水工混凝土破壞與修復(fù)技術(shù)研究

張 宇

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110166)

1 水工混凝土破壞類型

水工混凝土的質(zhì)量缺陷主要表現(xiàn)為滲漏、裂縫、孔洞、露筋、麻面、蜂窩等，以上質(zhì)量問(wèn)題在施工過(guò)程中極為常見(jiàn)?？紤]到混凝土材料、配合比設(shè)計(jì)、澆筑施工等因素的作用，在使用、凝結(jié)、澆筑過(guò)程中混凝土很容易產(chǎn)生各種缺陷，從而降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)[1]。

剝蝕是指水工混凝土受堿骨料反應(yīng)、凍融侵蝕、化學(xué)侵蝕、鋼筋銹蝕、沖蝕磨損、碳化、氣蝕等因素影響，而出現(xiàn)的以坑槽、掉塊、磨損為主的混凝土破壞的現(xiàn)象。

2 水工混凝土缺陷成因

2.1 混凝土裂縫形成的要因

混凝土裂縫在水工構(gòu)筑物中比較常見(jiàn)且非常普遍，混凝土凝結(jié)后存在諸多微裂縫、氣穴、微孔隙，這種多相復(fù)合脆性材料受到水泥水化熱溫升、地基變形、干縮、溫差、荷載等作用，當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度小于其拉應(yīng)力時(shí)微裂縫就會(huì)不斷發(fā)展，從而形成宏觀的連通裂縫。裂縫的存在將進(jìn)一步產(chǎn)生其他的混凝土破壞與質(zhì)量缺陷[2-4]。

2.2 孔洞、露筋、蜂窩、麻面的要因

應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土澆筑過(guò)程中的施工質(zhì)量，否則極易出現(xiàn)孔洞、露筋、麻面、蜂窩等混凝土缺陷。例如，模板表面不光滑、不牢固、不結(jié)晶或安裝不密室；骨料級(jí)配不合理、原材料不合格或混凝土拌和計(jì)量有誤；澆筑振搗時(shí)出現(xiàn)漏振、過(guò)振、欠振的情況，由于不合理的澆筑方式而產(chǎn)生骨料分離；未嚴(yán)格控制施工工藝、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)?shù)犬a(chǎn)生各種類型的缺陷。

3 水工混凝土破壞成因

水工混凝土剝蝕破壞是由混凝土表面及其內(nèi)部的鋼筋、外加劑、骨料、水化產(chǎn)物與環(huán)境條件(水、氣、溫度、介質(zhì))相互之間發(fā)生的一系列復(fù)雜的化學(xué)、物理作用，并導(dǎo)致破壞應(yīng)力超過(guò)混凝土強(qiáng)度而產(chǎn)生的破壞。一般地，可以按照不同的機(jī)理，將剝蝕破壞劃分為水質(zhì)侵蝕、鋼筋銹蝕、空蝕與沖磨、凍融破壞四種類型。

3.1 水質(zhì)侵蝕

水質(zhì)侵蝕是指水中的可溶性介質(zhì)經(jīng)混凝土孔隙擴(kuò)散到內(nèi)部與水泥水化產(chǎn)物或其它組分聯(lián)合作用，發(fā)生一系列的物理與化學(xué)反應(yīng)并生成難溶于水或可溶性較好的產(chǎn)物，從而使得其內(nèi)部出現(xiàn)脹裂或溶出性侵蝕。一般地，可以將水質(zhì)作用產(chǎn)生的侵蝕破壞劃分成結(jié)晶性膨脹型、分解性溶解型、結(jié)晶與分解復(fù)合型三種類型[5-7]。其中，結(jié)晶性侵蝕主要是硫酸鹽離子與混凝土發(fā)生反應(yīng)，生成體積膨脹且難溶于水的鈣礬石和硫酸鈣，當(dāng)持續(xù)增加的膨脹應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生開裂、剝落；分解性侵蝕是指在酸性介質(zhì)作用下混凝土中的水化硅酸鈣、氫氧化鈣等加速溶出，從而產(chǎn)生水化產(chǎn)物的分解以及水泥石的軟化，并降低水泥石的黏接性與強(qiáng)度，混凝土最終產(chǎn)生破壞。對(duì)于選用石灰?guī)r碎石的混凝土，其骨料還會(huì)與酸性介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成可溶性物質(zhì)，骨料更加容易受到侵蝕。實(shí)踐工程中，泄水構(gòu)筑物的破壞大多以酸性介質(zhì)的侵蝕破壞為主。

3.2 鋼筋銹蝕破壞

水泥水化將產(chǎn)生大量的Ca(OH)2，這種堿性環(huán)境使得鋼筋表面產(chǎn)生一層致密的鈍化膜。然而，環(huán)境中的氯離子(Cl-)、水、O2、CO2不斷向混凝土內(nèi)部遷移和滲透，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并引起鈍化膜的局部腐蝕，經(jīng)一系列復(fù)雜的反應(yīng)鐵轉(zhuǎn)變成鐵銹。相對(duì)于原來(lái)鐵的體積鐵銹的體積增加2-4倍，鋼筋體積的增大致使原來(lái)致密的混凝土表面脫落或開裂，而混凝土脫落將進(jìn)一步加速鋼筋的銹蝕。這些惡性循環(huán)的化學(xué)反應(yīng)使得鋼筋截面面積不斷減小、構(gòu)筑物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，并對(duì)構(gòu)筑物的安全運(yùn)行造成不利的影響[8-10]。

3.3 空蝕與沖磨破壞

空蝕破壞是指高速水流形態(tài)突然變化時(shí)產(chǎn)生的局部真空負(fù)壓使得水汽化形成的氣泡迅速破滅，在高強(qiáng)壓力下混凝土表面因受到微射流的沖擊力而產(chǎn)生的破壞，沖磨蝕破壞在很大程度上決定了空蝕的破壞程度。

沖磨破壞是指水工混凝土過(guò)流面在含砂石水流的相互摩擦與沖擊碰撞作用下而產(chǎn)生的破壞。固體介質(zhì)沖擊力超過(guò)混凝土強(qiáng)度，混凝土表面在連續(xù)不規(guī)則的沖擊與沖刷作用下產(chǎn)生磨蝕坑，在惡性循環(huán)作用下混凝土內(nèi)部產(chǎn)生落骨、剝離。一般地，可以將沖破破壞劃分成單純的高速水流沖磨破壞和攜帶水流推移質(zhì)、懸疑質(zhì)磨損破壞兩類，其破壞形式與泄水流態(tài)、流速、介質(zhì)數(shù)量、運(yùn)移方式、粒徑和形狀等因素有關(guān)[11]。

3.4 凍融破壞

受多種因素影響，許多毛細(xì)孔不均勻的分布于混凝土內(nèi)部，在低溫條件下孔內(nèi)的自由水會(huì)冷凍結(jié)冰，并產(chǎn)生很大的凍脹壓力以及混凝土材料的疲勞應(yīng)力，強(qiáng)度等級(jí)降低，不斷連通擴(kuò)展的微裂縫使得混凝土表面出現(xiàn)剝落破壞。實(shí)質(zhì)上，混凝土的抗凍融性易受水的結(jié)冰速度、凍融介質(zhì)、溫度高低等外部因素，施工因素和混凝土含氣量、水灰比、氣泡類型、水泥品種、骨料類型等內(nèi)部因素的影響，其中外部因素是引起凍融破壞的關(guān)鍵。

4 水工混凝土缺陷的修復(fù)技術(shù)

4.1 混凝土裂縫修復(fù)

1)表面處理法：主要有表面覆蓋法和涂抹法兩類。表面涂抹法一般適用于不伸縮、不漏水裂縫的處理，在表層細(xì)微裂縫修復(fù)時(shí)該方法較為常用，即在倆風(fēng)表面利用NE環(huán)氧土料、改性瀝青、水泥等涂抹；表面覆蓋法主要是將碳纖維、鋼板等黏貼在構(gòu)筑物表面，從而實(shí)現(xiàn)加固與修補(bǔ)，通過(guò)貼補(bǔ)防水片或土工膜可以對(duì)大范圍漏水淺裂縫進(jìn)行堵漏防滲。

2)填充法：裂縫寬度超過(guò)0.3mm的情況下，向裂縫內(nèi)直接填充環(huán)氧膠泥、水泥等修補(bǔ)材料；裂縫寬度不超過(guò)0.3mm、深度較淺且對(duì)構(gòu)筑物無(wú)危害的情況下，沿縫隙開鑿V型槽并填充聚合物砂漿、環(huán)氧膠泥等材料。表面有過(guò)水要求時(shí)應(yīng)在填充后用環(huán)氧基液或者用高強(qiáng)致密水泥砂漿涂面，從而保證防滲抗裂性達(dá)到要求[12]。

3)壓力灌漿法：針對(duì)深層寬大的裂縫，要將化學(xué)灌漿法與固體顆粒灌漿法有機(jī)結(jié)合，其中固體顆粒灌漿法比較適用于寬大裂縫的處理。根據(jù)不同的用途，一般將化學(xué)灌漿法劃分成防滲堵漏類和加固補(bǔ)強(qiáng)類兩種，比較常用的有水玻璃、彈性或水性聚氨酯、丙烯酸鹽類、環(huán)氧數(shù)值、油溶性聚氨酯和甲凝等。

4.2 錯(cuò)臺(tái)、孔洞、蜂窩修復(fù)

針對(duì)低于或高出混凝土平面的錯(cuò)臺(tái)部位可以利用適宜的修補(bǔ)材料回填或?qū)嵭需彸テ教幚?，從而保證整體的平齊。

劃定混凝土孔洞、蜂窩等缺陷表面修補(bǔ)區(qū)，在修補(bǔ)區(qū)四周化成相對(duì)規(guī)則的梯形、長(zhǎng)方形或正方形等圖形，沿線切割并控制切割深度0.5-1.0cm。在完成切割的條件下，沿同一平面將超出基礎(chǔ)部位的混凝土鑿除，合理控制鑿除深度0.5-2.0cm之間。然后清除孔洞處松動(dòng)的顆粒、蜂窩和待修復(fù)區(qū)不密室的部位，以保證基面外露骨料新鮮、密室。為維持基礎(chǔ)面平齊將修復(fù)區(qū)外漏的鋼筋等構(gòu)件鋸除，可利用丙酮、乙醇等有機(jī)溶劑擦拭表層存在的油漬或采取明火噴烤、鑿除等措施處理結(jié)晶，出現(xiàn)滲漏水時(shí)要采取止水堵漏措施。為了處理以上缺陷，工程中比較常用的修補(bǔ)材料有水下環(huán)氧、環(huán)氧玻璃絲布、改性環(huán)氧、水泥砂漿、丙乳、BAC、傳統(tǒng)或彈性環(huán)氧砂漿等。

4.3 氣孔、麻面、紗線處理

產(chǎn)生氣孔后，對(duì)于需要按要求填補(bǔ)表面氣孔的一般選用不易流掛的環(huán)氧膠泥處理，由此實(shí)現(xiàn)大范圍的涂刮作業(yè)；對(duì)于無(wú)孔氣要求的可以按標(biāo)準(zhǔn)涂刮至2mm以下或全部刮走，可對(duì)氣孔點(diǎn)補(bǔ)或向孔氣內(nèi)充填材料。

一般的麻面修補(bǔ)厚度不超過(guò)2mm，將松動(dòng)的顆粒打磨鑿除至密實(shí)后可用高壓風(fēng)除沉浮，然后對(duì)表面用薄層材料修補(bǔ)并保證修補(bǔ)厚度達(dá)到要求。工程中，對(duì)混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的紗線多利用電動(dòng)角磨機(jī)進(jìn)行磨平處理。

5 水工混凝體破壞的修復(fù)技術(shù)

5.1 沖磨破壞修復(fù)

沖磨破壞使得構(gòu)筑物表面易出現(xiàn)沖蝕坑槽、骨料裸露等現(xiàn)象，沖磨深度大多超過(guò)3mm，對(duì)此必須實(shí)施保護(hù)層。目前，對(duì)高流速過(guò)水、攜沙石構(gòu)筑物的抗沖磨蝕比較常用的保護(hù)材料為改性NE系列環(huán)氧砂漿。例如，四川紫坪鋪水利樞紐排砂放空洞、泄洪洞、溢洪道以高流速?zèng)_蝕破壞為主，四川二灘電站泄洪洞以高流速?zèng)_磨破壞、氣蝕為主，小浪底水泥樞紐的孔板洞、排沙洞、明流洞以攜沙水流(懸移質(zhì))沖磨破壞為，以高水頭沖擊磨損破壞為主的黃河拉西瓦水電站水墊塘等。目前，比較常見(jiàn)的各種過(guò)流面沖磨蝕破壞現(xiàn)象在以上所列的工程中基本上都有所涉及，對(duì)大面積抗沖磨蝕破壞利用NE系列環(huán)氧砂漿修復(fù)后，取得了良好的效果，如表1。

表1 水電站過(guò)流表面抗沖磨修復(fù)效果調(diào)查表

5.2 氣蝕破壞修復(fù)

由于氣蝕產(chǎn)生的水工混凝土破壞，若破壞范圍大且強(qiáng)度高需要對(duì)摻氣設(shè)施改進(jìn)、改造，及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別出引起氣蝕的原因，并采取有效的解決措施，然后利用高強(qiáng)修補(bǔ)材料或高出原結(jié)構(gòu)1-2個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。若不具備摻氣設(shè)施改進(jìn)、改造的條件，建議用不低于80MPa以上的高強(qiáng)抗沖蝕材料和植鋼筋掛設(shè)鋼筋網(wǎng)的方式進(jìn)行修補(bǔ)。

5.3 剝蝕掉塊、沖蝕坑槽修復(fù)

針對(duì)剝蝕掉塊的問(wèn)題，需要對(duì)銹蝕鋼筋附近的混凝土進(jìn)行剔除并對(duì)鋼筋除銹。除銹后，采用防銹劑(漆)涂刷鋼筋表面，也可選用回填修補(bǔ)材料的方式或者不產(chǎn)生鐵離子置換的材料實(shí)行保護(hù)，選用材料置換的方法可以省去防銹劑涂刷的工序。

為解決一般局部剝蝕掉塊、沖蝕坑槽問(wèn)題，通常選用常規(guī)處理的方法對(duì)水工混凝土缺陷實(shí)行回填修補(bǔ)，對(duì)深度>30cm或沖蝕掉塊范圍超過(guò)2m2的沖蝕坑槽，宜選用高出原結(jié)構(gòu)一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土回填澆筑并布設(shè)錨筋焊接鋼筋網(wǎng)，為了確保原混凝土與新澆體之間的牢固黏接應(yīng)在澆筑前涂刷界面黏接劑。

6 結(jié) 論

水工混凝土存在的破壞與缺陷對(duì)構(gòu)筑物的安全運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，這種普遍存在的現(xiàn)象越來(lái)越成為運(yùn)行管理單位亟待解決的問(wèn)題。文章深入剖析了引起水工混凝土破壞、缺陷的成因和修復(fù)技術(shù)，以工程案例為基礎(chǔ)簡(jiǎn)要總結(jié)了抗沖磨的修復(fù)效果，提出在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上徹底消除誘發(fā)水工混凝土破壞與缺陷的因素具有較大的難度，因影響因素復(fù)雜且多仍有一些病險(xiǎn)水庫(kù)還沒(méi)有合適的處理方法。對(duì)此，仍需深入研究高性能抗沖耐磨材料、評(píng)估方法以及缺陷檢測(cè)技術(shù)，持續(xù)探索更加有效的預(yù)防措施與修復(fù)技術(shù)，提高構(gòu)筑物使用壽命與結(jié)構(gòu)耐久性，最大程度的減少對(duì)水工構(gòu)筑物的破壞。