高寒地区水工混凝土建筑物表面预防护技术应用探讨

(辽宁省水利水电科学研究院， 辽宁 沈阳 110003)

施工技术

高寒地区水工混凝土建筑物表面预防护技术应用探讨

汪魁峰徐志林张永先

(辽宁省水利水电科学研究院， 辽宁 沈阳 110003)

本文以高寒区水工混凝土结构为背景，总结了混凝土结构多种缺陷的防护措施和防护材料的选取原则，重点分析了北方高寒地区水工混凝土建筑物缺陷类型和产生的原因，提出了水工混凝土结构预防护理念，通过单参数数值模拟计算验证了水工混凝土建筑物预防护的重要性和可行性，可为高寒地区水工混凝土建筑物耐久性设计、施工等提供指导和借鉴。

高寒地区；水利工程；预防护；技术

1 水工混凝土表面预防护理念的提出

水工混凝土是水工建筑物最常用建筑材料之一，由于外界环境条件恶化和工程自身质量、耐久性等问题，导致水工混凝土构件在设计使用龄期内过早出现“老化病害”现象屡见不鲜。我国东北地处寒冷或严寒区域，水工混凝土建筑物运行环境恶劣，以环境温度为主因素导致水工混凝土结构过早“受伤”的工程极为普遍和常见，一旦出现“受伤”情况，表面防护遭到破坏，一段时间内建筑物损伤速度就会逐年加速，严重时会影响建筑物的正常运行，降低其使用寿命，而且后期修复和加固资金投入巨大。为从起点解决该问题，在水工混凝土建筑物工程设计环节加入预防护设计，即在工程运行前完成防护施工，让寒区水工混凝土结构在防护“铠甲”的保护下健康运行，会极大程度提高寒区水工混凝土建筑物抵御外界不良环境侵害的能力，显著提升混凝土结构耐久性和延长使用寿命，既可减少后期维护的重复投资、安全有保障，也会更大程度地发挥工程效益，因此，提出高寒地区水工混凝土表面耐久性“预防护”理念，改变水工混凝土设计环节“重结构、轻防护”现象，解决工程建设防护资金的来源，意义深远。

2 水工混凝土表面耐久性预防护必要性及可行性

2.1 必要性

辽宁省位于我国东北部，85%以上的区域地处严寒、寒冷和濒海地带，该省使用年限10～30年的117座水利工程(水库29座、水闸88座)混凝土结构，裂缝、渗漏、剥蚀、碳化等病害突出，各类病害普遍发生，所占比例高达86%～97%(见表1)。

表1 117座水工混凝土建筑物缺陷统计

对117座水工混凝土建筑物缺陷产生的原因进行了分析(见表2)。

从统计的数据分析，辽宁东部地区水闸在严寒、海水侵蚀等综合作用下，典型工程最大剥蚀速率甚至达到1.8cm/a。目前，水利工程普遍是出现问题之后才开始进行修补和防护，全国水闸以及一批中小型水闸除险加固改造工程和重点输水工程，总投资达数千亿元甚至更多[2,3]。相关资料显示，混凝土工程后期修补加固费用与前期防护费用之比可达5∶1[4]，可见后期维修加固费用相当巨大，而且试验数据显示，防护后的水工混凝土建筑物耐久性明显提高，大大延长了工程使用寿命，综合效益显著。

表2 117座水工混凝土建筑物缺陷原因分析

2.2 可行性

a. 理论可行性。通过单因素分析，应用有限元ANSYS分析软件，对水工混凝土表面预防护中碳化防护进行单因素数值模拟，通过混凝土碳化试验对模型进行验证，对碳化防护材料的防护效果进行效果评价。数值模拟结果和试验验证结果在碳化开始阶段稍有差异，但随龄期的增长，二者吻合的效果越来越好。对比结果表明，该数值模型可以用于混凝土碳化过程的数值模拟[5,6]。碳化深度的数值解与试验值对比见图1。无防护处理和涂刷防护层两种情况在不同年限时的混凝土碳化深度值见表2。

图1 混凝土碳化深度数值解和试验值对比

由表3可知，相比于无防护处理的情况，由于防护涂层的存在，混凝土碳化过程进展十分缓慢，两种情况下混凝土的碳化深度差距悬殊。随着时间推移，虽然防护材料逐渐老化，材料本身的CO2扩散系数有所增大，但仍旧可以起到很好的隔离、防护作用，验证了防护材料的碳化防护效果显著。

b. 工程现场试验段效果可行性。为了验证防护措施可行和防护效果显著，有针对性地选择了辽宁东部、西北、中部和北部的典型淡水、海水、淡水海水混合共5个闸坝开展了工程实体验证试验(见表4)，典型工程实体防护试验段见图2。实体工程验证试验示范段运行时间虽短，可作为参考。

表4 典型闸坝混凝土结构实体工程防护验证试验

3 高寒地区闸坝混凝土预防护典型构件关键部位及防护措施

结合北方寒区环境特点，水工建筑物以闸坝混凝土工程最为典型，受温度等外界环境影响，工程运行过程中不同部位遭受外界侵害的类型和侧重点各有不同，设计初期应结合地区特点，针对工程具体情况，采取不同措施和防护材料，进行早期防护，以达到提高混凝土结构耐久性目的，同时也可大大降低后期维护、维修费用。

3.1 防冻融剥蚀-水位变动区等

闸坝工程水位变动区表层混凝土冻融侵蚀是高寒地区水工混凝土最具代表性的缺陷，北方沿海混凝土工程更为突出。辽宁东港沙坝闸位于淡水与海水的交界处，兼有挡潮和排水的作用，运行了30年，受海水和冻融双重侵蚀，闸墩发生了严重剥蚀，单侧剥蚀最大深度超过0.55m，最大剥蚀速率达到1.80cm/a(见图3)。东北地区类似水闸很多，冻融剥蚀侵害普遍，早期防护意义深远。

图3 东港沙坝闸闸墩混凝土剥蚀情况

a. 防护措施。水位变动区混凝土表层涂覆高分子及其他防渗、防冲、抗冲刷材料，保证水位变动区域冰层与混凝土不直接接触，从而起到保护表层混凝土、提高耐久性的目的。

b. 防护材料选择原则。防渗抗侵蚀、抗冻融、耐高低温、抗老化、耐冲磨、与混凝土黏结性能好，兼顾经济、环保等。

常见材料有SK手刮聚脲(防渗型)、SK通用型水泥基防水涂料、SK暴露型单组分防水涂料、优龙防碳化涂料、新老混凝土界面剂、聚合物水泥砂浆[7-9]等。

3.2 防磨损和空蚀-溢流堰面、输水洞出口消能功等

闸坝溢流堰、输水洞等混凝土建筑物底板、堰面、陡槽、挑流坎、消能墩、消能塘等构件，最容易遭受磨蚀和空蚀。

a. 防护措施。在耐冲磨区混凝土表层浇筑或涂覆防冲、耐磨材料，以提高混凝土防磨损、抗空蚀能力，达到提高混凝土结构耐久性目的。

b. 防护材料选择原则。防渗抗侵蚀、耐冲磨、抗老化、与混凝土黏结性能好，兼顾经济、环保等。

常见材料有SK手刮聚脲(抗冲磨型)、高韧性环氧树脂涂料、通用水泥基渗透结晶型防水涂料、环氧类防渗涂料、高韧性环氧砂浆、改性环氧砂浆、普通环氧砂浆、硅粉混凝土、钢塑纤维砂浆等。

3.3 防碳化、氯盐及硫酸盐侵蚀-小截面主受力构件和沿海建筑物

闸坝混凝土建筑物的梁、柱、墩等小截面、主受力构件对环境影响较为敏感，沿海环境更为恶劣，加受氯盐侵蚀，混凝土构件年损伤速度相对更快。

a. 防护措施。在闸坝工程中，对梁、柱、墩等小截面、主受力构件混凝土表层涂覆高分子防护材料进行全封闭，以提高混凝土构件表面抗侵蚀、防碳化能力，从而达到提高混凝土主受力构件耐久性目的。

b. 防护材料选择原则。抗侵蚀、抗老化、与混凝土黏结性能好，兼顾经济、环保等。

常见材料有改性VAE防碳化防护涂料、PCS柔性防护涂料、SK-B9新老混凝土界面剂、丙烯酸酯共聚乳液涂料、乙烯-醋酸共聚乳液涂料、硅烷防腐剂、单组分聚氨酯防水涂料、双组分聚氨酯防水涂料、暴露型单组分防水涂料等。

3.4 防渗-结构缝、越冬缝

输水隧洞(长距离引输水工程、水库引输水工程等)、PCCP接缝、涵洞、闸坝等水工建筑物结构缝较多，闸坝挡水结构多为大体积混凝土，浇筑周期长，通常要跨年度施工。结构缝处理工艺繁琐、质量控制难度大，浇筑面混凝土复工处理措施不当、细节考虑不到位，都会不同程度地形成渗水通道，留下安全隐患。

a. 防护措施。在结构缝浅层区域填筑嵌缝封堵材料，在其表面涂覆高分子材料进行封闭处理，在混凝土越冬缝上下游表面，涂覆一定宽度的高分子材料进行早期封闭处理，以提高混凝土防渗、抗冻融、抗侵蚀能力，达到提高混凝土结构耐久性目的。

b. 防护材料选择原则。防渗抗侵蚀、抗老化、抗冻融、抗冲磨、与混凝土黏结性能好，兼顾经济、环保等。

常见以SK手刮聚脲(抗冲磨型、防渗型)、三元乙丙橡胶片材、三元乙丙复合柔性板、氯丁橡胶片材、硫化及非硫化橡胶卷材、橡胶聚氯乙烯卷材、聚乙烯片材等配合嵌缝材料使用。

4 建 议

高寒地区和沿海地区水工混凝土建筑物运行环境恶劣，建议随工程建设完成预防护施工，让工程在“铠甲”的保护下健康运行，会明显提高混凝土结构耐久性和使用寿命；在工程设计环节加入预防护设计，改变水工混凝土设计环节“重结构、轻防护”现象，从根本上保证工程防护环节资金来源；建议根据工程运行环境特点，加强防护新措施、新工艺、新材料的研究和应用。fffffd

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[4] 李金玉, 曹建国. 水工混凝土耐久性的研究和应用[M]. 北京：中国电力出版社,2004.

[5] 徐志林, 宋立元. 基于分层法的水工混凝土碳化过程有限元模拟[J]. 人民长江, 2016, 47(18): 84-87.

[6] 宋立元, 徐志林. 基于ANSYS的水工混凝土碳化防护数值模拟[J]. 东北水利水电, 2016, 34(10):33-34.

[7] DL/T 5317—2014 水电水利工程聚脲涂层施工技术规程[S]. 北京:中国电力出版社,2014.

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DiscussiononApplyingSurfacePre-protectionTechnologyofHydraulicConcreteBuildingsinAlpineRegion

WANG Kuifeng, XU Zhilin, ZHANG Yongxian

(LiaoningWaterConservancyandHydropowerResearchInstitute,Shenyang110003,China)

In the paper, the hydraulic concrete structure in alpine regions is regarded as the background. Protection measures and protection material selection principles aiming at many defects in the concrete structure are summarized. Defect types and reasons of hydraulic concrete buildings in North are mainly analyzed. Pre-protection concept of hydraulic concrete structures is proposed. The importance and feasibility of hydraulic concrete building Pre-protection are validated through single-parameter numerical simulation calculation, thereby providing guidance and reference for durability design, construction, etc. of hydraulic concrete buildings in alpine regions.

alpine region; water conservancy project; Pre-prevention; technology

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.08.003

TV431

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：1673-8241(2017)08-0009-04