寒旱区水工混凝土结构常见病害及修复技术.pdf

D OI ： 1 0 1 6 6 1 6 j c n k i 1 1 - 4 4 4 6 T V 2 0 1 5 1 0 0 1 4 寒旱区水工混凝土结构常见病害 及修复技术 彭新 颜 ( 东鱼河流域工程管理处，山东 菏泽2 7 4 0 0 0 ) I 摘要】 针对我国寒旱区独特的气候环境特征， 探寻该 区域水工混凝土结构常见病害的类型及成 因机理， 同时 针对性地提出相应的水工混凝土结构修复技术。该研究可为同类型水工混凝土构筑物的病害诊断与修复提供有 益借鉴 。 【 关键词】 寒旱区； 水工混凝土结构； 病害机理； 修复技术 中图分类号 ： T V 4 3 文献标志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 5 - 4 7 7 4 ( 2 0 1 5) 1 0 - 0 0 5 1 - 0 3 Co mmo n d i s e a s e s a n d r e p a i r t e c h n o l o g y o f h y d r a u l i c c o n c r e t e s t r uc t u r e i n c o l d a nd a r i d r e g i O I l S P ENG Xi n y a n ( D o n g y u R i v e r B a s i n P r o j e c t Ma n a g e me n t O f fi c e ， H e z e 2 7 4 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：C o mmo n d i s e a s e t y p e a n d f o r ma t i o n me c h a n i s m o f h y d r a u l i c c o n c r e t e s t r u c t u r e i n t h e r e g i o n s a r e e x p l o r e d a i mi n g a t t h e u n i q u e c l i ma t e e n v i r o n me n t c h a r a c t e r i s t i c s i n Ch i n a s c o l d a n d a r i d r e g i o n s Me a n wh i l e，c o r r e s p o n d i n g h y d r a u l i c c o n c r e t e s t r u c t u r e r e p a i r t e c h n o l o g y i s p r o p o s e d i n a t a r g e t e d mo d e T h e r e s e a r c h c a n p r o v i d e b e n e fi c i a l r e f e r e n c e f o r d i s e a s e d i a g n o s i s a n d r e s t o r a t i o n i n s i mi l a r h y d r a u l i c c o n c r e t e s t ru c t u r e s Ke y wo r ds：c o l d a n d a r i d r e g i o ns；h y d r a u l i c co nc r e t e s t r u c t ur e；di s e a s e me c h a n i s m ；r e p a i r t e c h no l o g y 我 国寒早 区水工混凝土结构在承受满 足安全荷 载 组合的 同时 ， 还受 到特 殊 自然 环境 的侵蚀 ， 如 ： 冻 融破 坏 、 土壤盐分离 子侵蚀 、 高矿化 度灌 溉 回归水 、 大 气碳 化及干 湿循环破 坏等作 用 的影 响 ， 进 而导致水 工混凝 土结构 出现裂缝 、 冻胀 、 冲磨 与空蚀 、 碳 化及 碱骨 料反 应等侵蚀 破坏 现象 ， 严重 影 响该 区域水利 工程 的安全 运行 ， 制约 了水 利工程 效益 的正 常发挥 。寒 旱 区水工 混 凝土结 构需经 常进行 修补 ， 以确保该 区域水工 混凝 土结 构 的强 度 及 耐 久 性 ， 消 除工 程 运 行 中 的安 全 隐 患 。因此 ， 有必要 分析 该 区域水工 混凝 土结 构 常见 病 害成 因并提 出相应 的施工修复 技术 ， 该 项研 究可为 类似工程 的更新 改造 和维护维修提 供决策依据 。 l 水工混凝土结构常见病 害类型及成因 1 1 裂缝 裂 缝 为影 响寒 旱 区水 工混 凝土 耐久 性 的重 要 因 素 ， 按其产生原 因分 为 ： 外荷 载裂缝 、 变形 裂缝 和施工 裂缝 ； 按裂缝 的形态分 为 ： 水平 与垂 直裂缝 、 横纵 向裂 缝 、 斜 向和放射形裂缝 ； 按裂缝深浅分 为 ： 贯穿裂缝 、 深 层裂缝 和表面裂缝 。 水工混凝 土结 构裂缝 产生 的原 因主要 包括 ： 新 浇筑 混凝土水 化放热 ， 过大 的内外温差 引起混凝 土变 形 ， 从而 产生裂缝 ； 在 外部 约束力作 用下 ， 混凝 土硬 51 水利建设与管理 2 0 1 5 年 第 1 0 期 化而导致 的裂缝 ； 厚度 较大 的建 筑物 中因混凝土塑 性 塌落而导 致的裂缝 ； 混凝 土中的活性骨 料与碱性 物质发生反应 ， 使混凝土膨胀开裂 ； 混凝土结构在运 行 中因不均匀沉 陷或承受过载而产生裂缝。 1 2冻胀破坏 寒旱区混凝土衬护 渠道受 干旱少 雨 、 季 节及昼 夜 温差大等气候因素的影 响 ， 冻胀破坏现 象严重 ， 其 形 式 主要包括 ： 现 浇混凝 土板破 裂。在浇筑 混凝 土板 时 ， 外界温度过低 ， 将会导致 现浇板 出现裂 缝 ， 并 会随 着 f nq 不断蔓延 。 隆起 和塌 陷。温度变 化 、 地 下水 位 变化等 因素 会造成混凝 土渠道地基 隆起或 塌陷 ， 进 而造 成混凝 土衬砌板的破损 。预 制衬 砌板破坏 。因 混凝土渠道边 坡 与底板 结合 处受 到 地基 土 变形 的影 响 ， 出现鼓胀 、 滑塌现象 ， 破坏 了预制混凝 土板 。 造成渠道混凝 土衬砌冻 胀破坏 的原 因包 括 ： 渠 道基础土壤入 冬前 的含 水量 超过 土壤起 始 冻胀 含水 量 ； 衬砌基 土属 于 冻胀 土类 ； 气 温低 于 0 C， 土 壤 结冰体积膨 胀破坏混凝土衬砌面板 。 1 3冲磨与空蚀 寒旱区的压力前池 、 涵管 、 渡槽 、 倒 虹吸 和 闸门等 过水混凝土建筑物长期受 到水流 中泥沙 和高速 水流的 磨损与空蚀 ， 造成局部混凝 土表面呈现 凹痕麻面 、 粗骨 料及钢筋外露等破坏 。 1 ， 4碳化破坏 长期与大气接触 的水工混 凝土 ， 大气 中的 C O 将 渗入混凝 土内部孔 隙并 溶解于水 分 中， 且 与胶 凝材料 发生多相化学 物理反应 产生钙矾 石等物质 ， 降低 了混 凝土结构 的强度 。同时 ， 混凝 土 内部 p H值 小 于 l 0 的孔隙溶 液会逐渐腐 蚀钢筋 的钝化膜 ， 致 使钢筋锈 蚀 膨胀 ， 甚至剥 离 ， 引起混 凝土开 裂 ， 从而严 重影 响水 1 二 混凝土结构 的耐久性 。 1 5 碱骨料反应 寒旱区水 工混 凝土 中富含 大量 的碱性物 质 ， 骨 料 中的氧化硅等物质易 与这些碱性物质反应生成 吸水膨 胀凝胶 J ， 从 而降低混凝土 的强度 。 2 水工混凝结构修复技术 2 1 环氧树脂砂浆水下裂缝修复技术 针对寒旱区水工混凝土结构普遍存在 的水下裂缝 问题 ， 环氧树脂水泥砂浆具 有允许砂浆带 水施工作业 、 水下抗 分散离析 性好 、 水 下强度不损失 和养护期 短等 优势 ， 可在水下 ( 2 02 5 q C) 46 h初凝 并实 现胶 黏剂 5 2 与混凝 土强度 的叠加 ， 对水工 混凝土水下 裂缝具有 较 好 的修复效果 。 环氧树脂砂浆采用 E 5 1或 8 2 8 环 氧树脂 、 1 0 8 5水 下 固化 剂 、 水 泥及 河 砂 按 照一 定 重 量 比与水 拌 和 而 成 ， 具体修复施工工 序为 ： 查缝定 位后 钻孑 L 清孔 ， 之后布设与采用 的灌浆方式及地质 条件相 适应的灌浆 系统 ， 确保灌浆 管路 、 出浆 设施与缝 面畅 通 ； 将 水泥 与河砂按 1 ： 2比例混合均匀 ， 严格控制水灰 比为 0 3 6 0 4 0， 之后在水泥砂浆 中掺入 定量 的环 氧树脂 并搅 拌 1 0 ra i n ， 将 1 0 8 5型水下 固化剂按固化剂与环氧树脂 1 ： 1 的 比例掺入上述 砂浆 中， 均 匀搅拌 5 l l l i l l 后 即可使 用 ； 采用连接灌 浆泵 自下而上将环氧树脂砂浆浆液均 匀 灌注整个缝面 ， 若灌 浆时 发现漏浆 、 冒浆现 象 ， 可采 用 表面封堵 、 嵌缝和低压 间歇灌浆等方法处理 。 2 2 输水 防渗 渠道修复技术 针 对寒 旱 区混凝 土衬 砌渠 道 因冻胀 所 引起 的破 坏 ， 具体修复施工工序为 ： 清淤拆板 。埘需 修复渠道 清除淤泥之后 ， 自上而下拆除渠道旧混凝 土板 ， 轻拆轻 放并整齐码放在合适位置 ， 同时清除其黏结 的砂浆 、 泥 沙。开挖削坡 。按 照设计 的渠道 中线 、 渠底 高程 及 断面尺寸进行 削坡修整 ， 对沉陷 、 滑坡严重渠段抛填 夯 实砂石进 行 换基 处理 。 渠道 衬砌 。在 清理 后 的 渠 坡 、 渠底 等处洒水润湿 、 整平密实 。之后 紧贴基础铺 设 防渗 塑料 薄膜 ， 并按 照先渠底后 坡面 的顺序 铺设保 温 板与 薄膜预制板 ， 随后进行砂 浆 层 与混凝土板衬 砌 板 的铺 设， 确 保混 凝 土衬 砌板 达 到设 计平 整 度 ， 并膈 c1 5干硬性 细石混 凝土对 混凝土板 勾缝 ， 要 求板缝 密 实 、 光滑 、 饱满 。 养护 。勾 缝 1 2 h后 进行 洒水养 护 ， 养护 时问不低 于 1 0 d， 同时依据 衬 砌混凝 土 板厚 度与 设 计要求制作 伸缩缝 ， 最 后将拌 和好 的干硬性 锯术水 泥砂浆浇筑至伸缩缝并抹平。 2 3 丙乳硅粉钢纤维混凝土砂浆修复技术 针对在低 温 、 潮 湿 等恶 劣 环境 中的 闸 门底板 、 侧 墙 、 闸墩等 长期 处于碳 化 、 盐侵 、 水 流 淘刷 、 空 蚀 、 气蚀 磨损及 临界水位线 的水工混 凝土结构 ， 可采 用丙乳硅 粉钢纤维混凝 土砂浆修复破损部位 。丙乳硅粉钢纤维 混凝 土砂 浆 采 用 P 0 4 2 5硅 酸 盐 水 泥 ， 细 度模 数 为 2 5的天然河砂 ， 粒 径 为 0 52 e ra 的 当地 石 料 ， 铣 削 型钢纤维 ， N S F硅粉剂及丙乳按一定配合 比制成 ， 较 传统混凝 土提高 了早 期强度 及最终强度 ， 改善 了混凝 土离析 和泌水 的性 能 ， 适用于 水工建筑 物溢流 面及水 彭新颜 寒旱区水工混凝土结构常见病害及修复技术 位 临界面破坏 的修 复处 理 ， 具体修 复施 工工序 为 ： 基 面处理 。采用风钻 对混 凝土表 层进 行喷砂 打 毛 ， 之后 用高压水 流 冲洗 以露 出新鲜 混 凝 土层 面。 砂 浆配 置 。将原干料按 照设计 配合 比使用搅 拌机 均 匀搅拌 ， 转 运至施 工作业面后 ， 再通过人工搅拌掺加丙 乳胶 ， 确 保 随拌随用 。 涂刷界面剂并喷射砂浆 。在 已凿毛清 洗后 的混凝 土基 层上涂抹一层 丙乳净浆并找平 受喷面 较 大坑洼 处 ， 待其 固结后再 喷射丙 乳硅粉 钢纤维 混凝 土砂浆 ， 同时控 制 混凝 土塌 落度在 8 c m左 右 。施 工结 束后 ， 铺设 塑料保水 薄膜 于新 浇筑 的混凝土砂浆 表层 。 养护 。待砂浆基本 固结后 ， 可滚涂 砂丙乳水 泥净浆 ， 采用 喷雾 器喷雾进 行养 护 ， 在混 凝土 砂浆 浇筑 7 2 h后 可缓慢浸水进行 蓄水养 护 ， 养 护 7 d以后投入使用 。 2 4外包钢加 固修复技术 针对寒旱 区破 坏严 重且受 力集 中的出水 塔 、 管 道 镇墩 等结构 ， 可采 用型钢外包 箍 紧混凝土结 构基础 的 方式 阻止破 坏扩展 ， 从 而修 复提高结 构 的刚度和承 载 力 。外包钢加 固修 复技 术包括 干式 和湿式 两 种 ， 其 中 干式要 求钢 材 同原 构件没 有任何黏 结 ， 应使 用紧 固件 使混凝土表 面 与钢 材 紧 密结 合 ， 以保 证 其协 同工作 。 湿式 则是采 用乳胶黏 结原构 件与钢材 ， 以使 两者 问具 有 良好 的同步协调工作能力 。外包钢加 固修复技 术 施工简便 ， 造价较低 ， 适用于提升寒旱 区水工 混凝土构 件承载力和安全性 的施工修复 。 2 5 超快硬混凝 土修 复技术 针对寒旱区机井 、 渡槽 、 闸 门 、 压力 前池 等重要 过 水设施 的应急抢 险施 工 ， 应采用 超快硬 混凝 土修复技 术。可采用超快硬 混凝 土修复 王作 为水泥 材料 ， 总重 约 2 4 0 0 k g 1 31 ， 其配合 比为 修复 王 ( A+B) 1 4 0 0 k g m 、 粗骨料 9 8 0 k g m 、 水 8 4 k g m ， 其 中修复王 A与 B基料 按 1 ： 1 混合使用 ， 粗骨料宜采用 1 03 5 mm连续 级配 的 碎石 ， 用 水量 为修 复 王 的 5 5 6 ， 拌制 后 的混 凝 土或水 泥砂浆可在 1 5 rai n内凝 固， 施工 1 h后 即可达到 使 用强 度要求 。其具 体施工 工 序为 ： 严 格按 照计 算需求 量将 修 复 王黄 色包 装 的 A料 及 白色包 装 的 B 料 与粗 骨料倒 人搅 拌机 内， 充分搅 拌 3 0 mi n后 加水 搅 拌 ， 直 至混合料呈 现 良好 的流动性 和黏性 为 止。因超 快硬混凝 土初凝 时间短 ， 必须随拌随用 ， 避免 浪费 。( b ) 在 经过处 理后 的基面上 浇筑超快 硬混凝 土时 ， 应 立 即 使用平 板振或振捣棒充分振捣 ， 确保振捣密 实 ， 同时 因 修 复王的 自流平特性 ， 所以要 不断抹面 ， 直至 超快 硬混 凝土初凝 。浇筑 1 h后 ， 混凝土即可达到设计 强度要 求 并无需进行专 门养护 。 由于超快硬混凝 土初 凝时 间短 ， 一 般 只 用 于 局 部 修 复 ， 对 于 大 体 积 施 工 要 求 较 高。 综上所述 ， 采用环 氧树脂砂浆技术 、 输 水防渗渠 道 技术 、 丙乳硅粉 钢纤维 混凝 土砂浆技 术 、 外包钢加 固技 术 以及超快硬混凝土技术可针对性地修 复寒 旱 区水工 混凝 土建筑 物的常见 病害 ， 最 大限度地 降低混凝 土结 构损 坏对水 工构筑 物运行 的影响 ， 在寒 旱 区水 工混凝 土结构修复工程 中拥有广 阔的应用前景 。 3结语 我 国寒早 区水工混凝土结构 因其特有 的工作环境 而遭受 多种病 害的威胁 ， 探究该 区域水 工混凝 土常见 病 害的成 因与机理 ， 提 出切实 可行 的水 工混凝 土修复 技术与工艺 ， 可 以明显改善水工混凝土结构外 观质量 ， 提高混 凝土抗 侵蚀 的能 力 ， 增强 建筑物 的安全性 和耐 久性。值得注意 的是 ， 应加 强该类 区域水 工混 凝土 建 筑物的运行管理 ， 严格 遵循设 计预定 工况运行 ， 严禁 超 负荷运行 ， 加强对建筑物特殊易损部位 的监测 ， 发 现 问 题及 时进行科 学规范的处理 ， 注重定 期维护 、 严禁带 病 运行 ， 以降低 水工混凝土病 害发生概率 ， 提高该 区域 水 工混凝 土结构的使用寿命 。 参考文献 1 王志民， 郜文英常见水工混凝土质量缺陷成 因分析及预 防处理 J 水利建设与管理 ， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 4 O _ 4 2 2 张焕敏， 涂兴怀水工混凝土裂缝 的成因及控制 J 混凝 土 ， 2 0 0 5 ( 1 0) ： 7 4 - 7 7 3 王俊发， 马旭 ， 周海波混凝土衬砌渠道冻胀破坏的机理 及力学分析 J 佳木斯大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 6 ， 2 4 ( 2) ： 3 0 8 3 1 1 4 王思洪浅谈水工混凝土碳化及冻融破坏的处理 J 水 利建设与管理 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 5 9 - 6 2 5 梁迎玉浅谈碱一 骨料反应对水工混凝土的危害及其 防治 措 施 J 水利 建设 与管理 ， 2 0 0 9 ( 5 )： 1 5 1 6， 4 6 路维 水工混凝土结构修 复材料述评 J 四川建筑科学 研究 ， 2 0 1 4， 4 0 ( 2 )： 2 2 9 2 3 1 7 潘珂 ， 覃德勇丙乳硅粉钢纤维混凝土在水工混凝土缺陷 处理工程中的应用 J 科技信息， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 3 6 4 3 6 5 8 刘 明杰超快硬混凝土修复王在抢修工程 中的应用 J 科技创新与生产力， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 9 7 - 9 8 9 钟毅 ， 陈一民 浅谈水工混凝土修复技术 J 四川水力发 电 ， 2 0 1 0 ( S 1 ) ： 1 1 1 1 1 3， 1 6 8 5 3