舊混凝土預制板在調水工程渠道襯砌中的應用

楊 波 ，韓 鵬，徐子龑，馬吉剛

(1.山東省調水工程運行維護中心東營分中心，山東 廣饒 257300；2.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100；3.山東水發集團，山東 濟南 250102)

1 研究背景

1.1 我國廢棄混凝土處理現狀

目前，我國的廢棄混凝土除小部分被用作建筑物以及道路的基礎墊層外，大部分被運往郊區，采用堆放或填埋的方式進行處理。建筑垃圾對城市發展和人居環境造成了嚴重危害，主要表現為：日益增長的混凝土需求需要大量開采砂石資源，而且天然巖石資源的長期開采會造成生態破壞、山體滑坡等，危害自然環境；廢舊垃圾被直接填埋處理不僅消耗能量，浪費資源，造成砂石資源的匱乏；垃圾堆放占用大量土地資源，影響市容市貌，阻礙城市的發展進程；垃圾的清運工作耗費大量的人力財力，垃圾堆放及運輸過程中帶來的大量粉塵會造成環境的污染；長時間堆放的垃圾經過雨水的沖刷，其中殘留的重金屬等有毒物質會造成土壤、水源質量的惡化，危害居民的身心健康。

1.2 舊混凝土預制板檢測復用的可行性

山東省引黃濟青工程已經建成運行 30 年，新建膠東地區引黃調水工程也已運行17年。自2014年以來，受厄爾尼諾現象影響，膠東地區連續出現極端氣象干旱，工程長期超負荷運行已經成為常態化，給工程的運行管理帶來了巨大的壓力。同時暴露出的問題還有渠道襯砌受到不同程度的損壞、渠道的過流能力下降等，都直接影響青島等城市的供水安全。為了解決引黃濟青存在的問題，滿足引江與引黃的需要，2014年，山東省發展和改革委員會及山東省水利廳聯合發布《關于引黃濟青改擴建工程初步設計及概算的批復》(魯發改重點[2014]694號文)。在引黃濟青改擴建工程渠道襯砌改造工程中，將拆除襯砌板約24萬m3，大量的混凝土舊板處置問題亟待解決；同時根據《山東省引黃濟青改擴建工程可行性研究安全鑒定質量檢測報告》，在對混凝土強度及抗凍性能抽測結果中，部分舊板強度和抗凍性能達到設計要求，這部分舊板可以利用。

在引黃濟青改擴建渠道襯砌工程第一期實施過程中，已有部分舊混凝土預制板拆除后再利用，此次實驗研究結合引黃濟青改擴建渠道襯砌工程第二期實施，研究一套可驗證、可復制的檢測、實施方法，降低工程改擴建升級造成的環境影響，進一步提高舊混凝土預制板的利用效率，降低工程成本。

2 研究內容

2.1 輸水渠襯砌現狀調研

為了滿足渠道的防滲、護坡、減少糙率的要求，引黃濟青工程對新開挖的201.25km渠道進行護坡襯砌，共包括八種襯砌型式，見表1。

表1 渠道護坡八種襯砌型式

八種襯砌型式基本分為兩類，一是采用預制板襯砌的渠段總長度為151.297km，板的厚度均為6cm，單板平面尺寸分為40cm×60cm和50cm×75cm兩種型式，混凝土強度標號均為200號，抗滲S8，在最低蓄水保溫水位以上采用抗凍混凝土，標號D150，在保溫水位以下采用非抗凍混凝土；二是采用現澆混凝土板襯砌的渠段總長49.953km(包括4.057km噴射混凝土)，現澆板厚度6cm、噴射混凝土板厚度5cm，混凝土強度標號為200號、抗滲S8，抗凍標號D150。因此了解原襯砌板的原始質量對板的質量評價、重新使用至關重要。通過查找原始檔案資料，對原始施工質量進行羅列評價。本次研究對象為第一類采用預制板襯砌的渠段，選擇引黃濟青干渠東營段作為試驗段。

2.2 舊混凝土預制板外觀尺質量評價

通過對引黃濟青干渠東營段兩側護坡現狀進行調查，雖部分渠道襯砌因凍脹而破壞，且岸坡局部坍塌，但對于舊混凝土預制板本身而言，板體相對完整，斷裂、剝蝕的板塊占比較少，說明已運行30年的襯砌板預制施工工藝、配合比、強度和抗凍指標滿足工程需要，原材料質量滿足設計要求。

2.3 舊混凝土預制板的物理力學特性分析

(1)混凝土碳化測試

混凝土碳化是混凝土所受到的一種化學腐蝕。空氣中CO2氣滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化。在滲透水經過混凝土時，石灰的溶出速度還將決定于水中是否存在影響Ca(OH)2溶解度的物質，如水中含有Na2SO4及少量Mg2+時，石灰的溶解度就會增加；如水中含有Ca(HCO3)2的Mg(HCO3)2對抵抗溶出侵蝕則十分有利，因此對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果。

碳化厚度檢測直接在鑿開的舊混凝土預制板表面滴1%的酚酞酒精溶液；用游標卡尺測定沒有變色的混凝土的深度，每次讀數精確至0.5mm。此次試驗共對水上部分的混凝土襯砌板進行了五次測量，臨空面測量值為6.98、7.68、6.18、6.34、7.62mm，平均值為6.96mm，另一面基本沒有碳化現象。

(2)致密性測試

混凝土預制板經多年運行，內部容易出現細小裂紋，空洞，對混凝土的再生利用有一定的影響。因此取混凝土切塊采用顯微鏡測量其致密性和裂紋等缺陷，沒有發現再生的裂紋缺陷，混凝土內部致密，小空洞較少。

(3)強度測試

對舊混凝土預制板的強度檢測采用整板檢測和試塊檢測的方式。其中對整塊板檢測方法采用回彈法、橫波強度法、超聲無損測試法。試塊檢測把襯砌板切割成5cm×5cm×5cm的試塊，在壓力機上進行抗壓強度試驗。經檢測可知，襯砌板抗壓強度在21.3～35.6MPa之間，強度滿足要求，經30年的運行，其強度并有增大的趨勢。

(4)舊混凝土預制板吸水率檢測

根據引黃濟青舊襯砌板的尺寸切割試塊(50mm×50mm×50mm)。試驗以24個試件為一組，共按抗凍性能所需試件一共6組。每個試塊稱重后，將其在20℃±3℃的水中浸泡，浸泡時水面應高出試件頂面20～-30mm，在水中浸泡的時間為4d，通過對比吸水前和吸水后質量，計算吸水率，見表2。

表2 舊混凝土預制板吸水率試驗數據

由數據可以明顯看出引黃濟青舊混凝土襯砌板吸水率很低，對于混凝土抗凍融有著顯著的優勢。

(5)舊混凝土預制板抗凍性能實驗

①舊襯砌板混凝土凍融強度變化實驗

試驗以24個試件為一組，在吸水飽和后，承受反復凍融循環，凍融25次，抗壓強度損失4.69%；凍融50次，抗壓強度損失10.89%；凍融75次，抗壓強度損失14.91%；凍融100次，抗壓強度損失17.25%；凍融125次，抗壓強度損失18.95%；凍融150次，抗壓強度損失23.81%。基于引黃濟青改擴建工程襯砌板設計C30、F150，凍融試驗強度損失不超過25%，運行多年仍然滿足混凝土最初設計要求。實驗結果見表3。

②舊混凝土預制板凍融質量變化實驗

試驗以24個試件分為4組，在吸水飽和后，承受反復凍融循環，凍融25次，質量損失率為0.01%；凍融50次，質量損失率為0.30%；凍融75次，質量損失率為0.94%；凍融100次，質量損失率為1.04%；凍融125，質量損失率為1.35%；凍融150次，質量損失率為2.03%。基于引黃濟青改擴建工程襯砌板設計C30、F150，由以上數據可知引黃濟青舊混凝土預制板凍融后質量損失逐漸增大，但是滿足引黃濟青預制襯砌板設計指標F150，質量損失率不超過5%，其中凍融150次質量變化試驗結果見表4。

2.4 舊混凝土預制板再利用

通過對混凝土預制板施工時(1988年)質量檢測成果分析，板的配合比符合設計要求，強度、抗凍性滿足工程要求，具有可再用的基礎條件。運行30年后，雖出現岸坡坍塌、隆起等破壞現象，但板完整性較好，板的斷裂、剝蝕現象較小，說明現狀板的工程性能滿足工程防護需要。經對外觀尺寸滿足襯砌要求的襯砌板取樣進行室內試驗，對其碳化、強度、密實性和抗凍進行室內試驗，其指標符合再利用的條件，可以推廣使用。為確保舊板再利用率，舊板在拆除過程中要做到輕拿輕放，盡可能保持預制板完整清潔，避免受到人為破壞。舊板在復用實施過程中要做到集中利用，嚴禁與新板混搭，以便于得到更全面的驗證，為下一步推廣使用提供可靠的技術支撐。

3 應用實踐

舊板包括渠道最低蓄水保溫水位以上部分的抗凍板和其他部分的非抗凍板。在引黃濟青改擴建渠道襯砌工程第一期實施過程中，直接復用約30%廢舊混凝土襯砌板。在地下水含硫酸根離子量超標的渠段，全部采用抗硫酸鹽性混凝土，拆除的舊板可用作防護板安裝；在地下水含硫酸根離子量未超標的渠段，渠道最低蓄水保溫水位以上部分的30%抗凍板，滿足原設計指標C20的表面平整且完整的可鋪設于渠底或渠坡底部，其他拆除舊板可用于防護板安裝。

此次試驗結合引黃濟青改擴建東營段渠道襯砌工程第二期實施，將外觀尺寸及物理力學指標滿足要求的進行回收利用。一部分舊板用作渠坡襯砌，襯砌結構自下而上是：聚苯乙烯保溫板+復合土工膜+M15水工砂漿砌筑舊混凝土板(58cm×38cm×6cm)，砌縫3cm；另一部分舊板用作防護板安裝；渠底由于采用C30混凝土現澆，不利用舊板。在東營段輸水干渠(1500m)實施工程中，舊板拆除1812.5m3、利用746m3(其中防護板安裝140m3，渠坡襯砌596m3)，舊板綜合利用率為41.16%，提高了舊板利用率，減少了舊板外運和廢棄處理，降低工程建設成本的同時，保護了生態環境。

4 效益分析

隨著科學技術、人類生產水平的提高及對資源環境保護觀念的日益重視，舊混凝土預制板復用的綜合效益不能單純以投資成本和收益來衡量，而應該綜合考慮經濟、社會和環境等綜合效益。

4.1 經濟效益

引黃濟青改擴建工程設計方案中，舊混凝土預制板主要用于襯砌改造堤頂防護板和部分渠段渠底鋪設。經研究后將外觀尺寸及物理力學指標滿足要求的舊混凝土預制板用于渠坡襯砌。通過增加渠坡襯砌用途，提高了引黃濟青干渠拆除舊板的利用率，合理利用資源，廢舊混凝土的就地利用可以減少垃圾清運過程中產生的人力財力等運輸費用，降低了工程建設成本，對于我省乃至全國的混凝土預制板襯砌工程將有重要的指導意義。得到推廣應用后，可以產生較大的經濟效益。

4.2 社會效益

黨的十九大提出“創新、協調、綠色、共享、開放”發展理念，要求各行各業貫徹落實，山東省委省政府研究制定《山東省水安全保障總體規劃》，明確提出“尊重自然、順應自然、保護自然，加強水生態保護與修復，保護水資源”，要求水利工程綠色發展。該項目的順利實施，較好地貫徹水利工程綠色發展理念，可以有效提高膠東調水工程的輸水能力，對膠東四市水資源保障有著重要的政治意義。該項目研究屬技術創新，研究成果在水利行業舊混凝土預制板復用中起到示范作用，社會效益顯著。

4.3 生態效益

根據引黃濟青改擴建工程初步設計方案中描述，舊混凝土預制板作為廢料就近埋置在渠道兩側棄土區及取土坑內。廢舊混凝土的堆放占用大量土地，威脅人居環境。現通過舊板復用，降低了處置廢舊襯砌板所需的土地資源，減少了因舊混凝土預制板裸露、受風化作用影響破碎、生成粉塵顆粒帶來的大氣和水環境污染；同時減少建材的開采，相應減少了混凝土、骨料等建材的使用量，對生態環境有較好的保護作用。

5 結語

研究表明，舊混凝土預制板檢測后復用在實際工程中的應用是完全可行的。試驗通過研究提出一套快速有效的舊板直接復用的綠色檢測方法，推廣至引黃濟青改擴建輸水渠襯砌改造工程中，為我國已建成調水工程的改建、擴建及恢復供水能力，提供完整的技術資料和可持續、綠色發展的新思路。