董艷青

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

北方地區(qū)的水工混凝土結(jié)構(gòu)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(dǎo)致水工混凝土出現(xiàn)碳化、沖磨、空蝕、凍脹、堿骨料反應(yīng)以及裂縫等侵蝕破壞，水利工程安全運(yùn)行受到嚴(yán)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(jié)構(gòu)的耐久性及強(qiáng)度，從根本上消除運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患，必須定期修補(bǔ)水工混凝土結(jié)構(gòu)[1-3]。因此，針對(duì)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(chǔ)上提出行之有效的修復(fù)技術(shù)，為其他工程的維修養(yǎng)護(hù)和更新改造提供技術(shù)支持。

1 水工混凝土常見(jiàn)病害類型

1.1 結(jié)構(gòu)裂縫

裂縫在很大程度上決定著工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)，并導(dǎo)致混凝土膨脹開(kāi)裂；②混凝土塑性塌落導(dǎo)致厚度較大構(gòu)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(guò)大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形或形成裂縫；⑤運(yùn)行時(shí)承受過(guò)載或不均勻沉降導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。

1.2 碳化破壞

水工混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期與大氣接觸，結(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生鈣礬石等物質(zhì)，并使得水工混凝土強(qiáng)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(jìn)一步導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，混凝土逐漸剝離開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)耐久性受到嚴(yán)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(xué)反應(yīng)，造成鈍化膜的局部腐蝕，經(jīng)一系列復(fù)雜反應(yīng)鐵轉(zhuǎn)變成鐵銹。與原來(lái)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(lái)致密的混凝土表面脫落或開(kāi)裂，混凝土脫落又進(jìn)一步加速鋼筋的銹蝕。這種惡性循環(huán)的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致鋼筋截面面積不斷減小，結(jié)構(gòu)外部混凝土大量剝落，鋼筋結(jié)構(gòu)的耐久性和力學(xué)性能明顯降低，對(duì)構(gòu)筑物的安全運(yùn)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(yán)重的凍脹破壞現(xiàn)象[5]，其表現(xiàn)形式有：①預(yù)制襯砌板破壞，受地基變形作用混凝土底板與渠道邊坡結(jié)合處出現(xiàn)滑塌、鼓脹現(xiàn)象，預(yù)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(jìn)一步導(dǎo)致襯砌板的破損；③現(xiàn)澆混凝土板破裂，外界溫度過(guò)低時(shí)澆筑混凝土板易形成裂縫，隨時(shí)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(jié)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(zhǎng)期作用下，北方地區(qū)的過(guò)水構(gòu)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(yīng)

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(yīng)，生成的吸水膨脹凝膠易導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的下降[6]。

2 水工混凝土施工修復(fù)技術(shù)

2.1 渠道輸水防滲修復(fù)

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

①清淤拆板：清理干凈待修復(fù)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(jié)的泥沙、砂漿清理干凈，拆除過(guò)程中要輕拆輕放，拆除后在合適的位置碼放整齊；②開(kāi)挖削坡：依據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)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(rùn)，整平密實(shí)，并將防滲塑料薄膜緊貼基礎(chǔ)鋪設(shè)，按先渠底后坡面的原則鋪設(shè)保溫板和薄膜預(yù)制板，并在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)混凝土襯砌板與砂漿砂漿，保證襯砌板平整度符合設(shè)計(jì)要求，并對(duì)混凝土板利用C15干硬性細(xì)石混凝土勾縫，要求板縫飽滿、光滑、密實(shí)；④灑水養(yǎng)護(hù)：勾縫12h后灑水養(yǎng)護(hù)(≥10d)，考慮設(shè)計(jì)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(fù)

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

2.3 水下裂縫環(huán)氧樹(shù)脂砂漿修復(fù)

北方地區(qū)的水利工程結(jié)構(gòu)普遍存在水下裂縫問(wèn)題，為解決該問(wèn)題考慮利用環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿。該修復(fù)技術(shù)具有水下強(qiáng)度損失少、抗離析分散性好、養(yǎng)護(hù)期短、允許砂漿帶水施工作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了混凝土強(qiáng)度與膠黏劑的疊加及水下4-6h初凝，對(duì)修復(fù)水下裂縫具有較強(qiáng)的適用性。環(huán)氧樹(shù)脂砂漿是將水泥、河砂、殼牌828或E51型環(huán)氧樹(shù)脂、1085水下固化劑、水等原料按設(shè)計(jì)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(jié)合地質(zhì)條件布設(shè)適應(yīng)的灌漿系統(tǒng)，選用合適的灌漿方式，保證縫面與出漿設(shè)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(guò)0.35-0.40的范圍，將一定量的環(huán)氧樹(shù)脂摻入水泥砂漿內(nèi)，均勻攪拌10min，然后按環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(gè)縫面，灌漿過(guò)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(fù)

對(duì)于潮濕、低溫等惡劣環(huán)境中的閘墩、測(cè)強(qiáng)、閘門底板等長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，可以對(duì)破損部位利用丙乳硅粉鋼纖維砂漿修復(fù)[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(dāng)?shù)厥?、?xì)度模數(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(qiáng)度，具體修復(fù)工藝如下：

①基面處理：對(duì)混凝土表層利用風(fēng)把鉆機(jī)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(shè)計(jì)配合比將原干料投入攪拌機(jī)，攪拌均勻后運(yùn)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(duì)坑洼較大處的受噴面找平，凈漿固結(jié)后噴射鋼纖維混凝土砂漿，施工時(shí)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(shè)塑料保水薄膜；④灑水養(yǎng)護(hù)：砂漿基本固結(jié)后滾涂丙乳水泥凈漿，并噴霧養(yǎng)護(hù)，砂漿澆筑72h后緩慢浸入養(yǎng)護(hù)(≥7d)，蓄水養(yǎng)護(hù)后方可投入使用。

綜上分析，針對(duì)我國(guó)北方地區(qū)水工混凝土常見(jiàn)病害外包鋼筋加固技術(shù)、丙乳硅粉鋼纖維混凝土砂漿技術(shù)、輸水防滲渠道技術(shù)、環(huán)氧樹(shù)脂砂漿技術(shù)等能夠?qū)嵤┯嗅槍?duì)性地修復(fù)，最大程度地降低水利工程運(yùn)行受水工混凝土結(jié)構(gòu)損壞的影響，實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景[10-12]。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于北方地區(qū)特有的氣候環(huán)境水工混凝土結(jié)構(gòu)易受多種病害威脅，通過(guò)探討其常見(jiàn)病害成因與機(jī)理提出切實(shí)可行的修復(fù)技術(shù)工藝，對(duì)于增強(qiáng)水工結(jié)構(gòu)耐久性與安全性，提高混凝土抗侵蝕能力以及改善結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量等具有重要意義。另外，還要加強(qiáng)對(duì)水利工程的運(yùn)行管理和特殊易損部位的監(jiān)測(cè)，貫徹執(zhí)行設(shè)計(jì)預(yù)定運(yùn)行工況，從根本上杜絕超負(fù)荷運(yùn)行、帶病運(yùn)行等現(xiàn)象，及時(shí)科學(xué)規(guī)范的處理所發(fā)現(xiàn)的各種問(wèn)題，最大程度的降低病害發(fā)生概率，保證水工混凝土結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行，提高其服役年限。