水利工程坝后保温板抗裂防冻害技术应用研究

高 鹏

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐830022)

0 引言

严寒地区气温年变幅大，极端温差可达90 ℃，且寒潮频繁，水工混凝土面临溶蚀、冻融剥蚀、冰拔、冰推和冰撞等冻害问题。这些冻害问题导致混凝土表面出现裂缝、剥蚀、脱落、坑窝、麻面、露石露筋和钢筋腐蚀等一系列病害问题，严重威胁水工结构的整体性和耐久性[1]。国内外多个工程实践证明，保温法是防止严寒地区水工混凝土产生冻害的有效措施之一，即在水工混凝土表面设置保温材料，其目的是冬季阻隔大气负温对其基面的侵袭，提高地温，从而减小冻深和消除混凝土板材的冻胀，以达到水工混凝土抗冻胀的目的[2-4]。

在实际应用中，常因保温板密度较低、陈化时间不足、粉化等自身原因，以及粘结材料与被粘结材料的不相容、不匹配，抹面砂浆与保温板的导热系数相差过大等外因，引起保温层脱落和抹面砂浆开裂而失去保温作用[5-7]。在极端条件下，保温板内外表面极高的温度差值使得保温板内部存在不均匀温度场，材料本身热胀冷缩的性质会产生不均匀的温度变形，出现保温板翘曲或挠曲变形、保温板与基层混凝土之间粘结破坏等，这就需要研制一种导热系数与保温板相近，具有一定保温板适应性的抗裂砂浆[8]。单组分聚脲防水涂料在水工建筑物抗冻害防护中已广泛应用，并取得良好的效果，可涂布于抗裂砂浆表面起防护作用[9]。本文以新疆某水利工程坝后混凝土保温层防护工程为研究对象，采用自改性聚合物抗裂砂浆、单组分聚脲防水涂料等材料，通过分缝嵌填+表面逐层渐变释放应力的方式，根据施工现场情况，在无养护条件下，研究该抗裂防冻害技术的应用效果，为严寒地区水工混凝土保温抗裂防冻害的控制提供借鉴。

1 工程概况及难点分析

1.1 工程概况

新疆北部某水利枢纽工程是具有不完全多年调节功能的控制性工程，是引额供水工程中重要的枢纽工程之一，属Ⅰ等大Ⅰ型工程。枢纽工程主要建筑物包括碾压混凝土重力坝主坝，1#、2#副坝(沥青心墙土石坝)，泄水建筑物(溢流表孔、泄水中孔、放水底孔)，发电引水系统，以及厂房等。其中主坝及副坝按1 000年一遇洪水设计，主坝按5 000年一遇洪水校核，副坝按1万年一遇洪水校核。坝址处多年平均径流量33.27亿m3，多年平均流量105 m3/s。水库正常蓄水位739 m，对应的库容20.45亿m3；死水位680 m，死库容1.28亿m3；防洪限制水位738 m；防洪高水位739 m，设计洪水位741.69 m；校核洪水位743.63 m，总库容24.19亿m3。电站装机容量140 MW，年发电量5.19亿kW·h。工程总投资26.87亿元，总工期58个月。

该工程建成后经过多年运行，坝面保温板及防渗层老化破损，局部保温层脱落，已失去保温作用。现场查勘情况如图1～4所示。

图1 保温板粉化Fig.1 Pulverization of insulation board

图2 保温板脱落Fig.2 Insulation board falling off

图3 保温板外防护层脱落Fig.3 Outer protective layer of insulation board falling off

图4 保温板空鼓、错台Fig.4 Hollow and staggered about insulation board

1.2 难点分析

坝面保温板抗裂防冻害施工存在的难点：市场上水泥、砂石原材料质量参差不齐，其质量难以保证；施工面广、施工难度大，洒水养护难以实现；施工现场风较大，加快抗裂砂浆表面水分散发，加大开裂概率；抗裂砂浆施工完后需快速起强，荷载一定压力，二道表面封闭防护施工；保温板与抗裂砂浆的导热系数需相近；抗裂砂浆与粘结材料的相容性、匹配性；粘结材料与表面封闭防护材料的相容性、匹配性；保温板板间缝的处理；抗裂砂浆内应力的释放。

1.3 抗裂防冻害技术防护原则

抗裂防冻害技术防护原则：逐层渐变柔性释放应力；普通水泥砂浆不应作为保温体系表面的找平及保护层材料；防护层抗裂问题是控制裂缝的主要屏障；充分考虑各层材料的相容性及匹配性；加强保温板间缝处的柔性密封；抗裂砂浆分块防护，释放内应力及封闭；最外层材料耐久性好、柔性大且与冰不粘结。

2 保温板抗裂砂浆

2.1 原材料

乳液(A)：自制；丙烯酸共聚乳液(B)：南京永丰化工有限公司；标准型聚羧酸减水剂(固含量10%)：新疆科能新材料技术股份有限公司；普通硅酸盐水泥(42.5、42.5R、52.5、52.5R)：新疆屯河水泥有限责任公司；水洗砂、石英砂：乌鲁木齐市瑞达石英砂厂；水：饮用水，符合JGJ63—2006《混凝土用水标准》；粉煤灰：Ⅰ级，新疆玛纳斯发电有限公司。

2.2 仪器设备

SHBY-40型标准恒温恒湿养护箱(河北万诺试验仪器有限公司)；TYA-300B Ⅰ型微机控制恒加载抗折抗压试验机(无锡新路达仪器设备有限公司)；DW-40型低温试验箱(河北省献县恒瑞达建材仪器厂)；HC-2000A型智能粘结强度检测仪(北京海创高科科技有限公司)。

砂浆抗裂性的快速检测参照发明专利水泥砂浆开裂性能测试方法(专利号：CN200610000946.3)，作为与保温板适应性的判断依据，其他性能执行标准SL352—2006《水工混凝土试验规程》，抗裂砂浆的评估结合保温板上砂浆开裂一般前3 d发生和进行下道作业防护的情况，以测试3 d性能为准。

2.3 抗裂砂浆适配性

本研究下的抗裂砂浆根据多年施工应用情况，将水胶比定为22%，配合比设计如表1所示。

表1 抗裂砂浆设计配合比

2.3.1聚合物乳液

聚合物乳液的添加不仅可以减少用水量，而且聚合物乳液在水泥水化时失水形成聚合物膜，与水泥浆体呈连续相，改善了硬化水泥砂浆的物理组织结构与结构内应力，大大减少了微裂缝出现的可能性。同时，聚合物纤维越过裂缝，起到架桥和填充作用，限制了裂缝的蔓延，切断其与外界的通道，填充了空隙，从而使砂浆抗裂性、粘结强度、抗碳化、抗渗和抗氯离子渗透能力均得到极大提高。

本文以自制乳液(A)和常用聚合物乳液丙烯酸共聚乳液(B)为试验乳液，每种原材料掺量以设计配合比为准，结果如表2所示，不同聚合物乳液对砂浆开裂性的影响如图5所示。

(7)检测防暴车转向性能。结合利用汽车转向盘的转向力测试仪与BQDC100-8型机动车流动检测线，来检测防暴车的转向性能。

表2 不同聚合物乳液对性能的影响

图5 不同聚合物乳液对砂浆开裂性的影响Fig.5 Effect of different polymer emulsions on cracking behavior of mortar

由试验数据可以看出，在同等掺量的情况下，乳液A制备的抗裂砂浆较B乳液制备的抗裂砂浆3 d抗压强度提高15.9%，3d抗折强度提高13.2%，单位面积裂纹情况较少，与保温板适应性较好。

收缩性是影响抗裂砂浆耐久性能的重要指标，其大小直接关系到砂浆能否在基础材料上粘结牢固，决定结构能否出现裂缝[10]。乳液掺量对收缩量的影响较大，不同聚合物乳液掺量对性能的影响结果如表3所示，不同聚合物乳液A掺量对砂浆开裂性的影响如图6所示[11]。

表3 不同聚合物乳液A掺量对性能的影响

图6 不同聚合物乳液A掺量对砂浆开裂性的影响Fig.6 Effect of A content of different polymer emulsion on cracking behavior of mortar

由表3可知，A乳液掺量为20%时7 d抗压强度、抗折强度最大，收缩量适中，但从与保温板的适应性来看，15%的乳液掺量最佳。

2.3.2水泥

为达到高韧性、起强快、强度高，与保温板适应性强的目标，针对水泥的类型进行一系列试验，水胶比22%，配合比如表4所示。按照表4配比，不同类型水泥对性能的影响结果如表5所示，不同水泥型号对砂浆开裂性的影响如图7所示。

表4 抗裂砂浆配合比

表5 不同类型水泥对性能的影响

2.3.3砂子

表6 抗裂砂浆配合比

表7 不同类型砂子对性能的影响

图8 不同类型砂子对砂浆开裂性的影响Fig.8 Effect of different types of sand on mortar cracking

2.4 与保温板匹配性验证

经试验确定抗裂砂浆配合比如表8所示。按配合比进行配制，涂抹于保温板上，在无洒水养护条件下，放置3 d，检测与保温板的匹配性，结果如表9所示。

表8 抗裂砂浆配合比

表9 与保温板匹配性试验结果

3 施工工艺及应用效果

3.1 施工工艺

(1)保温板基面打磨、清理和补板。使用角向磨光机对保温板表面已碳化、失去强度部位进行打磨并用吹风机清理干净，针对缺失、起翘的部位，进行重新补板。

(2)保温板板间缝处理。用专用柔性胶对保温板板间缝进行密封处理。

(3)涂抹抗裂砂浆。按规定配合比进行配制抗裂砂浆，总厚度1 cm，采用分块模式涂抹施工，使长×宽为4 m×6 m，中间预留伸缩缝深×宽为1 cm×1 cm。无水条件下养护3 d，进行下道作业。

(4)嵌填密封胶。保温板预留缝用低模量弹性密封胶进行嵌填，表面收平。

(5)涂刷聚脲底涂。抗裂砂浆表面进行打磨、清理，涂刷聚脲底涂，要求刮涂均匀不漏点。

(6)铺设聚酯网格布。待聚脲底涂涂刷完毕，直接铺设聚酯网格布，聚酯网格布的规格为网眼尺寸5 mm×5 mm。

(7)涂刷单组分聚脲防水涂料。待底涂表干时即可进行单组分聚脲防水涂料涂刷，涂刷时要求涂层均匀无流坠现象，涂刷可分2～3次进行，施工完成后聚脲层表面光滑，厚度为(1.5±0.2)mm。

3.2 应用效果

经过坝后保温板板缝填充，表面抗裂砂浆的涂抹、分缝和嵌填弹性密封胶，抗裂砂浆表面单组分聚脲防水涂料的耐久性防护，结果显示该措施可以显著改善大坝混凝土表面及内部的温度分布，形成变幅很小的较稳定的大坝温度场，减小保温板的温度变形，防止表层出现开裂现象，保证坝体的安全运行。在其表面刮涂聚脲防护层后，其抗老化性能显著提高，并对冰拔、冰推和冰撞等冻害起到有效的缓解作用，提高混凝土大坝的耐久性。实际应用效果如图9所示。

图9 施工1年后运行效果Fig.9 Operation effect after one year

4 结束语

以新疆某水利工程坝后混凝土保温层防护工程为研究对象，采用自改性聚合物抗裂砂浆、单组分聚脲防水涂料等材料，通过分缝嵌填+表面逐层渐变释放应力的方式，研究其抗裂防冻害应用效果。结果显示，在无养护条件下，水胶比22%、粉煤灰(Ⅰ级)掺量10%、单位用水量13 kg/m3、减水剂掺量2%、水泥P.O 42.5R、石英砂(细度模数为2.3)的抗裂砂浆，3 d抗压强度25.3 MPa、抗折强度5.1 MPa，与保温板适应性好，适用于严寒地区水工建筑物混凝土表面保温防护。

严寒地区保温板抗裂砂浆的适应性和匹配性至关重要，水工建筑物保温层的防护需采用“逐层渐变柔性释放应力”的施工组合方式，方能达到预期效果。