高寒地區(qū)水工混凝土建筑物表面預(yù)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用探討

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110003)

施工技術(shù)

高寒地區(qū)水工混凝土建筑物表面預(yù)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用探討

汪魁峰徐志林張永先

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110003)

本文以高寒區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)為背景，總結(jié)了混凝土結(jié)構(gòu)多種缺陷的防護(hù)措施和防護(hù)材料的選取原則，重點(diǎn)分析了北方高寒地區(qū)水工混凝土建筑物缺陷類型和產(chǎn)生的原因，提出了水工混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)防護(hù)理念，通過(guò)單參數(shù)數(shù)值模擬計(jì)算驗(yàn)證了水工混凝土建筑物預(yù)防護(hù)的重要性和可行性，可為高寒地區(qū)水工混凝土建筑物耐久性設(shè)計(jì)、施工等提供指導(dǎo)和借鑒。

高寒地區(qū)；水利工程；預(yù)防護(hù)；技術(shù)

1 水工混凝土表面預(yù)防護(hù)理念的提出

水工混凝土是水工建筑物最常用建筑材料之一，由于外界環(huán)境條件惡化和工程自身質(zhì)量、耐久性等問(wèn)題，導(dǎo)致水工混凝土構(gòu)件在設(shè)計(jì)使用齡期內(nèi)過(guò)早出現(xiàn)“老化病害”現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。我國(guó)東北地處寒冷或嚴(yán)寒區(qū)域，水工混凝土建筑物運(yùn)行環(huán)境惡劣，以環(huán)境溫度為主因素導(dǎo)致水工混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早“受傷”的工程極為普遍和常見(jiàn)，一旦出現(xiàn)“受傷”情況，表面防護(hù)遭到破壞，一段時(shí)間內(nèi)建筑物損傷速度就會(huì)逐年加速，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響建筑物的正常運(yùn)行，降低其使用壽命，而且后期修復(fù)和加固資金投入巨大。為從起點(diǎn)解決該問(wèn)題，在水工混凝土建筑物工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)加入預(yù)防護(hù)設(shè)計(jì)，即在工程運(yùn)行前完成防護(hù)施工，讓寒區(qū)水工混凝土結(jié)構(gòu)在防護(hù)“鎧甲”的保護(hù)下健康運(yùn)行，會(huì)極大程度提高寒區(qū)水工混凝土建筑物抵御外界不良環(huán)境侵害的能力，顯著提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和延長(zhǎng)使用壽命，既可減少后期維護(hù)的重復(fù)投資、安全有保障，也會(huì)更大程度地發(fā)揮工程效益，因此，提出高寒地區(qū)水工混凝土表面耐久性“預(yù)防護(hù)”理念，改變水工混凝土設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)“重結(jié)構(gòu)、輕防護(hù)”現(xiàn)象，解決工程建設(shè)防護(hù)資金的來(lái)源，意義深遠(yuǎn)。

2 水工混凝土表面耐久性預(yù)防護(hù)必要性及可行性

2.1 必要性

遼寧省位于我國(guó)東北部，85%以上的區(qū)域地處嚴(yán)寒、寒冷和瀕海地帶，該省使用年限10～30年的117座水利工程(水庫(kù)29座、水閘88座)混凝土結(jié)構(gòu)，裂縫、滲漏、剝蝕、碳化等病害突出，各類病害普遍發(fā)生，所占比例高達(dá)86%～97%(見(jiàn)表1)。

表1 117座水工混凝土建筑物缺陷統(tǒng)計(jì)

對(duì)117座水工混凝土建筑物缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析(見(jiàn)表2)。

從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)分析，遼寧東部地區(qū)水閘在嚴(yán)寒、海水侵蝕等綜合作用下，典型工程最大剝蝕速率甚至達(dá)到1.8cm/a。目前，水利工程普遍是出現(xiàn)問(wèn)題之后才開(kāi)始進(jìn)行修補(bǔ)和防護(hù)，全國(guó)水閘以及一批中小型水閘除險(xiǎn)加固改造工程和重點(diǎn)輸水工程，總投資達(dá)數(shù)千億元甚至更多[2,3]。相關(guān)資料顯示，混凝土工程后期修補(bǔ)加固費(fèi)用與前期防護(hù)費(fèi)用之比可達(dá)5∶1[4]，可見(jiàn)后期維修加固費(fèi)用相當(dāng)巨大，而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，防護(hù)后的水工混凝土建筑物耐久性明顯提高，大大延長(zhǎng)了工程使用壽命，綜合效益顯著。

表2 117座水工混凝土建筑物缺陷原因分析

2.2 可行性

a. 理論可行性。通過(guò)單因素分析，應(yīng)用有限元ANSYS分析軟件，對(duì)水工混凝土表面預(yù)防護(hù)中碳化防護(hù)進(jìn)行單因素?cái)?shù)值模擬，通過(guò)混凝土碳化試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)碳化防護(hù)材料的防護(hù)效果進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果在碳化開(kāi)始階段稍有差異，但隨齡期的增長(zhǎng)，二者吻合的效果越來(lái)越好。對(duì)比結(jié)果表明，該數(shù)值模型可以用于混凝土碳化過(guò)程的數(shù)值模擬[5,6]。碳化深度的數(shù)值解與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖1。無(wú)防護(hù)處理和涂刷防護(hù)層兩種情況在不同年限時(shí)的混凝土碳化深度值見(jiàn)表2。

圖1 混凝土碳化深度數(shù)值解和試驗(yàn)值對(duì)比

由表3可知，相比于無(wú)防護(hù)處理的情況，由于防護(hù)涂層的存在，混凝土碳化過(guò)程進(jìn)展十分緩慢，兩種情況下混凝土的碳化深度差距懸殊。隨著時(shí)間推移，雖然防護(hù)材料逐漸老化，材料本身的CO2擴(kuò)散系數(shù)有所增大，但仍舊可以起到很好的隔離、防護(hù)作用，驗(yàn)證了防護(hù)材料的碳化防護(hù)效果顯著。

b. 工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段效果可行性。為了驗(yàn)證防護(hù)措施可行和防護(hù)效果顯著，有針對(duì)性地選擇了遼寧東部、西北、中部和北部的典型淡水、海水、淡水海水混合共5個(gè)閘壩開(kāi)展了工程實(shí)體驗(yàn)證試驗(yàn)(見(jiàn)表4)，典型工程實(shí)體防護(hù)試驗(yàn)段見(jiàn)圖2。實(shí)體工程驗(yàn)證試驗(yàn)示范段運(yùn)行時(shí)間雖短，可作為參考。

表4 典型閘壩混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體工程防護(hù)驗(yàn)證試驗(yàn)

3 高寒地區(qū)閘壩混凝土預(yù)防護(hù)典型構(gòu)件關(guān)鍵部位及防護(hù)措施

結(jié)合北方寒區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，水工建筑物以閘壩混凝土工程最為典型，受溫度等外界環(huán)境影響，工程運(yùn)行過(guò)程中不同部位遭受外界侵害的類型和側(cè)重點(diǎn)各有不同，設(shè)計(jì)初期應(yīng)結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)，針對(duì)工程具體情況，采取不同措施和防護(hù)材料，進(jìn)行早期防護(hù)，以達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性目的，同時(shí)也可大大降低后期維護(hù)、維修費(fèi)用。

3.1 防凍融剝蝕-水位變動(dòng)區(qū)等

閘壩工程水位變動(dòng)區(qū)表層混凝土凍融侵蝕是高寒地區(qū)水工混凝土最具代表性的缺陷，北方沿?；炷凉こ谈鼮橥怀?。遼寧東港沙壩閘位于淡水與海水的交界處，兼有擋潮和排水的作用，運(yùn)行了30年，受海水和凍融雙重侵蝕，閘墩發(fā)生了嚴(yán)重剝蝕，單側(cè)剝蝕最大深度超過(guò)0.55m，最大剝蝕速率達(dá)到1.80cm/a(見(jiàn)圖3)。東北地區(qū)類似水閘很多，凍融剝蝕侵害普遍，早期防護(hù)意義深遠(yuǎn)。

圖3 東港沙壩閘閘墩混凝土剝蝕情況

a. 防護(hù)措施。水位變動(dòng)區(qū)混凝土表層涂覆高分子及其他防滲、防沖、抗沖刷材料，保證水位變動(dòng)區(qū)域冰層與混凝土不直接接觸，從而起到保護(hù)表層混凝土、提高耐久性的目的。

b. 防護(hù)材料選擇原則。防滲抗侵蝕、抗凍融、耐高低溫、抗老化、耐沖磨、與混凝土黏結(jié)性能好，兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等。

常見(jiàn)材料有SK手刮聚脲(防滲型)、SK通用型水泥基防水涂料、SK暴露型單組分防水涂料、優(yōu)龍防碳化涂料、新老混凝土界面劑、聚合物水泥砂漿[7-9]等。

3.2 防磨損和空蝕-溢流堰面、輸水洞出口消能功等

閘壩溢流堰、輸水洞等混凝土建筑物底板、堰面、陡槽、挑流坎、消能墩、消能塘等構(gòu)件，最容易遭受磨蝕和空蝕。

a. 防護(hù)措施。在耐沖磨區(qū)混凝土表層澆筑或涂覆防沖、耐磨材料，以提高混凝土防磨損、抗空蝕能力，達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性目的。

b. 防護(hù)材料選擇原則。防滲抗侵蝕、耐沖磨、抗老化、與混凝土黏結(jié)性能好，兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等。

常見(jiàn)材料有SK手刮聚脲(抗沖磨型)、高韌性環(huán)氧樹(shù)脂涂料、通用水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料、環(huán)氧類防滲涂料、高韌性環(huán)氧砂漿、改性環(huán)氧砂漿、普通環(huán)氧砂漿、硅粉混凝土、鋼塑纖維砂漿等。

3.3 防碳化、氯鹽及硫酸鹽侵蝕-小截面主受力構(gòu)件和沿海建筑物

閘壩混凝土建筑物的梁、柱、墩等小截面、主受力構(gòu)件對(duì)環(huán)境影響較為敏感，沿海環(huán)境更為惡劣，加受氯鹽侵蝕，混凝土構(gòu)件年損傷速度相對(duì)更快。

a. 防護(hù)措施。在閘壩工程中，對(duì)梁、柱、墩等小截面、主受力構(gòu)件混凝土表層涂覆高分子防護(hù)材料進(jìn)行全封閉，以提高混凝土構(gòu)件表面抗侵蝕、防碳化能力，從而達(dá)到提高混凝土主受力構(gòu)件耐久性目的。

b. 防護(hù)材料選擇原則?？骨治g、抗老化、與混凝土黏結(jié)性能好，兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等。

常見(jiàn)材料有改性VAE防碳化防護(hù)涂料、PCS柔性防護(hù)涂料、SK-B9新老混凝土界面劑、丙烯酸酯共聚乳液涂料、乙烯-醋酸共聚乳液涂料、硅烷防腐劑、單組分聚氨酯防水涂料、雙組分聚氨酯防水涂料、暴露型單組分防水涂料等。

3.4 防滲-結(jié)構(gòu)縫、越冬縫

輸水隧洞(長(zhǎng)距離引輸水工程、水庫(kù)引輸水工程等)、PCCP接縫、涵洞、閘壩等水工建筑物結(jié)構(gòu)縫較多，閘壩擋水結(jié)構(gòu)多為大體積混凝土，澆筑周期長(zhǎng)，通常要跨年度施工。結(jié)構(gòu)縫處理工藝繁瑣、質(zhì)量控制難度大，澆筑面混凝土復(fù)工處理措施不當(dāng)、細(xì)節(jié)考慮不到位，都會(huì)不同程度地形成滲水通道，留下安全隱患。

a. 防護(hù)措施。在結(jié)構(gòu)縫淺層區(qū)域填筑嵌縫封堵材料，在其表面涂覆高分子材料進(jìn)行封閉處理，在混凝土越冬縫上下游表面，涂覆一定寬度的高分子材料進(jìn)行早期封閉處理，以提高混凝土防滲、抗凍融、抗侵蝕能力，達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性目的。

b. 防護(hù)材料選擇原則。防滲抗侵蝕、抗老化、抗凍融、抗沖磨、與混凝土黏結(jié)性能好，兼顧經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等。

常見(jiàn)以SK手刮聚脲(抗沖磨型、防滲型)、三元乙丙橡膠片材、三元乙丙復(fù)合柔性板、氯丁橡膠片材、硫化及非硫化橡膠卷材、橡膠聚氯乙烯卷材、聚乙烯片材等配合嵌縫材料使用。

4 建 議

高寒地區(qū)和沿海地區(qū)水工混凝土建筑物運(yùn)行環(huán)境惡劣，建議隨工程建設(shè)完成預(yù)防護(hù)施工，讓工程在“鎧甲”的保護(hù)下健康運(yùn)行，會(huì)明顯提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命；在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)加入預(yù)防護(hù)設(shè)計(jì)，改變水工混凝土設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)“重結(jié)構(gòu)、輕防護(hù)”現(xiàn)象，從根本上保證工程防護(hù)環(huán)節(jié)資金來(lái)源；建議根據(jù)工程運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，加強(qiáng)防護(hù)新措施、新工藝、新材料的研究和應(yīng)用。fffffd

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DiscussiononApplyingSurfacePre-protectionTechnologyofHydraulicConcreteBuildingsinAlpineRegion

WANG Kuifeng, XU Zhilin, ZHANG Yongxian

(LiaoningWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Shenyang110003,China)

In the paper, the hydraulic concrete structure in alpine regions is regarded as the background. Protection measures and protection material selection principles aiming at many defects in the concrete structure are summarized. Defect types and reasons of hydraulic concrete buildings in North are mainly analyzed. Pre-protection concept of hydraulic concrete structures is proposed. The importance and feasibility of hydraulic concrete building Pre-protection are validated through single-parameter numerical simulation calculation, thereby providing guidance and reference for durability design, construction, etc. of hydraulic concrete buildings in alpine regions.

alpine region; water conservancy project; Pre-prevention; technology

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.003

TV431

：A

：1673-8241(2017)08-0009-04