水工混凝土缺陷和破壞的成因分析與修復(fù)方法

丁清杰,王亞飛

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 水工混凝土缺陷和破壞類型

水工混凝土的質(zhì)量缺陷是混凝土施工過程中常見的質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)為蜂窩、麻面、露筋、孔洞、裂縫和滲漏[1-5]。基于混凝土的施工方面、設(shè)計方面及混凝土材料自身三大因素作用下，混凝土在澆筑、凝結(jié)和使用過程中容易形成各種缺陷，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度等級下降。

運行過程中產(chǎn)生的混凝土破壞主要表現(xiàn)為剝蝕，是由沖蝕磨損、氣蝕、凍融剝蝕、碳化和鋼筋銹蝕、化學(xué)侵蝕、堿骨料反應(yīng)等原因造成混凝土出現(xiàn)磨損、坑槽、掉塊等現(xiàn)象[6-9]。

2 水工混凝土缺陷成因

2.1 混凝土蜂窩、麻面、露筋、孔洞等缺陷的要因

混凝土澆筑過程中，需嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，否則容易產(chǎn)生混凝土蜂窩、麻面、露筋、孔洞等缺陷。例如，模板安裝不牢固、不嚴(yán)密，表面不潔凈、欠光滑；混凝土原材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，骨料級配設(shè)計不合理，混凝土拌和計量有誤；澆筑時振搗有欠振、過振、漏振現(xiàn)象，澆筑方式不妥當(dāng)形成骨料分離；養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)仁┕すに嚳刂撇粐?yán)均會形成不同類型的混凝土缺陷[10-12]。

2.2 混凝土裂縫形成的原因

水工混凝土建筑物的裂縫非常普遍且常見?；炷潦且环N多相復(fù)合脆性材料，凝結(jié)后的混凝土有許多微孔隙、氣穴和微裂縫，當(dāng)混凝土受到載荷、溫差、干縮、地基變形、水泥水化熱溫升等作用時[13-14]，混凝土拉應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度，混凝土微裂縫就會不斷發(fā)展和連通成為宏觀裂縫。裂縫經(jīng)常也會引起其他混凝土質(zhì)量缺陷和破壞的產(chǎn)生與發(fā)展。

3 水工混凝土破壞成因

水工混凝土剝蝕破壞是由于環(huán)境條件(水、氣、溫度、介質(zhì))與混凝土表面及其內(nèi)部的水化產(chǎn)物、骨料、外加劑、鋼筋相互之間發(fā)生的物理、化學(xué)的一系列復(fù)雜作用[14]，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足以抵抗破壞應(yīng)力所形成的破壞。按剝蝕破壞機(jī)理分類，主要包括凍融破壞、沖磨與空蝕、鋼筋銹蝕以及水質(zhì)侵蝕四種類型[6，15-18]。

3.1 凍融破壞

混凝土內(nèi)部有許多毛細(xì)孔，孔內(nèi)的自由水在低溫下冷凍結(jié)冰會產(chǎn)生很大的膨脹壓力，導(dǎo)致混凝土材料產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，從而降低強(qiáng)度，當(dāng)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微裂不斷擴(kuò)展連通即產(chǎn)生表面的剝落破壞。影響混凝土的抗凍融性因素有很多，包括水灰比、含氣量、氣泡的類型、水泥類型及骨料等各種原材料性質(zhì)的差異的內(nèi)部因素和水結(jié)冰的速度、溫度的高低、凍融介質(zhì)等外部因素以及施工因素三類。其中，外部因素是形成水工混凝土凍融破壞的主要因素[19]。

3.2 沖磨和空蝕破壞

沖磨蝕破壞是指水工混凝土過流面在含砂石水流的相互摩擦和沖擊碰撞下所導(dǎo)致的混凝土破壞?；炷翉?qiáng)度不足以抵抗不同粒徑的固體介質(zhì)沖擊時，連續(xù)不規(guī)則的沖刷與沖擊會使混凝土表面出現(xiàn)磨蝕坑，惡性循環(huán)逐步導(dǎo)致混凝土內(nèi)部剝離、落骨等。沖磨破壞有單純高速水流沖刷磨損、破壞和攜砂石水流的推移質(zhì)以及懸移質(zhì)沖刷磨損、破壞。沖磨破壞與泄水水流的流速、流態(tài)以及固體介質(zhì)的數(shù)量、粒徑、形狀和運動方式等有關(guān)[20]。

空蝕(氣蝕)破壞是由于高速水流形態(tài)的突然變化，在局部產(chǎn)生的真空負(fù)壓導(dǎo)致水氣化形成空穴(氣泡)，當(dāng)其運行到高壓區(qū)時又迅速破滅，在高強(qiáng)壓下于混凝土表面形成微射流的沖擊力所帶來的破壞。沖磨蝕破壞往往會誘發(fā)空蝕破壞。

3.3 鋼筋銹蝕破壞

在混凝土生產(chǎn)過程中會形成大量的Ca(OH)2，在鋼筋混凝土表面形成一層致密的鈍化保護(hù)層。環(huán)境中的CO2、O2、水、氯離子(Cl-)向混凝土內(nèi)部的滲透、遷移會引起鋼筋保護(hù)膜局部腐蝕，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使鐵變成鐵銹(氫氧化鐵)[21]。鐵銹的體積比原來鐵的體積增長了2～4倍，從而使鋼筋體積增大，使原來致密的混凝土保護(hù)層開裂和脫落，而脫落加速了鋼筋進(jìn)一步銹蝕。這一化學(xué)反應(yīng)惡性循環(huán)下去，使構(gòu)建物外部混凝土大量剝落、鋼筋截面積不斷減小，從而降低鋼筋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性能，影響構(gòu)建物的安全運行。

3.4 水質(zhì)侵蝕

水質(zhì)侵蝕導(dǎo)致的混凝土破壞是水中的可溶性侵蝕介質(zhì)通過混凝土空隙滲透擴(kuò)散到混凝土中，再與混凝土內(nèi)部的水泥水化產(chǎn)物或其它組分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)和一系列的物理化學(xué)聯(lián)合作用，在混凝土內(nèi)部形成難溶于水的膨脹性產(chǎn)物或可溶性好的反應(yīng)產(chǎn)物，致使混凝土產(chǎn)生脹裂剝蝕或溶出性剝蝕。一般水工混凝土在水質(zhì)作用下產(chǎn)生三種類型的侵蝕破壞：①結(jié)晶性侵蝕(硫酸鹽)，屬膨脹型破壞；②分解性侵蝕破壞(酸性介質(zhì))；③分解、結(jié)晶復(fù)合型破壞(多種侵蝕介質(zhì))。結(jié)晶性侵蝕是硫酸鹽離子與混凝土反應(yīng)生成難溶于水且體積易膨脹的的鈣礬石和硫酸鈣，當(dāng)混凝土的抗拉能力不足以抵抗不斷增大的膨脹應(yīng)力時，混凝土?xí)霈F(xiàn)開裂、剝落[21]。分解性侵蝕是酸性介質(zhì)會促使混凝土中的水化硅酸鈣和氫氧化鈣等溶出，從而引起水泥水化產(chǎn)物分解、硬化后的水泥石出現(xiàn)軟化，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度和粘接性降低，最后混凝土出現(xiàn)破壞。如果混凝土中骨料采用石灰?guī)r碎石，酸性介質(zhì)還會與骨料反應(yīng)可生成可溶性物質(zhì)，使骨料受侵。酸性介質(zhì)侵蝕破壞是泄水建筑物混凝土侵蝕破壞的最主要形式。

4 水工混凝土缺陷的修復(fù)方法

4.1 混凝土紗線、麻面、氣孔處理

混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的紗線，一般采用電動角磨機(jī)磨平處理即可。

混凝土麻面處理一般是打磨鑿除松動顆粒至密實混凝土，高壓風(fēng)清除浮塵，表面采用環(huán)氧膠泥等薄層修補(bǔ)材料修補(bǔ)，修補(bǔ)厚度一般小于2mm。

混凝土氣孔產(chǎn)生后，如果按照要求需要填補(bǔ)混凝土表面氣孔，宜選用不易流掛的環(huán)氧膠泥處理，作業(yè)時可大面積涂刮。無氣孔混凝土表面材料可按要求涂刮2mm以下或全部刮走直至表面無涂層，將材料填進(jìn)氣孔即可；也可只對氣孔進(jìn)行點補(bǔ)。

4.2 混凝土蜂窩、孔洞、錯臺修復(fù)

在混凝土蜂窩、孔洞缺陷基礎(chǔ)表面劃定修補(bǔ)區(qū)，在修補(bǔ)區(qū)四周劃成正方形、長方形或梯形等相對規(guī)則的圖形，沿線進(jìn)行切割處理，切割深度0.5～1cm。切割完成后鑿除與基礎(chǔ)混凝土同一平面的混凝土，鑿除深度0.5～2cm。清除待修復(fù)區(qū)基面上蜂窩、孔洞處的松動顆粒及不密實部位，外露新鮮密實骨料。若修復(fù)區(qū)外露鋼筋等構(gòu)件，應(yīng)鋸除并低于原混凝土基礎(chǔ)面；若表層存在油漬，可采取明火噴烤、鑿除或丙酮、乙醇等有機(jī)溶劑擦拭等措施處理潔凈；若有滲漏水現(xiàn)象，需進(jìn)行止水堵漏。

對于錯臺部位，高出混凝土平面部分需要鑿除磨平處理，低凹部分需要選用合適的修補(bǔ)材料修補(bǔ)回填至與混凝土整體平齊；

適用于以上缺陷的修補(bǔ)材料種類繁多，包括水泥砂漿、丙乳砂漿、BAC砂漿、傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿、彈性環(huán)氧砂漿、環(huán)氧玻璃絲布(玻璃鋼)、改性環(huán)氧砂漿、水下環(huán)氧砂漿等。

4.3 混凝土裂縫修復(fù)

(1)表面處理法：包含表面涂抹法和表面覆蓋法。表面涂抹法適用于修補(bǔ)建筑物表層細(xì)微裂縫，不漏水、不伸縮的裂縫，可以用水泥、改性瀝青、NE環(huán)氧涂料等材料涂抹在裂隙表面。表面覆蓋法通過在構(gòu)建物表面粘貼鋼板、碳纖維等進(jìn)行修補(bǔ)及加固，大面積漏水淺裂縫通過貼補(bǔ)土工膜或其他防水片進(jìn)行防滲堵漏。

(2)填充法：裂縫寬度大于0.3mm時，直接將水泥、環(huán)氧膠泥等修補(bǔ)材料填充裂縫；寬度小于0.3mm，深度較淺且對建筑物無危害的表層裂縫，可沿著縫隙開鑿V型槽，采用環(huán)氧膠泥、聚合物砂漿等填充。如果表面過水，填充后再用環(huán)氧基液涂面或者噴涂致密高強(qiáng)的水泥砂漿以達(dá)到防滲抗裂。

(3)壓力灌漿法：關(guān)于深層寬大裂縫，采用固體顆粒灌漿法(水泥、瀝青、黏土等)和化學(xué)灌漿法進(jìn)行修復(fù)處理，前者通常適用于寬裂縫?；瘜W(xué)灌漿法根據(jù)用途不同，大致分兩大類：一種是防滲堵漏類，包括水性聚氨酯、彈性聚氨酯、丙烯酸鹽類、水玻璃等；是加固補(bǔ)強(qiáng)類，有環(huán)氧樹脂、甲凝、油溶性聚氨酯等。

5 水工混凝土破壞的修復(fù)方法

5.1 沖蝕坑槽、剝蝕掉塊修復(fù)

水工混凝土產(chǎn)生一般沖蝕坑槽、局部剝蝕掉塊現(xiàn)象時，可采用混凝土常規(guī)缺陷處理的方法進(jìn)行修補(bǔ)回填，對沖蝕掉塊面積面積超過2m2或深度超過30cm的沖蝕坑槽，可采取比原混凝土強(qiáng)度高出一個級次的混凝土澆筑回填，并布設(shè)錨筋焊接鋼筋網(wǎng)，澆筑混凝土之前涂刷界面粘接劑，以保證新澆筑體與原混凝土粘接牢固。

鋼筋銹蝕破壞產(chǎn)生的剝蝕掉塊，應(yīng)鑿除銹蝕鋼筋周圍混凝土，并對鋼筋除銹。鋼筋除銹后可采用鋼筋表面涂刷防銹漆(劑)然后回填修補(bǔ)材料的方式，也可采用對鋼筋中的離子不產(chǎn)生置換的材料進(jìn)

行回填修補(bǔ)，后一種方式可省去鋼筋表面涂刷防銹漆(劑)工序[22]。

5.2 氣蝕破壞修復(fù)

水工混凝土因氣蝕產(chǎn)生破壞時，若破壞強(qiáng)度和范圍較大，需考慮改造、改進(jìn)摻氣設(shè)施，盡可能找出產(chǎn)生氣蝕的原因并予以解決，然后使用比原混凝土高出1～2個級次以上的高強(qiáng)修補(bǔ)材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。如果不具備改善摻氣設(shè)施的條件，修補(bǔ)處理時建議采用植筋掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，使用強(qiáng)度等級80MPa以上的高強(qiáng)抗沖蝕修補(bǔ)材料回填修補(bǔ)。

5.3 沖磨損破壞修復(fù)

水工混凝土表面沖磨損破壞，致使骨料裸露、普遍沖磨蝕深度大于3mm并伴隨有沖蝕坑槽時，需進(jìn)行表面抗沖磨蝕層保護(hù)施工。目前國內(nèi)大部分?jǐn)y沙石、高流速過水建筑物抗沖磨蝕保護(hù)大部分采用改性NE系列環(huán)氧砂漿[20]。如：小浪底水利樞紐孔板洞、明流洞、排沙洞——以懸移質(zhì)(攜沙水流)沖磨破壞為主；四川二灘電站泄洪洞——以高流速(設(shè)計最高流速42m/s)沖磨、氣蝕破壞為主；四川紫坪鋪水利樞紐泄洪洞、排砂放空洞、溢洪道——以高流速(設(shè)計最高流速45m/s)沖蝕破壞為主；四川映秀灣電站閘首底板——以推移質(zhì)沖磨破壞為主；黃河拉西瓦水電站水墊塘(2012年4—5月抗沖磨施工)——以高水頭(落差111m)沖擊磨損破壞為主。以上所列工程基本上涵蓋了國內(nèi)各種水工建筑物過流面的沖磨蝕破壞情況，使用NE系列環(huán)氧砂漿進(jìn)行大面積抗沖磨蝕保護(hù)層修復(fù)后，據(jù)調(diào)查運行效果良好。見表1。

表1 部分水電站過流面表面抗沖磨修復(fù)調(diào)查統(tǒng)計表

6 結(jié)語

水工混凝土缺陷和破壞的存在是影響構(gòu)筑物安全的潛在隱患，這一普遍現(xiàn)象也是很多運行管理單位需亟待解決的實際問題。本文對水工混凝土缺陷和破壞的成因及其修復(fù)方法進(jìn)行了剖析，并結(jié)合工程案例對抗沖磨修復(fù)效果進(jìn)行了簡要總結(jié)，認(rèn)為要在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上消除誘發(fā)缺陷和破壞的主要因素難度較大，且仍有一些病險水庫因影響因素較多且較雜，目前沒有合適的處理方法。我們需要深入研究缺陷檢測、評估方法和高性能抗沖磨材料，不斷探索更為有效的修復(fù)技術(shù)和預(yù)防措施，降低水工建筑物的破壞、提高混凝土建筑物的結(jié)構(gòu)耐久性和使用壽命。