摘要：我国北方地区混凝土冻融、碳化，对水利工程危害较大。研究，如何防止混凝土冻融、碳化具有重要意义。通过黄土梁水库进行工程护面处理，探讨了丙乳砂浆防止冻融剥蚀的应用技术，日后，可能得到较好效果的验证。
关键词：冻融；碳化；丙乳；净浆
Construction technology for preventing acrylic
-emulsion cement mortar from frost thaw and carbonization
CHEN huan-fa1,FAN yan2,CHEN feng-yan1
(1.south Hebei Province canal waterwary and water conservancy
administration administrative office, Cangzhou 061001;
2.Hebei Province Yanshan County water authority,Hebei Yanshan 031300)
Abstract: in North China,frost thaw and carbonization of concrete are harmful to water conservancy project,researching into that how to prevent concrete from frost thaw and carbonation is very important.In this paper,The application of technique for preventing from denudation of frost-thaw is discussed by surfacting Huang-tu-liang reservoir for protection.in the near future,validation of better effect maybe be achieved.
Key words: frost thaw;carbonization;acrylic emulsion;mud purification
1 工程概况
黄土梁水库位于河北省承德市丰宁县西关营乡牤牛河上，控制流域面积324Km2，总库容2830万ｍ3，水库始建于1976年。主要由大坝、溢洪道、放水兼发电洞、水电站等建筑物组成，经20多年运用，工程老化，溢洪道和放水洞混凝土冻融、碳化、剥蚀，产生龟裂及坑洞，危及了工程安全。于2005年对水库进行了除险加固。在除险加固过程中，其中溢洪道闸室及放水洞衬砌混凝土表面防冻融、防碳化剥蚀处理采用了新型的丙乳砂浆及丙乳水泥素浆护面施工技术[3]。
2 黄土梁水库溢洪道及放水洞混凝土碳化剥蚀状态及处理方案
⑴ 剥蚀状况及成因：
溢洪道堰面及侧墙产生大面积坑洞及剥蚀碎碴，局部有龟裂，个别地点钢筋外露。放水洞内、外衬砌混凝土漏水严重，0.1～1mm宽裂缝有20多处，剥蚀坑洞约占总面积的二分之一左右。2002年5月经省水利厅组织有关专家和水利部大堤安全管理中心进行检测和核查，表明原工程混凝土强度均能达到设计强度的115％以上。认为造成该工程混凝土碳化侵蚀的主要原因是，在北方高寒地区混凝土经常受到不稳定水位渗透及不均匀温差系数侵袭、冻融所致，放水洞内的混凝土碳化剥蚀是由于混凝土衬砌后未进行固结灌浆，和经常受到高水流冲刷，产生负压气蚀、共振、机械磨损有关。
⑵ 加固设计及处理方案
从原混凝土碳化剥蚀成因、部位大小，观测及调查多方分析，确定本次加固设计要对溢洪道闸进行拆除重建，对放水洞重新进行混凝土衬砌和水泥固结灌浆，裂缝区局部进行环氧灌浆，这里不多叙述，由于该工程混凝土表面有防渗透、冻融，防高速水流磨损、碳化、剥蚀的需要，要求新做混凝土和部分旧混凝土表面喷涂一层较高性能固化物做护面。依据设计要求：①护面固化物与新旧混凝土的粘结强度满足6.0MPa；〔3〕②抗压、抗拉、抗拆强度应大于普通水泥砂浆；〔3〕③与新旧混凝土结合固化后在零下50度、零上100度环境下，不应产生变形或龟裂现象。④应具有密实性好、抗渗、耐酸碱、氯离子侵蚀耐久性强的能力。⑤具有光亮美观，常温固化、施工方便及无毒环保的要求。因此施工中经多方考查有关资料，研究确定。选择采用丙乳配制水泥砂浆和丙乳水泥净浆做混凝土护面处理。从而满足了防渗透、抗冻融、抗磨损、抗老化、抗酸碱、氯离子侵蚀之效果，解决了上述防碳化侵蚀处理的设计要求。
3 黄土梁水库溢洪道及放水洞的丙乳浆护面施工过程
丙乳水泥净浆及丙乳水泥砂浆防碳化混凝土护面施工由河北省水工局一处施工。自2005年9月开始，放水洞在部分旧混凝土面采取基面凿毛，做彻底清垢处理，对新做的混凝土工程待拆模后，既可进行丙乳施工，首先在基面上涂一层丙乳水泥净浆做界面处理，再做丙乳砂浆抹面。然后涂2～3层丙乳水泥净浆，溢洪道闸室在新浇筑的混凝土基面上，直接喷涂丙乳水泥净浆4层，至10月30日结束。共做丙乳水泥砂浆抹面2300ｍ2；丙乳水泥净浆涂面3193ｍ2；耗用425＃普通水泥18.78吨；丙乳液5700kg。
4 黄土梁水库溢洪道及放水洞混凝土丙乳浆防碳化护面施工工艺
⑴ 丙乳液特性指标：
丙乳全名为NK－101丙烯酸酯共聚乳液水泥添加剂，由南京理工大学科技
咨询开发公司与江苏省建筑科学研究院共同研制的产品，外观为微蓝色乳白状液。固含量40％，粘度≤15S,PH值为3～5，无结块，无絮凝，钙离子稳定性为5％，安定性较好，该丙乳液加入水泥后，即聚合凝结成一种高分子聚合物的硬化体，具有较高的粘结、抗裂、抗冻、防腐、抗氯离子渗透、耐磨、耐老化性能[1]，丙乳剂与普通水泥、砂子、配制成聚合物砂浆，直接与基层构成防水体系，能适应各种结构，经国家有关检验机构测试与普通水泥砂浆对比值，2天吸水率降低10倍，抗渗提高1.5倍，抗氯离子提高8倍，检验该丙乳砂浆试块比普通砂浆试块抗拉强度提高35％，抗折强度提高50％，极限引申率提高3倍，达700～900×10-6，与老砂浆及钢板的粘结强度能提高4倍以上，能耐2％的硫酸；5％的盐酸、硝酸和海水中氯盐离子侵蚀；弹性模量低，收缩性小，显著能提高抗裂性。厂家经15年紫外线快速老化试验，未见异常[1]。
⑵ 基面处理：
对旧混凝土修补需做基面处理。施工前对基面污垢，碳化层和松脆部分进行彻底清除，可采用人工凿毛或喷砂除表法，遇有贯穿性裂缝需沿缝凿成深3～4cm“U”型槽，再用丙乳水泥混凝土补平。清凿后的基面用清水及高压水将浮尘和碎碴冲洗干净，并使施工面保持湿润状态。对新做现浇混凝土，待拆模后趁湿润状态既可进行丙乳水泥净浆涂层施工。
⑶ 丙乳水泥砂浆及丙乳水泥净浆的施工操作：
在处理过的基面上先用纯丙乳净浆做界面处理，涂刷时应均匀用力，不留空白，避免小气泡产生，一次涂刷面积不宜过大，基本与砂浆抹面同步，在净浆成膜前进行丙乳砂浆抹面操作，否则会出现粘结分层而造成剥落。丙乳砂浆抹面要求一次性施工，人工抹面时要求熟练工操作，尽量避免做反复多次抹压而破坏聚合物的成膜。大面积铺筑采用分段施工。要求较高而抹层较薄工程可结合玻璃纤维网格布一同使用。丙乳砂浆凝固后，可再在表面涂刷1～3层净浆，以形成光滑凝结膜。起到防渗、美观、耐久保护作用。机械喷涂更佳。
5 丙乳水泥砂浆及丙乳水泥净浆材料配制
⑴ 配制材料：
NK-101丙烯酸酯共聚乳液水泥添加剂；水泥：425＃以上普通硅酸盐水泥，不得有受潮和结块现象；砂子：过2.5mm筛，含泥量小于2％，干燥硬质砂，选石英砂更佳；水：PH值为6～7含泥量低的淡水。
⑵ 配比试验：
配制丙乳水泥砂浆及净浆目的是聚结成一种高分子硬化体，以丙乳液为主要固化剂，水泥为聚合剂，砂子为填充材料，水是水泥的硬化原料。应根据工程设计要求固化强度指标，确定选用相应的丙乳、灰、砂、水的比例。为确保工程质量，首先在实验室进行材料配比试验。试验步骤为：①分组取4×4×16cm的丙乳砂浆试件，做抗析、抗压、收缩变形试验；取2×4厘米哑铃试件，做抗拉、极限引申率、抗拉弹性模量的试验，计录其抗折、抗压、抗拉强度、收缩变形、弹性模量及试件编号；②将不同配比后的丙乳水泥净浆用毛刷在水泥砂浆试件及钢板试件的折断面将其对粘并用胶布竖向固定，在常温自然养护35天后测试其抗折、粘结强度；③将不同丙乳水泥净浆及丙乳水泥砂浆试件进行快速冻融循环，碳弧灯快速老化，高浓度CO2碳化及采取硫酸、氯盐水的腐、渗、磨试验[2]。观察固化过程，最终测定满足各项设计要求后，即可现场配制，配制时，各种材料必须按配方称量，计量准确，采取分批配制，分批施工，要求配制好的丙乳水泥净浆及丙乳水泥砂浆，在30～40分种内全部使用完，以利保持聚结前低粘度施工及节约丙乳液。
⑶ 黄土梁水库采用的丙乳水泥砂浆及净浆配比技术参数：
① 丙乳水泥净浆配比参数：
技术要求：粘度强度≥6.0MPa，
材料用量重量比：NK-101丙乳：水泥＝1：1～2
即：NK－101丙乳50kg（份）；水泥100kg～200kg（份）。
② 丙乳水泥砂浆配比参数：
技术要求：粘结强度≥6.0MPa
材料用量重量比：NK－101丙乳：水泥：砂子：水＝0.3：1：1：0.3～0.4
即：NK－101丙乳30kg（份）；水泥100kg（份）；砂子100kg（份）；水30～40kg（份）
6 黄土梁水库溢洪道及放水洞丙乳水泥砂浆护面效果分析
丙乳水泥砂浆护面防碳化是一项较新的施工工艺，实际工程效果的优异性有待工程运行多年后才能验证，为证实黄土梁水库溢洪道及放水洞丙乳砂浆施工质量及效果。施工中进行了丙乳砂浆与普通砂浆对比的多项取样送政府质量监督站检测，检测结果如下表1：
表1 检测结果汇总表
序号 | 性能 | 35天龄期 | 试验情况 | ||
项目 | 单位 | 普通水泥 | 丙乳砂浆 | ||
1 | 抗压强度 | Kg/cm2 | 501 | 445 | 4×4×16厘米试件 |
2 | 抗折强度 | Kg/cm2 | 107 | 168 | |
3 | 收缩变形 | ×10-6 | 1217 | 536 | |
4 | 抗拉强度 | Kg/cm2 | 55 | 76 | 2×4厘米哑铃试件 |
5 | 极限引申率 | ×10-6 | 228 | 558 | |
6 | 抗拉弹性模量 | ×10 | 2.6 | 1.65 | |
7 | 与老砂浆粘结强度 | Kg/cm2 | 14 | 80 | 试件粘结面扫毛去油 |
8 | 与光洁钢板的粘结强度 | Kg/cm2 | 0 | 9.56 | 10×10厘米的钢板试件 |
9 | 渗水高度 | cm | 9.0 | 1.5 | |
10 | 磨耗百分度 | % | 5.38 | 3.97 | 双圆柱模圆盘耐磨机 |
11 | 冲磨失重率 | % | 10.7 | 8.96 | 水砂枪喷磨法 |
12 | 快速碳化深度 | mm | 3.6 | 0.5 | 用CO2浓度20％ |
13 | 盐水侵渍后，氯离子渗透深度 | mm | 720 | 1.0 | 用PSEM－500扫描镜测定 |
14 | 老化2160小时抗拉强度损失 | % | 13 | 14 | WE－2型碳弧灯老化箱 |
15 | 吸水率 | % | 12 | 0.8 | 2天吸水率 |
16 | 抗冻失重 | % | 1.7 | 0 | 300次快速冻融循环 |
通过取样检测指标分析，黄土梁水库溢洪道及放水洞丙乳水泥砂浆防碳化处理施工，满足了设计要求，并取得成功。丙乳水泥砂浆防碳化作为一种新的施工技术，它具有施工简单、料源充足、节约投资、缩短工期的明显效果，具有使用和推广价值。
参考文献：
[1] 南京理工大学科技咨询开发公司，丙乳产品资料。〔2005〕电话：（025）83023323
[2] 水利电力部水文水利管理司主编。水工建筑养护修理工作手册。北京：水利电力出版社〔1979〕
[3] 勒翠红，黄土梁水库除险加固工程设计，河北省水电工程第二勘测研究院〔2003〕
作者简介：陈焕发（1952－），男，河北沧州人，高级工程师，主要从事水利水电工程管理，施工，监理工作多年，目前从事南水北调工程河北段J4监理部项目副总监工作。
基金项目：中央预算与地方自筹资金项目。