徐志林 徐廣忠 張為然

(1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110003；2.丹東市水務(wù)服務(wù)中心，遼寧 丹東 118000；3.遼寧省臺安縣水利局，遼寧 臺安 114100)

1 概 述

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，水利工程建筑材料的使用也在不斷地更替變化。相較于傳統(tǒng)的土、石材料，混凝土由于其優(yōu)異的工程適用性，在水利工程建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，混凝土自身也存在諸多缺點，在設(shè)計或使用不當(dāng)?shù)那闆r下，可導(dǎo)致混凝土建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、滲漏、剝蝕和碳化等病害或缺陷，影響水工結(jié)構(gòu)的耐久性。

針對水工混凝土病害缺陷，國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對相關(guān)的防護(hù)修補(bǔ)處理技術(shù)和材料研究早已展開，也取得了豐碩的成果，各類防護(hù)修補(bǔ)新技術(shù)、新材料[1-2]大量涌現(xiàn)并在工程實際中得到很好的應(yīng)用。以常見的水工混凝土病害裂縫為例，水工混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)有裂縫表面修補(bǔ)法、灌漿嵌縫充填法(包括壓力注漿法、涂膜封閉法、開槽填補(bǔ)法)、結(jié)構(gòu)加固法和混凝土置換法，近年工程實際應(yīng)用中常見的防護(hù)修補(bǔ)材料有HK-966、HK-988[3]、SK手刮聚脲[4]、環(huán)氧漿材、聚合物水泥砂漿[5]、聚氨酯漿材[6]和丙烯酸鹽漿材等。

在水工混凝土病害缺陷防護(hù)修補(bǔ)過程中，各種修補(bǔ)技術(shù)、材料在應(yīng)用過程中的質(zhì)量控制以及修補(bǔ)后效果監(jiān)測工作未得到相應(yīng)的重視，導(dǎo)致防護(hù)修補(bǔ)過程中出現(xiàn)技術(shù)、材料選擇不當(dāng)，施工過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)導(dǎo)致修補(bǔ)效果差，完工后修補(bǔ)效果未達(dá)標(biāo)引發(fā)責(zé)任糾紛等問題。因此，開展水工混凝土防護(hù)修補(bǔ)質(zhì)量控制和效果監(jiān)測相關(guān)研究具有很重要的現(xiàn)實意義。

2 防護(hù)修補(bǔ)質(zhì)量控制技術(shù)

通過開展相關(guān)材料及施工過程的一系列檢測與試驗，歸納總結(jié)防護(hù)修補(bǔ)原材料質(zhì)量控制、施工過程質(zhì)量控制、完工質(zhì)量控制三方面技術(shù)要點。

2.1 原材料質(zhì)量控制指標(biāo)

目前，防護(hù)修補(bǔ)領(lǐng)域尚無應(yīng)用材料的統(tǒng)一控制標(biāo)準(zhǔn)。參照有關(guān)國家或地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，在材料的基本性能滿足工程需求的前提下，確定以下控制指標(biāo):

a.防護(hù)修補(bǔ)材料與被補(bǔ)材料之間的熱膨脹系數(shù)差值應(yīng)控制在50%以內(nèi)。處于溫度變化大的環(huán)境中的水工混凝土，研究其與防護(hù)修復(fù)材料的熱相容性特別重要[7]，尤其是在結(jié)構(gòu)初期整體防護(hù)和后期大范圍修補(bǔ)中，熱膨脹系數(shù)直接影響修補(bǔ)材料應(yīng)力的發(fā)展。常見的聚合物修補(bǔ)材料有較高的熱膨脹系數(shù)，為混凝土的6～14倍，在早期修補(bǔ)應(yīng)用中常常出現(xiàn)分離、剝落和裂縫。為了降低聚合物的熱膨脹系數(shù)，目前常用的做法是在聚合物中增加填料或骨料，但改良后聚合物的熱膨脹系數(shù)仍是混凝土的1.5～5倍，導(dǎo)致修補(bǔ)材料發(fā)生膨脹時，約束力使修補(bǔ)材料出現(xiàn)開裂、翹曲或剝落。因此，在防護(hù)修補(bǔ)材料與混凝土基面之間的膨脹系數(shù)差值，盡量控制在50%范圍之內(nèi)，避免其修補(bǔ)的再生裂縫產(chǎn)生。

b.防護(hù)修補(bǔ)材料的彈性模量應(yīng)等于或接近被補(bǔ)材料的彈性模量。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)保持防護(hù)修補(bǔ)材料與混凝土基面的彈性模量相同或相近，保證修補(bǔ)處受力均勻。彈性模量較低的修補(bǔ)材料在修補(bǔ)過程中表現(xiàn)出較高的塑性變形和較低的內(nèi)部應(yīng)力，避免了保護(hù)性或非結(jié)構(gòu)性修補(bǔ)中裂縫和分離產(chǎn)生。

表面封堵材料、灌漿材料、界面材料在防護(hù)修補(bǔ)設(shè)計階段應(yīng)重點研究其材料性能及工程適用性，且在進(jìn)場階段需要在現(xiàn)場檢查材料出廠合格證、有效期、質(zhì)量檢驗報告和進(jìn)場抽樣檢驗報告，同時應(yīng)該做生產(chǎn)性灌漿和涂刷試驗，驗證材料的膨脹量、實際涂刷面積等關(guān)鍵性能。

2.2 施工過程質(zhì)量控制

a.裂縫連通性。在水工混凝土裂縫、伸縮縫處理中，為了防止裂縫、伸縮縫發(fā)生滲漏，需要鉆灌漿孔后進(jìn)行化學(xué)灌漿，才能完成縫內(nèi)封堵工作。因此，保證灌漿孔與所處理的裂縫、伸縮縫的連通性是完成化學(xué)灌漿的前提條件[8]。

試驗內(nèi)容為檢測裂縫深度，驗證裂縫的貫通性。比如選取水庫閘壩的閘墩一側(cè)裂縫處灌注壓力水，持續(xù)觀測閘墩另一側(cè)同高程處滲水情況。如果另一側(cè)裂縫同高程處以下有明顯的滲水痕跡，即可再加大灌注量10min，直到明顯有持續(xù)水流即可停止該裂縫處灌注試驗，從而確定裂縫與鉆孔之間的連通情況，為后續(xù)的實際灌漿施工提供較為準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

b.檢查孔布置。貫穿性裂縫、深層裂縫及對結(jié)構(gòu)整體性影響較大的裂縫，應(yīng)在施工的同時布置檢查孔，且每條縫至少布置1個檢查孔；每100m長裂縫布置檢查孔數(shù)不少于3個，當(dāng)處理長度小于100m時，也應(yīng)當(dāng)布置3個檢查孔。

c.灌漿孔壓水試驗。在裂縫處灌注壓力水，采用灌注壓力水試驗進(jìn)行檢測，持續(xù)觀測水壓力變化情況和進(jìn)水量情況。

主要技術(shù)參數(shù)包括：孔徑14mm，鉆孔深度30～60cm，鉆孔角度40°～45°，鉆孔與裂縫間距30～50cm，注水壓力0.3MPa(注漿機(jī)壓力表)，穩(wěn)壓時間不少于30min。

試驗檢測工序為布孔和鉆孔→清理混凝土表面和清孔→埋設(shè)注漿嘴(塞)→注水及觀察水壓力變化和進(jìn)水量情況→拆嘴→封口→驗收。壓水檢查合格后即可提交完工報告(含灌漿效果檢查統(tǒng)計表)；對于檢查不合格的區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)灌，直至再次檢查合格。

d.灌漿密實度。為了檢測內(nèi)部灌漿及封堵效果，可以對處理后的部位有針對性地進(jìn)行鉆孔取芯，以便更為直觀地觀察漿液分布情況，檢測內(nèi)容包括深度、范圍、飽和度等。現(xiàn)場灌漿密實度鉆孔取芯驗證情況見圖1。

圖1 現(xiàn)場灌漿效果鉆孔取芯驗證

2.3 實體質(zhì)量控制

a.表觀檢查。對于一般涂層材料，表觀要求顏色均勻、平整、無流掛、無漏涂、無針孔、無起泡、無開裂、無異物混入；對于聚脲涂層，表觀要求應(yīng)均勻涂覆，涂層厚度應(yīng)滿足設(shè)計要求，不起泡、不粉化、不剝落、不龜裂。

b.黏結(jié)性能。主要考察防護(hù)修補(bǔ)材料與混凝土基面之間的黏結(jié)性能。

試驗設(shè)備采用SW-TJ10型碳纖維黏結(jié)強(qiáng)度檢測儀，按照直接拉脫試驗檢測涂層與混凝土基面的正拉黏結(jié)強(qiáng)度，檢測頻率為每400m2抽取一組(一般現(xiàn)場隨機(jī)抽取3個測區(qū)共9個檢測點進(jìn)行試驗檢測，檢測點間距大于500mm)。當(dāng)檢測值不小于2.5MPa或基層混凝土破壞時滿足質(zhì)量控制要求。

c.涂層厚度。在涂層涂覆完成7天后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行干膜厚度測試，每50m2面積檢測一個點，測點總數(shù)應(yīng)不少于30個。平均干膜厚度不應(yīng)當(dāng)小于設(shè)計干膜厚度，最小干膜厚度不應(yīng)小于設(shè)計厚度的75%，當(dāng)不符合上述要求時，應(yīng)根據(jù)情況進(jìn)行局部或全部補(bǔ)涂，直到達(dá)到要求的厚度為止。

檢測頻率及儀器設(shè)備：當(dāng)每400m2抽取一組檢測時，用卡尺測量黏結(jié)強(qiáng)度檢測完成后鋼標(biāo)準(zhǔn)塊上留下的涂層厚度；當(dāng)每100m2抽取一組檢測時，采用超聲涂層測厚儀直接現(xiàn)場檢測。

3 防護(hù)修補(bǔ)效果監(jiān)測技術(shù)

通過對近年來已完成防護(hù)修補(bǔ)的水利工程開展的原位跟蹤觀測與室內(nèi)試驗，開展混凝土缺陷防護(hù)修補(bǔ)處理前后運(yùn)行狀況、材料老化狀況、黏結(jié)性能、現(xiàn)場鉆芯取樣試驗等對比分析。

3.1 原位監(jiān)測

a.運(yùn)行狀況。主要觀測缺陷處理前后以及運(yùn)行若干年后處理部位的運(yùn)行狀況，從而判斷是否達(dá)到缺陷處理的目的，是否對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生其他影響等。

下面以遼寧省后樓水庫溢洪道邊墻裂縫滲漏修補(bǔ)工程為例進(jìn)行介紹。該工程修補(bǔ)處理前邊墻裂縫滲漏明顯，2011年完成裂縫滲漏修補(bǔ)處理，2020年開展了運(yùn)行狀況原位觀測。觀測結(jié)果表明，9年間裂縫部位表面封閉材料未出現(xiàn)開裂老化情況，裂縫密封效果良好，未再出現(xiàn)滲水現(xiàn)象(見圖2)。

b.材料老化狀況。主要觀測缺陷處理材料的外觀老化情況，從而判斷材料是否發(fā)生劣化，是否需要進(jìn)行二次補(bǔ)償修復(fù)等。

后樓水庫溢洪道邊墻裂縫滲漏修補(bǔ)工程在2011年修補(bǔ)處理施工時調(diào)配的聚脲顏色偏藍(lán)，運(yùn)行9年后觀察發(fā)現(xiàn)，手刮聚脲涂層的表面顏色稍微變淺，表層輕微粉化，粉狀物呈白色，將粉狀物抹掉之后，其顏色仍然保持原有色澤，沒有明顯變色表現(xiàn)，表明材料略微發(fā)生老化。

c.黏結(jié)性能。主要測試材料正拉黏結(jié)強(qiáng)度，了解防護(hù)修補(bǔ)材料與混凝土基面之間的黏結(jié)性能，從而評價防護(hù)修補(bǔ)效果。

后樓水庫溢洪道邊墻運(yùn)行9年后，現(xiàn)場預(yù)留試驗段實測正拉黏結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果為2.89MPa，滿足正拉黏結(jié)強(qiáng)度大于2.5MPa的質(zhì)量控制要求。試驗情況見圖3。

3.2 鉆芯取樣試驗

除了通過原位跟蹤觀測與試驗，獲取運(yùn)行狀況、材料老化狀況及黏結(jié)性能數(shù)據(jù)外，還需定期到工程現(xiàn)場進(jìn)行鉆芯取樣，開展涂層厚度、碳化深度、抗凍和抗?jié)B性能等試驗，為防護(hù)效果評價提供更為可靠的依據(jù)。

a.涂層厚度。涂層厚度試驗主要觀察過流面涂層磨損情況和表面老化情況，通過檢測涂層厚度，推斷過流磨損和老化程度。試驗情況見圖4。

b.碳化深度。碳化深度檢測主要考察表面封閉材料對混凝土的防碳化保護(hù)作用，通過檢測對比分析掌握碳化未防護(hù)和防護(hù)的混凝土碳化速度的差異，進(jìn)而推斷碳化防護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提升幅度。試驗情況見圖5。

c.抗凍和抗?jié)B性能。通過抗凍性和抗?jié)B性試驗結(jié)果推斷表面防護(hù)修補(bǔ)材料對混凝土的防凍防滲作用效果，驗證材料在防滲漏、抗凍害方面的性能優(yōu)勢，為提升混凝土耐久性及使用壽命提供可靠的判定依據(jù)。

圖5 鉆芯取樣后碳化深度測試試驗

4 結(jié) 論

本文以水工混凝土防護(hù)修補(bǔ)技術(shù)實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，總結(jié)提出防護(hù)修補(bǔ)質(zhì)量控制與效果監(jiān)測技術(shù)，對防護(hù)修補(bǔ)材料選擇、施工過程和結(jié)構(gòu)實體等關(guān)鍵步驟進(jìn)行質(zhì)量控制，并通過原位監(jiān)測和現(xiàn)場鉆芯取樣對防護(hù)修補(bǔ)效果進(jìn)行監(jiān)測評價。相關(guān)成果對提升水工混凝土防護(hù)修補(bǔ)質(zhì)量、延長混凝土工程使用壽命，具有重要指導(dǎo)和實踐意義。