纳米硅酸盐材料在水工混凝土防护中的应用

金泽 1 窦宝松 2

摘要：水工混凝土由于工作条件不同于普通混凝土，在水荷载作用下更易加速老化并产生病害，降低其耐久性，影响水利工程安全运行，同时由于环保要求日趋严格，因此开展新环保实用型水工混凝土防护材料的研究与应用是十分必要的。“佳固士”纳米硅酸盐材料是一种新型混凝土防护材料，它安全环保，施工简便，可以显著提升混凝土整体性能及耐久性，非常适用于水工混凝土的防护与修复。

关键词：水工混凝土，老化病害，纳米硅酸盐，抗渗

前言

水工混凝土建筑物的设计寿命应大于50年，可是从实际运行情况来看，水工混凝土容易受到温度和湿度的变化、水流冲磨、氯离子侵蚀、碳化、冻融等不利因素的影响，从而加速老化并产生病害。水工混凝土老化病害处理成本较高、且施工难度较大, 若处理不当, 甚至影响建筑物的安全运行，因此及时开展水工混凝土防护工作意义重大^[1-4]。

随着国家环保标准日益严格，传统的混凝土防护材料、工艺已经革新，同时国内外混凝土防护新材料，新技术已有长足发展。因此，开展新型混凝土防护材料及工艺的应用与研究当务之急^[5-6]。

水工混凝土防护新材料——“佳固士”纳米硅酸盐材料

“佳固士”纳米硅酸盐材料是“苏州佳固士新材料科技有限公司”生产的一种新型环保型混凝土防护材料，可应用于饮用水工程。它可以增强混凝土的耐久性及整体性能，适用于混凝土的微裂缝修补、补强、抗渗、抗腐蚀及抗碳化等。目前，“佳固士”纳米硅酸盐材料

已在国内港口、码头、桥梁、水利等工程广泛应用，并取得了很好的效果。材料技术指标如表1所列。

表1 “佳固士”纳米硅酸盐材料技术指标^[7,8]

技术指标	标准规定	“佳固士”
密度（g/cm3）	≥1.07	1.104
PH值	11 + 1	11.1
48h吸水量比（%）	≤65	24
抗压强度比（%）	≥100	123
抗透水压力比（%）	≥200	500
渗入高度（mm）	≤35	8
氯离子吸收降低率（%）	≥90	92

作用机理

“佳固士”中的“纳米等级”硅酸盐可以深入渗透到混凝土纳米级孔隙，跟混凝土中的钙离子化学反应，形成硅酸钙固化体封堵混凝土中的孔隙，使混凝土裂缝能够“自愈合”且致密性增强，从而抑制碳酸气体、水等劣化因子的侵入，实现混凝土纳米等级的深度防护。提高混凝土强度和耐久性，延长混凝土建筑物的寿命。

机理化学反应式：

(硅酸盐） （氢氧化钙） （水） （C-S-H结晶体） （氢氧化物）

“佳固士”纳米硅酸盐材料的主要性能

（1）可以显著提高混凝土的强度。

（2）可以显著提高混凝土的抗渗性能。

（3）使混凝土有“自我修复性”。

（4）提高混凝土抗冻融及抗碳化性能。

（5）有效修复0.2mm以下的混凝土细微裂纹、裂缝。

（6）提高混凝土抗氯离子渗透性。

（7）提高混凝土抗酸碱及抗腐蚀性。

（8）属于安全环保型防护材料。

“佳固士”纳米硅酸盐材料的优势

（1）迎水面和背水面防渗均适用，基面干燥或潮湿均可施工。

（2）无机防水层与混凝土建筑物同寿命。

（3）适合基面慢渗及注浆不能解决的大面积阴渗。

（4）施工简单，不需要做找平层和保护层，见效快。

（5）水性产品，绿色环保。

“佳固士”纳米硅酸盐材料混凝土强度及抗渗试验

混凝土强度试验

试验对甲、乙两个混凝土试块采用回弹法测抗压强度。然后喷涂“佳固士”纳米硅酸盐材料正常养护后，再次采用回弹法测抗压强度，通过试验结果比对，喷涂“佳固士”后混凝土试块的抗压强度值显著提高，平均增长4.8MPa，试验结果如表2所列。

表2 混凝土抗压试验结果

序号	试块	喷涂前 强度值	喷涂前强度 平均值	喷涂后 强度值	喷涂后强度 平均值	喷涂前后 增长平均值
1	甲	40.4MPa	40.4MPa	43.5MPa	45.2MPa	4.8MPa
2	乙	40.5MPa		46.8MPa

混凝土抗渗试验

试验对1组未喷涂“佳固士”的混凝土试块、1组喷涂“佳固士”的混凝土试块进行抗渗试验，比较抗渗效果。然后对形成渗透通道的“佳固士”试块，静置14天后继续进行抗渗试验，以此观察“渗透通道的自我修复”能力。通过试验比对：未喷涂“佳固士”的混凝土试块抗渗等级为W10。喷涂“佳固士”的混凝土试块抗渗等级为W14，混凝土试块抗渗级别提高4个等级。静置14天后，喷涂“佳固士”的混凝土试块抗渗等级为W13，试验结果如表3所列。

表3 混凝土渗透通道“自我修复”试验结果

编号	试样表面处理情况	达到抗渗级别
1	不喷“佳固士” 试样	W10
2	喷“佳固士”试样	W14
3	编号2试验结束后，试块形成渗透通道， 静置14天，继续试验。	W13

试验结果分析

通过上述试验可以看出，“佳固士”纳米硅酸盐材料可以显著提升混凝土的抗压强度及抗渗等级，同时在混凝土试块形成渗透通道后，“佳固士”纳米硅酸盐材料可继续与钙发生化学反应，“自我修复”封闭渗透通道。

“佳固士”纳米硅酸盐材料的施工工艺

喷涂材料前要确保操作环境安全，确认施工场所气温是否符合要求：气温低于5度或高于40度请勿施工。施工工艺及过程图如下：

图1 工艺流程

工艺流程

（1）对于0.3mm以上混凝土的裂缝，用防水砂浆进行修补填充（使用水泥基的修补材料）。

（2）用高压水枪冲洗基面，将表面的浮浆和油污去除，兼做润湿基面，使基面呈饱和面湿状态。

（3）基面表层无明水时喷涂第一遍材料，用量为150ml/m²。

（4）当材料被吸收后（约20min-30min）进行洒水，目的是使材料充分渗透。

（5）当水被吸收后（约20min-30min）喷涂第二遍材料，用量100ml/m²。

（6）当材料被吸收后（约30min-40min）进行洒水，兼做洗净基面。

（7）如果混凝土内部比较干燥，需洒水湿润养护3天以上。

施工关键点

（1）喷涂该材料前基面不能有明水，尤其是不能有压力水，基面干燥的话要先洒水润湿，待表面手触不沾湿时即可喷涂该材料。

（2）基面的油污、浮浆等杂质会影响材料渗透，要清除干净，露出干净的混凝土才能喷涂。

（3）材料喷涂后如果环境气候干燥，则要保持湿润养护2周以上。

典型工程应用

南水北调南干渠工程30号井西侧3.5m以下边墙发生微裂缝，36号井内隧洞发生裂缝。2019年6月应用“佳固士”纳米硅酸盐材料进行修复处理。

图2 施工现场及施工后照片

半年后，对喷涂“佳固士”的混凝土进行检查及强度检测。检查及检测结果表明:喷涂后的混凝土微裂纹已修复；混凝土强度比原混凝土增加4 MPa ～8MPa，抗压强度增加效果明显。

结语

综上所述，“佳固士”纳米硅酸盐材料可以全方位提升水工混凝土性能及耐久性，使原混凝土转变为高性能混凝土，效果显著。同时该材料安全环保，施工简便快捷适应性强，是非常适用于水利工程混凝土防护的材料。

参考文献

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