系列水工建筑新材料及其在水利水电工程中的应用

陈 亮1，2，3，魏 涛1，2，3，汪在芹1，2，3，李 珍1，2，3，张 健1，2，3

(1.长江科学院，湖北武汉，430010; 2.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北武汉，430010;3.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉，430010)

基金项目: 水利部公益性行业专项(201301023)，国家自然科学基金资助项目(51378078)，国际科技合作项目(2010DFB70470)，科技部科研院所技术开发专项资金资助项目(2011EG136224)。

作者简介: 陈亮(1981—)，男，湖北保康人，博士，高级工程师，主要从事水工新材料研发与应用工作。

【摘 要】 随着我国水利水电建设高峰期的到来，各种特殊和复杂的筑坝环境也随之出现，对水工建筑物防护及地基加固新材料的需求也越来越高。长江水利委员会长江科学院自20世纪50年代末起即开展了地基加固新材料及技术的研究，经过几十年的不断努力，开发了CW系列水工建筑加固、修补和防护材料。本文总结和综合介绍了CW系列环氧树脂化学灌浆材料、丙烯酸盐化学灌浆材料、脂肪族聚脲、改性环氧树脂胶泥和砂浆等适合多种工况和要求的水工新材料及其在水利水电工程中的典型应用。

【关键词】 水利工程; 环氧树脂; 聚脲; 表面涂层; 缺陷修补

1 概述

我国50年代后期，针对三峡工程地基加固和混凝土裂缝处理的需要，经国家科委批准立项，把环氧树脂为主剂的浆材用于三峡固结灌浆作为一个重要的研究课题。经过几十年来的发展和长江水利委员会长江科学院科研工作者的不断努力，CW系列化学灌浆材料以其优异的性能在水利水电领域占据了一席之地。近年来，随着水利水电工程的大规模建设和完工，混凝土裂缝以及质量缺陷、混凝土表面劣化等问题也引起工程管理和建设者的重视，长江水利委员会长江科学院针对工程中出现的各类疑难问题，在国家和部委项目的资助下开展了大量研究和现场应用，开发了一系列水工建筑物加固、修补和防护材料及其配套施工工艺。

2 CW化学灌浆材料

2．1 CW510系环氧树脂化学灌浆材料

CW510系环氧树脂灌浆材料是长江水利委员会长江科学院在三峡工程永久船闸F215、F1096软弱夹层及断层破碎带成功使用的基础上，经改性研发的低粘度环氧树脂，它是由新型的环氧树脂、活性稀释剂、表面活性剂、增韧剂及固化剂等配制而成的双组分环氧树脂灌浆材料。

CW510系环氧树脂化学灌浆材料对原CW化学灌浆材料的稀释剂进行了预反应和改性，从而改善了浆材的稳定性; 在固化剂方面，优选和合成了适合于水中固化的高分子胺类，增加了固化剂的韧性，使固化体系无毒; 在表面活性剂方面，选择了能够提高浆液渗透性的反应型表面活性剂，使浆液有更高的渗透性。它遵循新型的固化机理，活性稀释剂完全参加固化反应，保证了环氧树脂灌浆材料性能的全面发挥，也使得固化体无毒，安全环保。根据环氧树脂灌浆材料的可操作时间的长短，CW510系环氧树脂灌浆材料分为CW511和CW512两类，这两类灌浆材料的主要性能如表1所示。

与一般的环氧树脂灌浆材料相比，CW510环氧树脂灌浆材料在与被灌物形成的液－固界面间，表面张力小，接触角小，其液相本身的粘聚力及与固体物质间强大的附着力，使得其具有优秀的润湿能力和极强的渗透性能，可渗透至0.1mm甚至低至0.007mm宽的裂隙中;粘度较小，具有合适的操作时间且可根据工况调整; 极高的渗透性能可使其深入极细微的混凝土裂隙及断层破碎带中，固结补强能力强，固结体强度提高迅速。配浆后发热量显著低于国内外同类化学灌浆材料，不会产生粘度增长过快引起灌浆管路堵塞，甚至“爆聚”等问题。

表1 CW510系环氧树脂灌浆材料主要性能指标

2．2 CW520系丙烯酸盐化学灌浆材料

长江水利委员会长江科学院通过几代人的持续研究、开发的可溶于水的无毒液态低聚物交联剂，取代原丙烯酸盐化学灌浆材料常用的具有毒性交联剂甲撑双丙烯酰胺，制得CW520丙烯酸盐化学灌浆材料。该灌浆材料具有粘度低流动性好、可灌入细微裂缝、凝胶时间可控、渗透系数低、固砂体抗压强度较高等特点。除此之外，CW520丙烯酸盐化学灌浆材料的浆液及凝胶毒性较现有采用甲撑双丙烯酰胺作交联剂的丙烯酸盐化学灌浆材料低，此种灌浆材料更符合环保要求，同时，由于所合成交联剂可与丙烯酸盐单体溶液混溶，生产工艺得到了改进。表2为CW520丙烯酸盐A液、B液、浆液的主要物理性能，A、B组分混合后的浆液中加入缓凝剂后的凝胶时间从数秒至50min可调，凝胶体的主要物理性能如表3所示。

表2 CW520丙烯酸盐A液、B液、浆液的主要物理性能

注: ①此凝胶时间是在25℃下测定的不含缓凝剂的浆液凝胶时间。

表3 CW520丙烯酸盐凝胶体主要物理性能

2．3 CW系列化学灌浆材料的主要工程应用

CW510系环氧树脂灌浆材料除可广泛应用于各类混凝土裂缝及岩石裂隙以提高整体性外，还被用于软弱基础补强加固处理中，分别在三峡工程船闸破碎带加固处理工程、金沙江向家坝水电站挠曲核部破碎带和挤压破碎带复合灌浆工程、金沙江溪洛渡水电站层间破碎带复合灌浆工程、贵州构皮滩水电站大坝断层基础加固工程、南水北调中线陶岔渠首枢纽工程、湖南黑麋峰抽水蓄能水电站断层处理工程、四川亭子口水利枢纽工程帷幕灌浆工程、湖南江垭水电站溶蚀带基础防渗处理工程、四川向家坝水电站破碎带帷幕化学灌浆试验、非洲埃塞俄比亚FAN项目火山岩断层处理工程等国内外大型重点工程中得到成功应用，解决了多个与基础补强加固和防渗相关的复杂地质缺陷难题。图1为向家坝水电站普通水泥灌浆后芯样照片，从照片可以看出普通水泥灌浆前坝基岩石呈碎屑状，图2为化学灌浆处理后照片，可以看出CW510系环氧树脂化学灌浆材料对碎屑状岩体固结良好。

此外，CW系列化学灌浆材料还在三峡永久船闸混凝土层面缝止水补强，右纵▽96廊道38#和▽82.5廊道66#裂缝灌浆处理，金沙江向家坝水电站坝体裂缝处理，金沙江溪洛渡水电站AGR1和AGR2渗水处理，湖北江汉航线新城船闸裂缝处理，云南小湾水电站大坝裂缝处理工程，丹江口大坝加高工程混凝土裂缝处理工程，金沙江溪洛渡水电站导流洞、大坝裂缝处理工程等，有效加速了工程建设，确保工程长期安全运行，取得了显著的社会和经济效益。

图1 向家坝水电站帷幕水泥灌浆灌后化学灌浆前检查孔1WJ－2孔深65～74m芯样

图2 向家坝水电站坝基化学灌浆后CW510系环氧树脂检查孔HCW－J1孔深65～70m的岩芯

3 CW系表面涂层材料

3．1 CW620聚脲弹性体

CW620聚脲是长江水利委员会长江科学院自主研发的水工建筑物表面防护与修补类材料，它是在脂肪族聚脲材料的基础上，添加无机纳米材料和活性稀释剂，制备出的一种高耐久性、高性能和环保的新型混凝土表面防护材料。它具有无气味、环保以及高耐候性、高抗冲磨性、高韧性、高粘结性、高抗渗性、干燥和潮湿面均可施工等特性，能提高混凝土抗冲磨、抗渗、抗碳化、抗冻融、抗化学侵蚀等耐久性能，对混凝土裂缝具有修复能力。

常规喷涂聚脲是由芳香族异氰酸酯与氨基化合物反应生成的一种弹性体物质，具有较好的柔韧性，并且能够快速固化(3～4s即可固化)。但是由于快速固化，施工中其与混凝土的粘结处理不好控制，在混凝土表面保护应用中容易出现脱落的情况。此外由于主要由芳香族组分组成，其耐久性相对于脂肪族材料并不理想，尤其是其耐黄变性能(长时间以后容易变黄)较差，从而影响外观效果。

针对常规芳香族聚脲的缺点，长江科学院研发出了CW620聚脲混凝土表面保护材料，它主要以脂肪族聚脲原料为基材，通过添加反应型增韧剂制成的复合材料，具有优异的硬度、弹性、粘结性、耐久性以及环保性能。由于其具有慢反应的特性，固化时间延长，树脂本体具有充分的时间对混凝土基体进行浸润，从而具有较好的粘结强度，材料不易脱落。此外慢反应聚脲以脂肪族化合物的分子为主，具有很好的耐老化性和环保性能，可以对混凝土进行长效保护。材料施工方式灵活，不仅可以喷涂施工，也可以进行涂刮施工，这样在喷涂无法企及的部位可以进行涂刷施工，从而保证施工质量。

3．2 改性(弹性)环氧胶泥

在我国水利水电工程中应用最广泛的是环氧胶泥和环氧砂浆，随着环氧树脂工业的发展，环氧胶泥和环氧砂浆在性能方面有了极大的提升，价格方面变得更加经济，由于它们便于施工、性能好、经济适用，在水利水电工程中占有越来越重要的地位。

长江水利委员会长江科学院开发的改性环氧胶泥以及弹性环氧胶泥是以改性环氧树脂作为胶凝材料，配以抗冲磨能力强的粉体材料以及其他助剂和添加剂制备的环氧胶泥。特别是，在两个水利部公益性行业科研专项项目: “西部高寒地区筑坝材料耐久性关键技术研究(200901066)”和“西部高寒地区水利工程劣化防护措施研究(201301023)”的资助下，针对西部高寒、高海拔地区尤其是西藏地区严寒干燥、紫外线辐射强烈、日温差大、大风日数频繁、深覆盖层冻土等环境特点，开展了系统的研究，包括室内模拟试验、现场生产性试验，取得了突破性的进展，开发出了适合西部高寒地区使用的CW610高耐候改性环氧涂层和CW620慢反应脂肪族聚脲涂层材料，具有与混凝土基面粘结能力强，抗紫外线辐射能力强，抗冻融和抗渗能力优异等特点。尤其是CW610高耐候改性环氧涂层与混凝土粘结能力强，经过改性后耐紫外线老化能力和抗低温性能优异，适合在藏木水电站上游坝面混凝土防渗使用。

CW610高耐候改性环氧涂层材料是在常规环氧涂层材料的基础上，经耐候性改性得到的高耐候性涂层，具有良好的成膜性和抗渗性，力学性能优异，与混凝土粘结良好，能够封闭混凝土表面缺陷，提高混凝土的抗渗、抗冻融等耐久性能。经过改性后的环氧涂层具有较强的抗紫外线老化能力和抗低温性能，适合在西部高寒高海拔地区使用，CW610高耐候改性环氧涂层的主要性能指标见表4。

表4 CW610高耐候改性环氧涂层的主要性能指标

3．3 改性(弹性)环氧砂浆

环氧树脂砂浆是由环氧胶液加入石英砂、粉体等填料组成的混合物，经固化形成的环氧树脂类修补材料，因其具有良好的和易性，与基体混凝土粘结牢固，抗冲磨和抗冻融性能好，在水利水电工程中得到广泛应用。近年来，长江水利委员会长江科学院在原有环氧砂浆的基础上，经过耐候性改性，针对西部高寒高海拔地区气候特点，开发出了耐候性优异的改性环氧砂浆，即将在藏木水电站进水口表面应用。

3．4 表面涂层材料的主要应用

CW系列表面涂层材料在南水北调中线水源工程丹江口大坝表面防护工程、宜昌黄柏河流域天福庙、尚家河、汤渡河水库溢流坝面防护、南水北调渠道裂缝处理等工程中得到了成功应用。丹江口大坝加高工程聚脲施工主要是针对初期工程大坝混凝土进行表面缺陷处理及防护涂层施工，以提高坝面混凝土的耐久性。工程所采用的聚脲类涂层材料是一种新型高强、高弹性、防水、耐候、环保的混凝土表面防护材料，能有效提高混凝土的抗碳化、耐侵蚀性能。

初期大坝表面聚脲类防护施工分上游高程149.0～162.0m区域和下游高程90.0～107.0m区域，其中上游坝面施工面积8935.50m2; 下游坝面施工面积7144.80m2，施工总面积约16000m2。图3为南水北调水源工程丹江口大坝聚脲防护施工后照片。

图3 南水北调水源工程丹江口大坝聚脲防护施工后照片(左图为上游，右图为下游)

此外，对聚脲材料进行改性，使其适合高日照强度、频繁冻融循环的西部高寒高海拔地区。图4为聚脲涂层在西藏拉萨户外使用一年前后照片，经过一年的服役，涂层外观完整，未出现褪色剥落现象，与混凝土粘结良好。室内试验和户外现场试验结果表明，聚脲材料运行一年其力学性能未出现降低。

4 其他水工建筑新型材料

此外，针对水利水电工程的应用需求，长江水利委员会长江科学院开发出了水工金属结构水性防腐蚀涂层、混凝土坝面保温涂层、水工结构抗渗涂层和抗冲磨涂层等水工建筑物修补与防护涂层。

图4 聚脲涂层在西藏拉萨户外使用一年前后照片(左图为刚涂刷后，右图为运行一年后)

5 结语

10余年来，长江科学院在灌浆材料和表面涂层方面的研究和应用取得了丰硕的成果，树立了CW品牌在业界的地位。其中CW系列高渗透改性环氧树脂灌浆材料在三峡工程中的应用成果达到了国际领先水平，获得水利部大禹水利一等奖、湖北省科技进步二等奖、长江水利委员会科技进步一等奖和湖北省优秀专利项目奖，表面防护涂层的应用成果达到国际先进水平。化学灌浆材料和表面防护涂层材料分别被列入《2014年水利先进实用技术重点推广指导目录》。

随着我国水电能源开发高潮的到来，我国水利水电工程多分布在西部、西南地区，这些地区地质和气候条件复杂，尤其是西部高寒地区筑坝和维护技术面临着越来越严重的挑战，对水工建筑物加固、修补和防护的要求也越来越高，市场容量巨大，水工建筑新材料未来将向着经济高效、安全环保、耐久性强的方向发展，以确保水利水电工程长效安全运行。

参考文献

［1］汪在芹，魏涛，李珍，等. CW系环氧树脂化学灌浆材料的研究及应用［J］. 长江科学院院报，2011，28 (10): 167－170.

［2］陈亮，韩炜，李珍，等. 聚脲基坝面保护材料的制备及其施工工艺研究［J］. 长江科学院院报，2011，28 (3): 63－71.

［3］张健，魏涛，韩炜，等. CW520丙烯酸盐灌浆材料交联剂合成及其浆液性能研究［J］. 长江科学院院报， 2012，29(2): 55－59.