基于北方地區(qū)水工混凝土病害與修復技術研究

董艷青

(盤錦市盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124100)

北方地區(qū)的水工混凝土結構既要承受安全組合荷載又面臨著特殊氣候環(huán)境侵蝕，如大氣碳化、干濕循環(huán)破壞、凍融破壞、高礦化度灌溉回歸水和土壤鹽分離子侵蝕等作用的影響，從而導致水工混凝土出現(xiàn)碳化、沖磨、空蝕、凍脹、堿骨料反應以及裂縫等侵蝕破壞，水利工程安全運行受到嚴重的影響，這在很大程度上阻礙了工程效益的充分發(fā)揮。為了保證北方地區(qū)水工混凝土結構的耐久性及強度，從根本上消除運行過程中的安全隱患，必須定期修補水工混凝土結構[1-3]。因此，針對北方地區(qū)的水工混凝土病害類型，有必要全面分析各病害成因，在此基礎上提出行之有效的修復技術，為其他工程的維修養(yǎng)護和更新改造提供技術支持。

1 水工混凝土常見病害類型

1.1 結構裂縫

裂縫在很大程度上決定著工程結構的耐久性，按裂縫深淺劃分成表面、深層和貫穿裂縫，按裂縫形態(tài)分為放射形、斜向、橫縱向、水平與垂直裂縫，按成因可分為施工、變形和外荷載裂縫等[4]。

一般地，水工混凝土結構產(chǎn)生裂縫的成因主要有：①堿性物質(zhì)與活性骨料發(fā)生反應，并導致混凝土膨脹開裂；②混凝土塑性塌落導致厚度較大構件產(chǎn)生裂縫；③混凝土硬化和外部約束作用所形成的裂縫；④混凝土澆筑產(chǎn)生水化熱，內(nèi)外溫差過大導致結構變形或形成裂縫；⑤運行時承受過載或不均勻沉降導致混凝土產(chǎn)生裂縫。

1.2 碳化破壞

水工混凝土結構長期與大氣接觸，結構內(nèi)部孔隙滲入大氣中的CO2，其溶解于水分后與凝膠材料發(fā)生物理、化學反應產(chǎn)生鈣礬石等物質(zhì)，并使得水工混凝土強度明顯下降。此外，混凝土內(nèi)部孔隙溶液的pH值不斷減小，鋼筋表面的鈍化膜逐漸腐蝕，進一步導致鋼筋銹蝕膨脹，混凝土逐漸剝離開裂，結構耐久性受到嚴重影響。具體而言，水泥水化產(chǎn)生大量的Ca(OH)2，鋼筋在堿性環(huán)境中其表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜。大氣中的氯離子(Cl-)、水、O2、CO2等向混凝土內(nèi)部遷移滲透并發(fā)生電化學反應，造成鈍化膜的局部腐蝕，經(jīng)一系列復雜反應鐵轉(zhuǎn)變成鐵銹。與原來鐵的體積相比，鐵銹的體積增加2-4倍，鋼筋體積的增大使得原來致密的混凝土表面脫落或開裂，混凝土脫落又進一步加速鋼筋的銹蝕。這種惡性循環(huán)的化學反應導致鋼筋截面面積不斷減小，結構外部混凝土大量剝落，鋼筋結構的耐久性和力學性能明顯降低，對構筑物的安全運行造成不利的影響。

1.3 凍脹破壞

北方地區(qū)渠道襯砌混凝土受季節(jié)及晝夜溫差大、干旱少雨等因素影響易產(chǎn)生嚴重的凍脹破壞現(xiàn)象[5]，其表現(xiàn)形式有：①預制襯砌板破壞，受地基變形作用混凝土底板與渠道邊坡結合處出現(xiàn)滑塌、鼓脹現(xiàn)象，預制混凝土板發(fā)生破壞；②塌陷與隆起，混凝土渠道地基受地下水位、溫度等因素變化易出現(xiàn)塌陷或隆起，并進一步導致襯砌板的破損；③現(xiàn)澆混凝土板破裂，外界溫度過低時澆筑混凝土板易形成裂縫，隨時間推移裂縫將逐漸蔓延。

總體上，可以將引起渠道襯砌混凝土凍脹破壞的成因歸結為3類，即氣溫低于0℃、襯砌基土屬于凍脹土類、渠基土入冬前含水量>起始凍脹值。

1.4 沖磨與空蝕

在高速水流和水流中泥沙的空蝕、磨損長期作用下，北方地區(qū)的過水構筑物局部表面易出現(xiàn)鋼筋及粗骨料外露、凹痕麻面等破壞，如倒虹吸、壓力前池、閘門、涵管、渡槽等。

1.5 堿骨料反應

水工混凝土往往含有許多的堿性物質(zhì)，這些堿性物質(zhì)易與骨料中的氧化硅等發(fā)生反應，生成的吸水膨脹凝膠易導致混凝土強度的下降[6]。

2 水工混凝土施工修復技術

2.1 渠道輸水防滲修復

為解決北方地區(qū)因凍脹引起的渠道襯砌混凝土破壞問題，提出渠道輸水防滲修復技術，其主要工藝流程如下：

①清淤拆板：清理干凈待修復渠道內(nèi)的淤泥，將舊混凝土板按從上至下的順序拆除，并把黏結的泥沙、砂漿清理干凈，拆除過程中要輕拆輕放，拆除后在合適的位置碼放整齊；②開挖削坡：依據(jù)設計的斷面尺寸、渠道中線及渠底高程削坡修正，采用砂石拋填夯實陳倩、滑坡渠段，從而完成換基處理；③渠道襯砌：渠底、渠坡等清理完成后灑水濕潤，整平密實，并將防滲塑料薄膜緊貼基礎鋪設，按先渠底后坡面的原則鋪設保溫板和薄膜預制板，并在此基礎上鋪設混凝土襯砌板與砂漿砂漿，保證襯砌板平整度符合設計要求，并對混凝土板利用C15干硬性細石混凝土勾縫，要求板縫飽滿、光滑、密實；④灑水養(yǎng)護：勾縫12h后灑水養(yǎng)護(≥10d)，考慮設計要求和襯砌混凝土板厚制作伸縮縫，縫內(nèi)澆筑拌好的干硬性水泥砂漿，并做抹平處理。

2.2 外包鋼加固修復

對于北方地區(qū)受力集中且破壞嚴重的管道鎮(zhèn)墩、出水塔等水工建筑物，為修復提升結構承載力、剛度以及防止破壞的進一步擴展可采取型鋼外包箍筋混凝土結構基礎。一般地，有干式和濕式兩種外包鋼加固修復形式，其中干式要求原構件同鋼材無任何黏結，可使用緊固件確保鋼材與混凝土表面的協(xié)同工作，增強兩者的結合力[7-8]。濕式是對鋼材與原構件利用乳膠黏結，從而保證同步協(xié)調(diào)工作能力。外包鋼加固修復技術具有造價較低、施工簡便等優(yōu)點，對提升北方地區(qū)水工混凝土結構安全性和承載力具有較好適用性。

2.3 水下裂縫環(huán)氧樹脂砂漿修復

北方地區(qū)的水利工程結構普遍存在水下裂縫問題，為解決該問題考慮利用環(huán)氧樹脂水泥砂漿。該修復技術具有水下強度損失少、抗離析分散性好、養(yǎng)護期短、允許砂漿帶水施工作業(yè)等優(yōu)勢，實現(xiàn)了混凝土強度與膠黏劑的疊加及水下4-6h初凝，對修復水下裂縫具有較強的適用性。環(huán)氧樹脂砂漿是將水泥、河砂、殼牌828或E51型環(huán)氧樹脂、1085水下固化劑、水等原料按設計重量比拌合而成，其主要施工工藝如下：

①首先查縫定位，鉆孔清孔，然后結合地質(zhì)條件布設適應的灌漿系統(tǒng)，選用合適的灌漿方式，保證縫面與出漿設施、灌漿管路暢通；②按照1∶2的比例均勻混合河砂與水泥，控制水灰比不超過0.35-0.40的范圍，將一定量的環(huán)氧樹脂摻入水泥砂漿內(nèi)，均勻攪拌10min，然后按環(huán)氧樹脂與固化劑1:1的比例將1085型水下固化劑摻入上述砂漿，再次攪拌5min后備用；③將環(huán)氧樹脂砂漿漿液采用連接灌漿泵的方式，自下而上地均勻灌注整個縫面，灌漿過程中若出現(xiàn)冒漿、漏漿現(xiàn)象，可采用低壓間歇灌漿、表面嵌縫、堵縫等處理方法。

2.4 丙乳硅粉鋼纖維砂漿修復

對于潮濕、低溫等惡劣環(huán)境中的閘墩、測強、閘門底板等長期處于臨界水位線、氣蝕磨損、空蝕、水流淘刷、鹽蝕、碳化作用下的水工混凝土結構，可以對破損部位利用丙乳硅粉鋼纖維砂漿修復[9]。丙乳硅粉鋼纖維砂漿是利用丙乳、NSF硅粉劑、銑削型鋼纖維、0.5-2.0cm粒徑的當?shù)厥?、細度模?shù)2.5的天然河砂、P.O 42.5硅酸鹽水泥按一定配合比制成的，較傳統(tǒng)混凝土改善了泌水和離析性能，提高了混凝土早期與最終強度，具體修復工藝如下：

①基面處理：對混凝土表層利用風把鉆機噴砂打毛，然后采用高壓水流沖洗層面至新鮮混凝土露出；②配置砂漿：按設計配合比將原干料投入攪拌機，攪拌均勻后運至施工作業(yè)面，然后把丙乳膠人工攪拌滲入并保證隨拌隨用；③界面劑涂刷：將丙乳凈漿涂抹至鑿毛清洗后的混凝土基層上，對坑洼較大處的受噴面找平，凈漿固結后噴射鋼纖維混凝土砂漿，施工時控制塌落度約為8cm，施工完成后在新澆混凝土砂漿表層鋪設塑料保水薄膜；④灑水養(yǎng)護：砂漿基本固結后滾涂丙乳水泥凈漿，并噴霧養(yǎng)護，砂漿澆筑72h后緩慢浸入養(yǎng)護(≥7d)，蓄水養(yǎng)護后方可投入使用。

綜上分析，針對我國北方地區(qū)水工混凝土常見病害外包鋼筋加固技術、丙乳硅粉鋼纖維混凝土砂漿技術、輸水防滲渠道技術、環(huán)氧樹脂砂漿技術等能夠?qū)嵤┯嗅槍π缘匦迯停畲蟪潭鹊亟档退こ踢\行受水工混凝土結構損壞的影響，實際應用中具有廣闊的應用前景[10-12]。

3 結 語

對于北方地區(qū)特有的氣候環(huán)境水工混凝土結構易受多種病害威脅，通過探討其常見病害成因與機理提出切實可行的修復技術工藝，對于增強水工結構耐久性與安全性，提高混凝土抗侵蝕能力以及改善結構外觀質(zhì)量等具有重要意義。另外，還要加強對水利工程的運行管理和特殊易損部位的監(jiān)測，貫徹執(zhí)行設計預定運行工況，從根本上杜絕超負荷運行、帶病運行等現(xiàn)象，及時科學規(guī)范的處理所發(fā)現(xiàn)的各種問題，最大程度的降低病害發(fā)生概率，保證水工混凝土結構的正常運行，提高其服役年限。