張 宇

(遼寧省水資源管理集團有限責(zé)任公司，沈陽 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)量問題在施工過程中極為常見?？紤]到混凝土材料、配合比設(shè)計、澆筑施工等因素的作用，在使用、凝結(jié)、澆筑過程中混凝土很容易產(chǎn)生各種缺陷，從而降低結(jié)構(gòu)強度等級[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，當混凝土抗拉強度小于其拉應(yīng)力時微裂縫就會不斷發(fā)展，從而形成宏觀的連通裂縫。裂縫的存在將進一步產(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)嚴格控制混凝土澆筑過程中的施工質(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；骨料級配不合理、原材料不合格或混凝土拌和計量有誤；澆筑振搗時出現(xiàn)漏振、過振、欠振的情況，由于不合理的澆筑方式而產(chǎn)生骨料分離；未嚴格控制施工工藝、養(yǎng)護不當?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)力超過混凝土強度而產(chǎn)生的破壞。一般地，可以按照不同的機理，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，當持續(xù)增加的膨脹應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時就會產(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度，混凝土最終產(chǎn)生破壞。對于選用石灰?guī)r碎石的混凝土，其骨料還會與酸性介質(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。相對于原來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致密的混凝土表面脫落或開裂，而混凝土脫落將進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，并對構(gòu)筑物的安全運行造成不利的影響[8-10]。

3.3 空蝕與沖磨破壞

空蝕破壞是指高速水流形態(tài)突然變化時產(chǎn)生的局部真空負壓使得水汽化形成的氣泡迅速破滅，在高強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)沖擊力超過混凝土強度，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，強度等級降低，不斷連通擴展的微裂縫使得混凝土表面出現(xiàn)剝落破壞。實質(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，在表層細微裂縫修復(fù)時該方法較為常用，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，從而實現(xiàn)加固與修補，通過貼補防水片或土工膜可以對大范圍漏水淺裂縫進行堵漏防滲。

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

3)壓力灌漿法：針對深層寬大的裂縫，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強類兩種，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 錯臺、孔洞、蜂窩修復(fù)

針對低于或高出混凝土平面的錯臺部位可以利用適宜的修補材料回填或?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區(qū)，在修補區(qū)四周化成相對規(guī)則的梯形、長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，對于需要按要求填補表面氣孔的一般選用不易流掛的環(huán)氧膠泥處理，由此實現(xiàn)大范圍的涂刮作業(yè)；對于無孔氣要求的可以按標準涂刮至2mm以下或全部刮走，可對氣孔點補或向孔氣內(nèi)充填材料。

一般的麻面修補厚度不超過2mm，將松動的顆粒打磨鑿除至密實后可用高壓風(fēng)除沉浮，然后對表面用薄層材料修補并保證修補厚度達到要求。工程中，對混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的紗線多利用電動角磨機進行磨平處理。

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3mm，對此必須實施保護層。目前，對高流速過水、攜沙石構(gòu)筑物的抗沖磨蝕比較常用的保護材料為改性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、溢洪道以高流速沖蝕破壞為主，四川二灘電站泄洪洞以高流速沖磨破壞、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，比較常見的各種過流面沖磨蝕破壞現(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，若破壞范圍大且強度高需要對摻氣設(shè)施改進、改造，及時準確的識別出引起氣蝕的原因，并采取有效的解決措施，然后利用高強修補材料或高出原結(jié)構(gòu)1-2個強度等級的混凝土進行補強處理。若不具備摻氣設(shè)施改進、改造的條件，建議用不低于80MPa以上的高強抗沖蝕材料和植鋼筋掛設(shè)鋼筋網(wǎng)的方式進行修補。

5.3 剝蝕掉塊、沖蝕坑槽修復(fù)

針對剝蝕掉塊的問題，需要對銹蝕鋼筋附近的混凝土進行剔除并對鋼筋除銹。除銹后，采用防銹劑(漆)涂刷鋼筋表面，也可選用回填修補材料的方式或者不產(chǎn)生鐵離子置換的材料實行保護，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、沖蝕坑槽問題，通常選用常規(guī)處理的方法對水工混凝土缺陷實行回填修補，對深度>30cm或沖蝕掉塊范圍超過2m2的沖蝕坑槽，宜選用高出原結(jié)構(gòu)一個強度等級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構(gòu)筑物的安全運行構(gòu)成潛在威脅，這種普遍存在的現(xiàn)象越來越成為運行管理單位亟待解決的問題。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)簡要總結(jié)了抗沖磨的修復(fù)效果，提出在經(jīng)濟、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水庫還沒有合適的處理方法。對此，仍需深入研究高性能抗沖耐磨材料、評估方法以及缺陷檢測技術(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，最大程度的減少對水工構(gòu)筑物的破壞。