缝 ) 、 钢板 衬 砌 回
10、填 及 大 坝 基础 防渗 帷 幕 补强 灌浆 。已在 湖北 省荆 江 分洪 南 闸混 凝 土裂缝 处 理 、 廖坊水电站裂缝处理等 1 O余项工程 中得到成功应 用 。其主要 技 术性 能指 标 见表 2 。 表 2 C J YHG1环 保 型 高 强 环 氧 灌 浆 材 料 的 性 能 司灌 性 能 力 学 性 能 竺 苎 : ! 璺 兰 4 5 46 8 5 l 5 6 0 4 2 其施 工工 艺流 程 为 : 清 理 工 作 面 一 灌 浆 孔 布 置 一 凿槽一 钻 孔一 灌前 压水 试 验一 冲洗 孔 、 槽一 风 干孔 、 槽 一 埋 灌浆 管 、 嵌 缝一 压水 试 漏 一 化
11、 学 灌 浆 一 缝 面修 饰 一 灌后 检查 。 2 新 老混凝土 界面粘结材料 目前 , 用 于新 老 混凝 土 界 面 的粘 结 材 料 主要 分 无 机和 有机 材料 两 类 。无 机 类 有 水 泥 或 水 泥 砂 浆 , 其 主 要缺 点是 粘结 性 差 , 达 不 到 消 除 薄 弱 界 面 的 目的 。有 机类 虽粘 结强 度 相对 较 高 , 但 与混 凝 土 的线 膨 胀 系数 相差 太 大 , 易 变形 剥离 , 且 耐久 性差 、 价格 高 、 需 干 面施 工 、 环保 性差 。 在 对新 老混 凝 土界 面粘结 或对 老 化病 害 混凝 土进 行 修补 时 , 要求
12、 界 面粘 结 材 料 或 修 补 材 料 的 力 学性 能 应 优于 本体 混凝 土 , 其 物 理 力 学 性 能 尽 可 能 与 混凝 土 接 近 , 只有 这样 才 能既 消除 薄弱 界 面形 成整体 , 又使两 种材 料 长期 共存 。 C J YJ 1 混 凝 土界 面无 机粘 结 胶 正是 在 此 基础 上 经 长期 试验 研究 和 实 际 工程 应 用研 制 出来 的 , 解 决 新 老混 凝 土界 面粘 结 问题 的新 材料 。它具 有早 强 、 高强 、 高粘 结 性 的特点 , 其 粘 结 抗 拉 强 度 可 以 达 到 或超 过 混 凝土本体的抗拉强度 ; 具有高抗渗性
13、 , 其抗渗能力高于 普通 混凝 土 , 应 用 于新 老 混 凝 土 界 面 可 以 消 除薄 弱 渗 透 面 。可喷 涂施 工 , 克 服 了有 机 材 料 无 法 喷涂 施 工 的 缺点 。C J Y J l混凝 土界 面无 机 粘 结胶 弥 补 了现有 混 凝 土界 面有 机类 和 无 机类 粘 结 材 料 的缺 陷 , 是 一 种 施 工方 便 、 无毒 、 无 味 、 不 燃 的环 保 粘 结 材 料 。 目前 已在 广西磨盘等水库 的除险加 固工程 中得到成功应用。其 主要 技 术性 能指 标见 表 3 。 表 3 C J YJ l混凝土界面无机粘结胶性 能 其 施工 工艺 流
14、程 如 下 : 将 混 凝 土 表 面 打 毛并 冲洗 干净 , 使 刷胶 前 成饱 和 面干状 态 。按 C J YJ 1 胶 : 4 2 5 普硅 水 泥 : 水 =1 :3 6: ( 0 6 0 8 ) 比例 配 制 粘 结 料 。将 配制 好 的界 面粘 结 胶 均 匀 涂 刷 ( 或 喷 涂 ) 在 混 凝 土表 面 , 涂 刷 厚 度 控 制 在 2 mm左 右 。在 界 面 粘 结 胶初 凝 前浇 筑新 混 凝土 , 最 好 边 刷胶 ( 或 喷涂 ) 边浇 混 凝 土 , 然后 与混 凝 土一起 养 护 。 3 钢 筋锚 固 ( 植 筋) 材 料 在 水 利 、 城 市 建 筑
15、 、 工业 厂房 、 桥梁 等 建 筑 物结 构 的修建 、 改造 、 加 固中, 存在大量的各种类型钢筋 、 螺栓 及 金属 型材 与混 凝 土 、 岩石 、 砖 墙 等基 体 结 构 的锚 固。 目前常 用 的锚 固材 料 为 有 机 和无 机两 大 类 , 有机 材 料 通 常采 用环 氧树 脂 胶 、 聚酯 树 脂 胶 和 乙烯 基脂 树 脂 胶 3种 , 作业 环 境要 求高 、 工 艺 复杂 、 成 本 高 、 环 保 性差 等 缺陷 , 使其在工程 中的大量应 用受 到限制。常规无机 材 料具 有 与混凝 土一致 的 变形性 能 , 耐久 性较 好 、 价格 低 、 无 毒 ,
16、但 其 拉拔 强度 低 , 需要 较大 的埋 植深 度 , 加大 了施工 难度 , 提 高 了工程 造 价 。 C J YJ 2无 机 界 面胶 是 一 种 新 型 无 机 钢 筋 锚 固 ( 植 筋 ) 材 料 , 其 同时 具 备 无 机 材 料 和 有 机 材 料 的 优 点 , 该 产 品不仅 具有 极 高 的强 度 , 尤 其 是 抗 拉 强 度 、 抗 折 强度 和抗 剪 强度 , 而 且 其 耐 久 性 和抗 疲 劳破 坏 能 力 非常强 。施工工艺简单快捷 、 价格低 、 无毒 、 其生产和 4 2 人 民 长 江 使用对 环境 基本无 污染 ; 钢 筋 植 入 深度 与有 机
17、 材 料 基 本相 当 , 凝 结时 间可根 据施 工要 求调 节 。 C J YJ 2钢筋 锚 固 ( 植 筋 ) 胶 分普 通 型 C J Y J 2 1 和快凝 型 C J Y J 2 2两 种 , 快 凝 型 无 机 钢 筋 锚 固 ( 植 筋 ) 胶凝结 时 间 可 控 制 在 2 08 0 mi n , 普 通 型 无 机 钢 筋 固( 植筋 ) 胶凝 结时 间在 8 0 m i n以上 , 并 可根 据工 程 实 际情 况 调节 。快凝 型 、 普 通 型 无机 钢 筋 锚 固 ( 植 筋 ) 胶龄期分别为 2 4 h 、 2 8 d 。性能试验结果见表 4 、 5 。 表 4强
18、 度 再 现 试 验 结 果 表 5 锚 固钢 筋拉 拔试 验 结 果 名称 钢筋直径钻孔直径锚固深度 极限拉力 破坏状态 m m hi m m m K 注 : 采 用 级 钢 筋 ( 牌 号 为 HRB 3 3 5), 混 凝 土 强 度 等 级 为 C 3 0。 C J Y J 2钢筋锚固( 植筋) 胶可广泛用于各种类型 钢筋 、 螺栓 及金 属 型材 与 混 凝 土 、 岩 石 、 砖 墙 等基 体 结 构的锚固。目前 已在湖北青 山水库 、 新沟闸 、 安徽卢村 水库、 广西磨盘水库等工程 的面板 、 溢洪道、 闸墩等加 固项 目中得 到成 功应用 。 主要施 工 工 序 为 : 钻
19、孔 一 清 孔 一 除 尘 一 浸 泡 ( 配置 ) 胶 一 注胶 人孔 一 植 筋 一养 护 。 4 混凝土抗冲耐磨修补材料 过去几 十年 我 国在抗磨 蚀 和磨蚀 修 补材料 方 面的 研 究取 得 了长 足进 步 , 已成 功 地 开 发 应用 了高 强 水 泥 混 凝 土和砂 浆 , 铸 石板 、 环氧 树脂 砂浆 、 环 氧铸石 砂浆 、 不 饱 和树 脂 混 凝 土 和砂 浆 、 钢 纤 维 混 凝 土 、 浸 渍 混 凝 土 、 金属 陶瓷 、 几种 特 种 型号 的不 锈 钢 等 , 缓解 了 大部 分水 电工 程抗磨 蚀材 料选 择 问题 和磨蚀 修补 问题 。现 将几种主要
20、抗冲耐磨修补材料及应用介绍如下 。 ( 1 )高 强度抗 冲 耐磨 混凝 土 。主要用 于 冲蚀磨损 深 度大 于 5 13 m、 磨 损 面 积 较 大 的 混 凝 土 过 流 面 的修 补 。混凝 土标 号可 达 C 5 0以上 , 高 强度 抗 冲 耐磨 混 凝 土采用 5 2 5号 大坝 水泥 、 河 砂 、 0 5 2 C Irr i 的骨 料 、 水 、 外 加剂拌 和而 成 , 有 较好 的抗 冲磨 能力 。 ( 2 )水 泥铸石 砂浆 。主要 用 于磨 损 深度 25 e m、 磨损 面积 较大 的过 流底 板面 或磨损 深 度 大于 5 c m 的局部坑槽修补。水 泥铸石砂浆
21、采用 5 2 5号大坝水 泥、 辉绿岩铸 石砂、 水 、 外加剂拌制 , 属于硬性水泥砂 浆 。在 闸室抽 干后 修补 大 面积底 板磨损 面时 , 其 水泥 、 砂 、 铸石 的配合 比为 1 : 1 : 2 , 并 掺 入 适 量 缓 凝 减 水 剂 。 在沉柜内作底板修补或低洼磨损面修补时, 为了加快 砂浆初凝 , 防止渗水影响, 铸石砂浆 中可加人 2 重量 比的 S H 外掺剂 。 ( 3 )环 氧砂 浆 。主 要 用 于 流 速 较 大 的过 流 面 修 补。环氧砂浆是 由环氧树脂 、 稀释剂 、 增韧剂、 固化剂 、 偶联剂以及石英砂、 铸石砂 、 金刚砂或河砂等惰性填料 配制
22、而成 。环 氧砂 浆 与混凝 土 面有很 高的 粘结强 度 和 优 良的抗 冲耐磨性能。例如 : 泄水闸 、 冲沙闸闸室的侧 墙和底板 , 闸门槽及底槛 , 机组蜗壳 以及尾水管过流面 上 的局部 冲坑 、 沟槽 或 分缝 磨 损 均 可 采 用 环氧 砂 浆 修 补 。 ( 4 )水 下环氧 混凝 土 。水 下环 氧混 凝土 由 H K 9 6 3 水下环氧树脂 , 配 以干净河沙、 碎石制成。基本配方为 ( 重 量 比 ) : HK 9 6 3 A 4 0 0 k g 、 H K 9 6 3 B 1 0 0 k g 、 中 粗 沙 4 5 0 k g 、 碎 石 4 5 0 k g 、 增
23、韧 剂 2 5 k g , 水 下 环氧 混 凝 土设 计抗 压强度 大 于 4 0 MP a 。 ( 5 )P B M聚合物混凝土 。P B M聚合物混凝土由 P B M A、 P B MB聚 酯树 脂 、 促 进 剂 和 引 发 剂 与 骨料 拌和制成。基本配方为( 重量 比) : P B M( A+B) 1 7 、 中粗 沙 4 0 、 碎 石 3 3 、 促 进 剂 0 2 5 、 引 发 剂 0 2 5 。P B M 聚合 物 混 凝 土 抗 压 强 度 大 于 4 0 MP a 。 葛洲坝枢纽过流面检修工程 已多次使用 P B M聚合物 混凝土( 砂浆 ) ,P B M聚合物混凝土
24、具有在常温下或 水中快速固化 、 自流平 , 固化后抗压抗折强度高、 粘结 力强 、 抗 冲 耐磨性 能 好等优 点 , 特别适 用 于水下 或潮 湿 状态下的混凝土面修补 。 ( 6 )环氧橡皮粉胶泥。环氧橡皮粉胶泥由环氧树 脂 、 稀 释 剂 、 固化剂 、 偶 联 剂 、 增 塑 剂 、 弹 性 和 惰性 填 料 拌 制而成 , 是 一种 弹性 好 、 强 度 也 比较 高 的柔 性 材 料 , 主要 用于 混凝 土的 伸缩缝 修补 。 ( 7)聚 脲 高 抗 冲 耐 磨 防 护 材 料 。2 0世 纪 9 0年 代 , 美 国率先 开发 出喷涂 聚脲 弹性体 技术 , 这 种新型材 料
25、所具有的优异的抗磨蚀性能 、 耐老化性能、 抗腐蚀及 独 特 的施 工性 能 为人们所 关 注 , 该 技术 已经 在 电力 、 水 利等 方 面得到 了广 泛应用 。 目前在 我 国水工 过流 面的 抗 冲耐磨 部位 已得 到应用 。 由长 江勘测 规划设 计 研究 院与 长江科 学 院联合 研 制的 C J YH K混凝土抗 冲耐磨修补材料系一种在优 选 的 胺 类 一环 氧 树 脂 固 化 体 系 环 氧 抗 冲磨 材料 配 方 中 , 加入 增韧 剂 G X Y后 , 制备 出 的具 有 “ 海 岛结 构 ” 的 环 氧树脂 抗 冲磨材 料 , 适 用 于 水工 建 筑 物 过 流 面
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