大型灌區(qū)渡槽病害處理及降糙防護(hù)技術(shù)研究

南江江

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024)

國(guó)內(nèi)目前有大中型灌區(qū)5600多處，大型引調(diào)水工程數(shù)十處，隨著早期工程運(yùn)行年限的增加，大型灌區(qū)及調(diào)水工程中的各種不同類型的建筑物(如渡槽、隧洞、箱涵、水閘、管道、泵站等)均將出現(xiàn)不同程度的老化病害問(wèn)題，且不斷加劇，對(duì)工程安全和效益的發(fā)揮影響越來(lái)越大。如何在基本不影響工程正常供水的前提下，采用何種性能優(yōu)越的防滲材料對(duì)老化混凝土進(jìn)行修復(fù)及表面耐久性防護(hù)顯得尤為重要，所以材料的選擇和嚴(yán)格的處理技術(shù)就成為混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)防護(hù)成敗的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)對(duì)禹門口灌區(qū)渡槽病害檢測(cè)評(píng)估和機(jī)理研究，提出了一套系統(tǒng)性水工混凝土修補(bǔ)加固及防護(hù)技術(shù)方案。

1 渡槽的病害問(wèn)題

禹門口灌區(qū)工程14座輸水渡槽均為U形薄殼結(jié)構(gòu)，槽殼直徑3.6m，槽深2.7m，跨長(zhǎng)10～15m，壁厚14cm。槽身采用R300號(hào)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支于兩端排架上，槽身頂部設(shè)拉梁，中間設(shè)寬人行走道，槽身由鋼筋混凝土排架支撐。

禹門口灌區(qū)渡槽已運(yùn)行20余年，建筑物的老化病害現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為混凝土剝落、凍融剝蝕、鋼筋外漏銹蝕、混凝土嚴(yán)重碳化、伸縮縫止水老化滲水漏水等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程輸水安全，需對(duì)其進(jìn)行修復(fù)加固。并且本渡槽又增加了為山西省大水網(wǎng)禹門口東擴(kuò)工程的輸水任務(wù)，輸水流量需達(dá)到18m3/s。而原輸水能力僅有14m3/s，需要找到一種低成本、高效率的改造方式，來(lái)修復(fù)加固渡槽并能提高其過(guò)流能力。

2 混凝土剝蝕修補(bǔ)處理技術(shù)

2.1 混凝土剝蝕機(jī)理

薄壁結(jié)構(gòu)混凝土極易受到凍融破壞，主要破壞機(jī)理為：混凝土中的孔隙水在溫度降低至零攝氏度以下結(jié)冰時(shí)，體積膨脹產(chǎn)生的膨脹力會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，在反復(fù)凍融造成的疲勞破壞及鋼筋銹脹的同時(shí)作用下，最終會(huì)導(dǎo)致表層的混凝土大面積剝蝕，因此修復(fù)已剝蝕的混凝土，同時(shí)必須加強(qiáng)混凝土表層的防護(hù)。

2.2 改性水泥砂漿的特點(diǎn)

改性水泥砂漿是乳膠和水泥砂漿的一種聚合物。其中的乳膠脫水后形成的膠粒，充填了水泥砂漿間的孔隙，提高了聚合物的密實(shí)性，加強(qiáng)了粘結(jié)性和延展性。與普通水泥砂漿相比，改性水泥砂漿的強(qiáng)度高、滲透性低、粘接力大，因此改性水泥砂漿適合對(duì)受剝蝕的混凝土表面進(jìn)行修補(bǔ)。

由于聚合物水泥砂漿良好的抗?jié)B性，較高的抗折強(qiáng)度及其良好的適應(yīng)變形能力，因此作為高等級(jí)水泥混凝土建筑修補(bǔ)材料，不但減少了水泥混凝土面層的開(kāi)裂，延長(zhǎng)了使用壽命。相對(duì)普通混凝土或砂漿，聚合物則對(duì)水泥砂漿改性后改善了其脆性大、干縮變形大、抗腐蝕性不佳等特點(diǎn)，并使聚合物水泥材料向柔性材料方向發(fā)展。

聚合物改性纖維水泥砂漿的材料配比：改性丙烯酸酯類乳液∶水泥∶砂∶水∶減水劑∶纖維∶消泡劑=20%∶1∶2∶2.8%∶0.7%∶0.25%∶0.2%，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥。其主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 聚合物纖維水泥砂漿主要物理力學(xué)指標(biāo)表

2.3 工藝技術(shù)

(1)采用電錘將剝蝕混凝土及劣質(zhì)混凝土等鑿除，邊沿盡可能垂直且呈凸多邊形，深度以至堅(jiān)固基面并不少于1cm控制。

(2)對(duì)銹蝕的鋼筋先除銹，再刷防銹劑。

(3)對(duì)處理面用高壓水沖洗干凈。

(4)沖洗后的基面保持潮濕狀態(tài)，但不得有積水，先涂刷一層聚合物水泥凈漿(乳液∶水泥=1∶2)，涂刷均勻后即可進(jìn)行聚合物纖維水泥砂漿施工。

(5)待表面不粘手時(shí)，刷一層聚合物水泥凈漿封閉表面空隙，采用塑料薄膜覆蓋保濕，1d后進(jìn)行噴霧保濕養(yǎng)護(hù)。

3 伸縮縫的修復(fù)處理技術(shù)

3.1 伸縮縫老化失效機(jī)理

現(xiàn)狀渡槽伸縮縫預(yù)留槽底部粘貼三層玻璃絲布，縫內(nèi)上部采用聚氯乙烯膠泥填平，具體做法如圖1所示。改造前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量伸縮縫最大縫寬5cm，最大變形位移2cm，伸縮縫表層膠泥被扯斷裂，縫內(nèi)外側(cè)瀝青麻絲脫落致使玻璃絲布風(fēng)化老化，造成渡槽伸縮縫處不同程度滲水、漏水、冬季輸水掛冰現(xiàn)象，危及渡槽安全。

圖1 渡槽伸縮縫改造前大樣圖

3.2 伸縮縫的修復(fù)方案

結(jié)合禹門口灌區(qū)渡槽工程的特點(diǎn)及要求，為了保證渡槽伸縮縫能夠適應(yīng)微小轉(zhuǎn)動(dòng)或不均勻沉降的變形功能及止水效果，采用預(yù)留槽內(nèi)嵌入能夠適應(yīng)較大變形的U形FZ型復(fù)合橡膠止水帶。為保障上部聚合物纖維水泥砂漿與止水帶的良好結(jié)合，止水帶上部表層掛一層鋼絲網(wǎng)，在鋼絲網(wǎng)表面槽內(nèi)填充聚合物纖維水泥砂漿。為了防止縫內(nèi)填充的瀝青麻絮風(fēng)化老化，在伸縮縫底部采用柔性的厚3cm的雙組份聚硫密封膏對(duì)伸縮縫外側(cè)進(jìn)行密封保護(hù)。伸縮縫改造方案如圖2所示。橡止水帶采用FZ型復(fù)合型止水帶，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖2 渡槽伸縮縫改造后大樣圖

表2 橡膠止水帶技術(shù)指標(biāo)表

該止水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：①采用預(yù)留槽內(nèi)嵌入能夠適應(yīng)較大變形的U形FZ型復(fù)合橡膠止水帶，止水帶中部的U形槽尺寸根據(jù)接縫變形設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)槽身微小轉(zhuǎn)動(dòng)或不均勻沉降的變形；②橡膠止水帶嵌埋在聚合物水泥砂漿和瀝青麻絮中間，可以增加其耐久性；③止水帶上部表層粘掛一層鋼絲密目網(wǎng)，可以增加聚合物纖維水泥砂漿與止水帶的良好結(jié)合；④伸縮縫底部采用柔性的厚3cm的雙組份聚硫密封膏對(duì)伸縮縫外側(cè)進(jìn)行密封保護(hù)，防止瀝青麻絮風(fēng)化脫落；⑤采用U形FZ型復(fù)合橡膠止水帶結(jié)合柔性良好的雙組份聚硫密封膏和性能優(yōu)越的SK手刮聚脲三重柔性防護(hù)止水結(jié)構(gòu)形式，提高防滲止水保障。

3.3 工藝技術(shù)

(1)將縫內(nèi)雜物清理干凈，沖洗干凈并保持混凝土面干燥，采用聚合物水泥砂漿對(duì)基層混凝土表面修補(bǔ)整平。

(2)伸縮縫槽內(nèi)底部粘貼U型橡膠止水帶，在止水帶外側(cè)用聚合物砂漿坐漿掛鋼絲網(wǎng)，再在預(yù)留槽內(nèi)填充聚合物纖維水泥砂漿至密實(shí)并表面平整。

(3)在填充的聚合物纖維水泥砂漿表面及兩側(cè)手刮SK單組份聚脲，涂層寬度40cm、厚度不小于4mm(中間厚、兩側(cè)薄)，手刮聚脲應(yīng)在界面劑允許的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行施工，應(yīng)均勻、平整、光滑。

(4)伸縮縫內(nèi)嵌入的U型橡膠止水帶外側(cè)采用瀝青麻絮填塞密實(shí)，最外側(cè)采用厚3cm的雙組份聚硫密封膏填壓密實(shí)。

4 槽身內(nèi)壁降糙處理技術(shù)

選擇一種具有可靠的防滲性、柔韌性、抗沖磨、優(yōu)良耐久性和環(huán)境友好的低糙率表面防護(hù)涂料，通過(guò)降低渡槽過(guò)流斷面的糙率來(lái)提高渡槽的過(guò)流能力，是一種低成本、高效率的改造方式。

4.1 單組份聚脲材料的特點(diǎn)

通過(guò)室內(nèi)材料性能試驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)，單組份聚脲材料的特點(diǎn)：①施工不需要人工配比，固化過(guò)程中，無(wú)CO2產(chǎn)生，修補(bǔ)表面不會(huì)有氣泡，可以任意厚度成膜，材料質(zhì)量易保證不需要專門的設(shè)備，分層施工能保證涂層厚度的均勻性，可以多個(gè)工作面同時(shí)施工，提高工作效率；②單組份聚脲材料為脂肪族，耐老化性能好，不變色；③在室溫或-45℃低溫環(huán)境下，與基層混凝土粘接強(qiáng)度相差不大；④凍融循環(huán)300次前后粘結(jié)強(qiáng)度均大于3MPa；⑤在低溫環(huán)境下仍具有良好的柔性，在-45℃拉斷伸長(zhǎng)率為144%；⑥圓環(huán)高速水流沖刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聚脲涂層抗沖磨性能非常優(yōu)異，是C50混凝土材料的100倍以上；⑦無(wú)毒，對(duì)水質(zhì)無(wú)污染。

單組份聚脲主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 單組份聚脲主要物理力學(xué)指標(biāo)表

4.2 降糙防護(hù)機(jī)理

渡槽內(nèi)壁混凝土保護(hù)層厚度欠缺，在碳化及水中腐蝕性離子的影響下，內(nèi)部鋼筋產(chǎn)生銹蝕、膨脹，進(jìn)而引發(fā)表層混凝土的剝落，因此對(duì)于渡槽這種薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)表層防護(hù)是非常關(guān)鍵的，能夠阻滯鋼筋銹蝕的發(fā)展，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。渡槽槽身為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，糙率為0.014，而試驗(yàn)結(jié)果表明單組份手刮聚脲材料的糙率僅為0.0089～0.0097。槽身內(nèi)壁涂刮聚脲涂層后，一是表面比較光滑，二是聚脲材料是憎水性材料，在降低過(guò)流表面糙率的同時(shí)，對(duì)混凝土表面能夠起到很好的防護(hù)作用。改造后的渡槽糙率為0.01，經(jīng)過(guò)流能力復(fù)核，現(xiàn)渡槽斷面尺寸即可滿足流量18m3/s的要求。

4.3 工藝技術(shù)

(1)底層處理。對(duì)修補(bǔ)完成后的槽身內(nèi)壁用角磨機(jī)對(duì)表面進(jìn)行全面打磨沖洗并風(fēng)干。

(2)刷界面劑。在混凝土表面均勻涂刷界面劑。

(3)手刮SK單組份聚脲涂層。手刮聚脲時(shí)間要在界面劑初始固化(沾手而不拉絲時(shí))時(shí)涂刮第一遍手刮聚脲，后序涂刮應(yīng)在前一道涂刮表干后進(jìn)行，大面積聚脲刮涂遍數(shù)3～4遍，直至達(dá)到設(shè)計(jì)厚度2mm，聚脲應(yīng)單向均勻涂刮，兩次涂刷手刮聚脲作業(yè)面之間的搭接寬度應(yīng)不小于50mm。手刮聚脲之間停歇時(shí)間大于一天以上或有水，需要底層聚脲表面刷一遍活化劑。

(4)養(yǎng)護(hù)。聚脲涂刮完成后，12h內(nèi)不要有水浸泡，大于5℃氣溫常溫養(yǎng)護(hù)72h。

5 混凝土防碳化處理技術(shù)

5.1 混凝土碳化機(jī)理

混凝土碳化是混凝土中Ca(OH)2與空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3，混凝土pH值逐漸降低，只有在強(qiáng)堿性環(huán)境中才能穩(wěn)定存在的鋼筋表面的鈍化膜，當(dāng)混凝土pH值降低到一定值時(shí)，鈍化膜分解破壞，失去了對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，導(dǎo)致鋼筋生銹膨脹，致使表層混凝土開(kāi)開(kāi)裂剝落。運(yùn)行20余年的禹門口灌區(qū)渡槽混凝土多處碳化深度已達(dá)鋼筋層，造成混凝土大面積剝落，已失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用。經(jīng)檢測(cè)，對(duì)渡槽混凝土結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行防碳化處理，可大大延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。

5.2 混凝土防碳化方案

目前，國(guó)內(nèi)水利工程防碳化處理多采用涂層封閉法，渡槽內(nèi)壁采用單組份聚脲涂層進(jìn)行了全面防滲降糙的同時(shí)，已具備了防碳化功能；對(duì)于渡槽外壁和排架，由于不長(zhǎng)期接觸水，選用柔性聚合物水泥防水涂料。防碳化涂料有多種，如改性VAE、PCS、SK-優(yōu)龍等，均具有較好的防碳化效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用情況，柔性的VAE防碳化涂料防滲性能優(yōu)異、耐候性好，施工簡(jiǎn)便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

由于槽身及排架的混凝土碳化速度較快，為了延緩發(fā)展，提高混凝土耐久性，考慮在結(jié)構(gòu)表面涂刷柔性的改性VAE防碳化涂層，可提高混凝土防碳化能力10倍。各層改性VAE防碳化防碳化材料的配比見(jiàn)表4，主要物理力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表4 改性VAE防碳化涂料配比

表5 改性VAE防碳化涂層主要物理力學(xué)指標(biāo)表

5.3 工藝技術(shù)

(1)基底混凝土處理。將損壞的混凝土清除干凈，采用聚合物纖維水泥砂漿對(duì)混凝土構(gòu)件殘缺部分進(jìn)行修補(bǔ)復(fù)原，全面打磨清洗干凈并充分風(fēng)干。

(2)噴涂或輥涂防碳化涂料。在混凝土表面涂刷4遍改性VAE防碳化涂層，每一遍涂層表面風(fēng)干后，才可噴下一遍，涂層總厚度不小于1mm，噴涂要均勻光滑。

6 結(jié)語(yǔ)

禹門口灌區(qū)渡槽加固后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，混凝土彈性模量相對(duì)加固前提高29%，說(shuō)明修補(bǔ)加固對(duì)渡槽性能改善效果明顯。修補(bǔ)加固后，渡槽設(shè)計(jì)水位運(yùn)行一天可多輸水近28萬(wàn)m3，過(guò)流能力顯著提高，具有重大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。通過(guò)維修改造、降糙防護(hù)處理，渡槽工程煥然一新，相關(guān)病害問(wèn)題已消除，經(jīng)過(guò)6a的運(yùn)行檢驗(yàn)，無(wú)滲漏水現(xiàn)象，處理效果依然良好。

選用有效的修補(bǔ)材料、合適的材料配合比及嚴(yán)格的工藝技術(shù)是混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)工作成敗的關(guān)鍵。禹門口渡槽系統(tǒng)性的修補(bǔ)加固防護(hù)處理技術(shù)方案為水工混凝土工程尤其是薄壁混凝土工程的修補(bǔ)加固、防護(hù)及提高過(guò)流能力積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，值得類似工程借鑒和推廣。