基于北方地区水工混凝土病害与修复技术研究

董艳青

(盘锦市盘山县农业水利事务服务中心，辽宁 盘锦 124100)

北方地区的水工混凝土结构既要承受安全组合荷载又面临着特殊气候环境侵蚀，如大气碳化、干湿循环破坏、冻融破坏、高矿化度灌溉回归水和土壤盐分离子侵蚀等作用的影响，从而导致水工混凝土出现碳化、冲磨、空蚀、冻胀、碱骨料反应以及裂缝等侵蚀破坏，水利工程安全运行受到严重的影响，这在很大程度上阻碍了工程效益的充分发挥。为了保证北方地区水工混凝土结构的耐久性及强度，从根本上消除运行过程中的安全隐患，必须定期修补水工混凝土结构[1-3]。因此，针对北方地区的水工混凝土病害类型，有必要全面分析各病害成因，在此基础上提出行之有效的修复技术，为其他工程的维修养护和更新改造提供技术支持。

1 水工混凝土常见病害类型

1.1 结构裂缝

裂缝在很大程度上决定着工程结构的耐久性，按裂缝深浅划分成表面、深层和贯穿裂缝，按裂缝形态分为放射形、斜向、横纵向、水平与垂直裂缝，按成因可分为施工、变形和外荷载裂缝等[4]。

一般地，水工混凝土结构产生裂缝的成因主要有：①碱性物质与活性骨料发生反应，并导致混凝土膨胀开裂；②混凝土塑性塌落导致厚度较大构件产生裂缝；③混凝土硬化和外部约束作用所形成的裂缝；④混凝土浇筑产生水化热，内外温差过大导致结构变形或形成裂缝；⑤运行时承受过载或不均匀沉降导致混凝土产生裂缝。

1.2 碳化破坏

水工混凝土结构长期与大气接触，结构内部孔隙渗入大气中的CO2，其溶解于水分后与凝胶材料发生物理、化学反应产生钙矾石等物质，并使得水工混凝土强度明显下降。此外，混凝土内部孔隙溶液的pH值不断减小，钢筋表面的钝化膜逐渐腐蚀，进一步导致钢筋锈蚀膨胀，混凝土逐渐剥离开裂，结构耐久性受到严重影响。具体而言，水泥水化产生大量的Ca(OH)2，钢筋在碱性环境中其表面产生一层致密的钝化膜。大气中的氯离子(Cl-)、水、O2、CO2等向混凝土内部迁移渗透并发生电化学反应，造成钝化膜的局部腐蚀，经一系列复杂反应铁转变成铁锈。与原来铁的体积相比，铁锈的体积增加2-4倍，钢筋体积的增大使得原来致密的混凝土表面脱落或开裂，混凝土脱落又进一步加速钢筋的锈蚀。这种恶性循环的化学反应导致钢筋截面面积不断减小，结构外部混凝土大量剥落，钢筋结构的耐久性和力学性能明显降低，对构筑物的安全运行造成不利的影响。

1.3 冻胀破坏

北方地区渠道衬砌混凝土受季节及昼夜温差大、干旱少雨等因素影响易产生严重的冻胀破坏现象[5]，其表现形式有：①预制衬砌板破坏，受地基变形作用混凝土底板与渠道边坡结合处出现滑塌、鼓胀现象，预制混凝土板发生破坏；②塌陷与隆起，混凝土渠道地基受地下水位、温度等因素变化易出现塌陷或隆起，并进一步导致衬砌板的破损；③现浇混凝土板破裂，外界温度过低时浇筑混凝土板易形成裂缝，随时间推移裂缝将逐渐蔓延。

总体上，可以将引起渠道衬砌混凝土冻胀破坏的成因归结为3类，即气温低于0℃、衬砌基土属于冻胀土类、渠基土入冬前含水量>起始冻胀值。

1.4 冲磨与空蚀

在高速水流和水流中泥沙的空蚀、磨损长期作用下，北方地区的过水构筑物局部表面易出现钢筋及粗骨料外露、凹痕麻面等破坏，如倒虹吸、压力前池、闸门、涵管、渡槽等。

1.5 碱骨料反应

水工混凝土往往含有许多的碱性物质，这些碱性物质易与骨料中的氧化硅等发生反应，生成的吸水膨胀凝胶易导致混凝土强度的下降[6]。

2 水工混凝土施工修复技术

2.1 渠道输水防渗修复

为解决北方地区因冻胀引起的渠道衬砌混凝土破坏问题，提出渠道输水防渗修复技术，其主要工艺流程如下：

①清淤拆板：清理干净待修复渠道内的淤泥，将旧混凝土板按从上至下的顺序拆除，并把黏结的泥沙、砂浆清理干净，拆除过程中要轻拆轻放，拆除后在合适的位置码放整齐；②开挖削坡：依据设计的断面尺寸、渠道中线及渠底高程削坡修正，采用砂石抛填夯实陈倩、滑坡渠段，从而完成换基处理；③渠道衬砌：渠底、渠坡等清理完成后洒水湿润，整平密实，并将防渗塑料薄膜紧贴基础铺设，按先渠底后坡面的原则铺设保温板和薄膜预制板，并在此基础上铺设混凝土衬砌板与砂浆砂浆，保证衬砌板平整度符合设计要求，并对混凝土板利用C15干硬性细石混凝土勾缝，要求板缝饱满、光滑、密实；④洒水养护：勾缝12h后洒水养护(≥10d)，考虑设计要求和衬砌混凝土板厚制作伸缩缝，缝内浇筑拌好的干硬性水泥砂浆，并做抹平处理。

2.2 外包钢加固修复

对于北方地区受力集中且破坏严重的管道镇墩、出水塔等水工建筑物，为修复提升结构承载力、刚度以及防止破坏的进一步扩展可采取型钢外包箍筋混凝土结构基础。一般地，有干式和湿式两种外包钢加固修复形式，其中干式要求原构件同钢材无任何黏结，可使用紧固件确保钢材与混凝土表面的协同工作，增强两者的结合力[7-8]。湿式是对钢材与原构件利用乳胶黏结，从而保证同步协调工作能力。外包钢加固修复技术具有造价较低、施工简便等优点，对提升北方地区水工混凝土结构安全性和承载力具有较好适用性。

2.3 水下裂缝环氧树脂砂浆修复

北方地区的水利工程结构普遍存在水下裂缝问题，为解决该问题考虑利用环氧树脂水泥砂浆。该修复技术具有水下强度损失少、抗离析分散性好、养护期短、允许砂浆带水施工作业等优势，实现了混凝土强度与胶黏剂的叠加及水下4-6h初凝，对修复水下裂缝具有较强的适用性。环氧树脂砂浆是将水泥、河砂、壳牌828或E51型环氧树脂、1085水下固化剂、水等原料按设计重量比拌合而成，其主要施工工艺如下：

①首先查缝定位，钻孔清孔，然后结合地质条件布设适应的灌浆系统，选用合适的灌浆方式，保证缝面与出浆设施、灌浆管路畅通；②按照1∶2的比例均匀混合河砂与水泥，控制水灰比不超过0.35-0.40的范围，将一定量的环氧树脂掺入水泥砂浆内，均匀搅拌10min，然后按环氧树脂与固化剂1:1的比例将1085型水下固化剂掺入上述砂浆，再次搅拌5min后备用；③将环氧树脂砂浆浆液采用连接灌浆泵的方式，自下而上地均匀灌注整个缝面，灌浆过程中若出现冒浆、漏浆现象，可采用低压间歇灌浆、表面嵌缝、堵缝等处理方法。

2.4 丙乳硅粉钢纤维砂浆修复

对于潮湿、低温等恶劣环境中的闸墩、测强、闸门底板等长期处于临界水位线、气蚀磨损、空蚀、水流淘刷、盐蚀、碳化作用下的水工混凝土结构，可以对破损部位利用丙乳硅粉钢纤维砂浆修复[9]。丙乳硅粉钢纤维砂浆是利用丙乳、NSF硅粉剂、铣削型钢纤维、0.5-2.0cm粒径的当地石料、细度模数2.5的天然河砂、P.O 42.5硅酸盐水泥按一定配合比制成的，较传统混凝土改善了泌水和离析性能，提高了混凝土早期与最终强度，具体修复工艺如下：

①基面处理：对混凝土表层利用风把钻机喷砂打毛，然后采用高压水流冲洗层面至新鲜混凝土露出；②配置砂浆：按设计配合比将原干料投入搅拌机，搅拌均匀后运至施工作业面，然后把丙乳胶人工搅拌渗入并保证随拌随用；③界面剂涂刷：将丙乳净浆涂抹至凿毛清洗后的混凝土基层上，对坑洼较大处的受喷面找平，净浆固结后喷射钢纤维混凝土砂浆，施工时控制塌落度约为8cm，施工完成后在新浇混凝土砂浆表层铺设塑料保水薄膜；④洒水养护：砂浆基本固结后滚涂丙乳水泥净浆，并喷雾养护，砂浆浇筑72h后缓慢浸入养护(≥7d)，蓄水养护后方可投入使用。

综上分析，针对我国北方地区水工混凝土常见病害外包钢筋加固技术、丙乳硅粉钢纤维混凝土砂浆技术、输水防渗渠道技术、环氧树脂砂浆技术等能够实施有针对性地修复，最大程度地降低水利工程运行受水工混凝土结构损坏的影响，实际应用中具有广阔的应用前景[10-12]。

3 结 语

对于北方地区特有的气候环境水工混凝土结构易受多种病害威胁，通过探讨其常见病害成因与机理提出切实可行的修复技术工艺，对于增强水工结构耐久性与安全性，提高混凝土抗侵蚀能力以及改善结构外观质量等具有重要意义。另外，还要加强对水利工程的运行管理和特殊易损部位的监测，贯彻执行设计预定运行工况，从根本上杜绝超负荷运行、带病运行等现象，及时科学规范的处理所发现的各种问题，最大程度的降低病害发生概率，保证水工混凝土结构的正常运行，提高其服役年限。