北方寒區河道堤防工程混凝土病害診斷與修補防護研究

王 淳

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

北方寒區河道堤防冬季由于溫度較低，使得河道堤防的安全穩定性受到不同程度的影響，而若不及時進行河道堤防工程混凝土災害診斷，并根據診斷災害類型進行安全修補防護，則會對汛期河道堤防的安全度汛產生較大的隱患[1]。當前，通過研究，北方寒區河道堤防工程混凝土的病害主要為3種類型，第一種為由于溫度過低產生的混凝土裂縫[2]，第二種為由于熱脹冷縮溫度變化影響產生的滲漏[3]，第三種為凍融剝蝕和碳化[4]。這3種河道堤防工程混凝土病害是主要的病害類型，國內河道工程施工和管理的學者針對這3種類型展開大量的研究[5- 10]，但未能對各類型病害評估等級及分類進行系統分析。在北方寒區河道堤防工程混凝土病害類型評估的基礎上，需要對其進行修補防護，從而提高河道堤防工程的安全和穩定程度。近些年來，北方寒區河道堤防混凝土病害修補防護的工藝和方法取得一定的研究成果[11- 15]，但這些成果大都未針對不同病害類型給出相對應的修補防護方式和施工工藝，為此本文結合北方寒區河道堤防工程混凝土病害診斷工程實際，對診斷內容以及病害評估標準、分類進行系統探討，并對不同病害的修補防護方式和工藝進行了闡述。研究成果對于北方寒區河道工程混凝土安全防護具有重要的推廣價值。

1 不同類型病害診斷標準及分類

1.1 裂縫病害

1.1.1診斷內容

河道堤防混凝土裂縫檢測的主要參數為裂縫長度、寬度和深度。宜沿長度和深度方向等距測量裂縫寬度，了解裂縫寬度變化規律，標識寬度最大值和所在位置，并測試深度。 通過裂縫分布及走向，判斷是否具有對稱性，是否貫穿等。 其次判定是否滲水，表面有無析出物，裂縫分布區有無鋼筋，若有則描述其銹蝕情況等。 在貫穿和滲水診斷的基礎上對混凝土抗壓強度、抗拉強度、內部缺陷、碳化深度、埋設鋼筋(保護層厚度、間距、直徑、銹蝕概率)、結構位移和變形、基礎不均勻沉降、混凝土堿骨料反應及其他項目進行必要的試驗檢測。

1.1.2診斷方法

可采用卷尺、米尺、紅外測距儀等測量裂縫長度。 可采用裂縫測寬儀、裂縫刻度尺、刻度放大鏡、塞尺、游標卡尺和千分表等測量裂縫寬度。采用超聲法、面波法，必要時可采用鑿槽法和鉆芯法對裂縫深度進行測定。為驗證裂縫是否貫通，也可采用壓水或試氣試驗，壓水試驗壓力不宜超過0.3MPa，試氣壓力不宜超過0.1MPa。可采用回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法、鉆芯法對凝土強度和碳化深度進行檢測。混凝土抗拉強度可采用芯樣試件劈裂抗拉或軸心抗拉試驗的方法進行檢測。采用雷達法、超聲法、沖擊回波法、彈性波CT法、鉆孔進行混凝土內部缺陷的檢測。

1.1.3等級評估

裂縫等級以裂縫寬度和深度為依據進行分類，評估分類見表1，當裂縫寬度和深度不能同時符合分類指標時，應按靠近、從嚴的原則進行歸類。并根據其分類和所處環境類別綜合確定處理原則，見表2。

表1 河道堤防工程混凝土裂縫分類

表2 混凝土裂縫處理原則

注：*一類：室內或露天環境； 二類：迎水面、水位變動區或有侵蝕地下水環境； 三類：過流面、海水或鹽霧作用區。

1.2 滲漏病害

1.2.1診斷內容

河道堤防工程混凝土滲漏檢測的主要參數為滲漏量、溫度、濕度，分析滲漏量與河道水位、溫度、濕度、時間的關系。主要對集中滲漏、裂縫與結構縫滲漏、散滲等進行檢測，并對滲漏區域進行定位。滲漏狀態通過溶蝕狀況、析出物顏色及性狀等進行描述。對滲漏源及滲漏途徑進行水質分析、揚壓力、混凝土內部滲水通道、止水情況、基礎情況、排水系統通暢情況及其他必要檢測，如混凝土抗壓強度、密度、抗滲等級、彈性模量，混凝土內部缺陷、鋼筋銹蝕情況、有無埋設管路、線纜等。

1.2.2診斷方法

可采用卷尺、米尺、紅外測距儀對滲漏區域進行測量及定位。采用示蹤法、壓水試驗等對滲漏通道及滲漏源進行測量。可采用潛水員、水下機器人、水下電視與示蹤法相結合的方式進行水面以下的滲漏檢測。采用鉆芯法對混凝土抗壓強度、密度、抗滲等級、彈性模量進行檢測。采用雷達法、超聲法、沖擊回波法、彈性波CT法、半電池電位法、鉆孔法等對混凝土內部缺陷、有無鋼筋、管路及線纜、鋼筋銹蝕進行檢測。

1.2.3等級評估

混凝土滲漏可分為裂縫與結構縫滲漏、集中滲漏、散滲漏等，其分類等級見表3。

表3 河道堤防工程混凝土滲漏分類

在進行混凝土滲漏處理時，對 A類滲漏一般不做處理，但影響運行安全時應進行處理。 而對于B、C類滲漏應進行處理，C類滲漏還應進行結構安全分析。 河道堤防迎水側混凝土防滲面板發生裂縫和結構縫滲漏時，應逐條進行處理。

1.3 凍融剝蝕病害

1.3.1診斷內容

河道堤防工程混凝土凍融剝蝕損傷檢測的主要參數分別為損傷面積、長度、寬度、深度、數量及外形尺寸等，應給出主要參數的損傷速率。對損傷區域形態、位置分布，分析損傷與周邊環境、溫度、及時間的關系并進行損傷特征描述。對混凝土的抗拉和抗壓強度、抗凍和抗滲性能、動彈性模、氣泡間距系數、碳化深度、內部缺陷、損傷深度、黏結強度等參數進行檢測，必要時對損傷混凝土微觀結構進行檢測和分析。 鋼筋檢測的參數包括保護層厚度、間距、數量、銹蝕程度。

1.3.2診斷方法

采用卷尺、米尺、紅外測距儀、深度游標卡尺等進行面積、長度、寬度、深度、外形尺寸的測量。外形及尺寸可輔助采用水準、經緯、全站及GPS等方法進行測量。可采用回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法、鉆芯法對混凝土強度和碳化深度進行檢測。采用芯樣試件劈裂抗拉或軸心抗拉試驗的方法對混凝土抗拉強進行檢測。可采用鉆芯法對混凝土抗凍性能、動彈性模量、氣泡間隔系數、抗滲性能進行檢測。采用雷達法、超聲法、沖擊回波法、彈性波CT法、鉆芯法對混凝土內部缺陷、損傷深度、有無埋設管路和線纜進行檢測。采用電磁感應法、雷達法、半電池電位法、鑿槽法等對鋼筋及混凝土黏結強度進行檢測。

1.3.3等級評估

混凝土凍融剝蝕、碳化深度按其對河道堤防危害程度進行分類，其分類等級見表4。按其類別判定處理原則，見表5。

表4 河道堤防工程混凝土凍融剝蝕、碳化評估等級

表5 河道堤防工程混凝土凍融剝蝕、碳化處理原則

2 不同類型病害修補防護方法

2.1 裂縫病害修補方法及工藝

深層與貫穿裂縫修補可選用內部灌漿法、表層開槽嵌填法、表面封閉法，必要時多種方法綜合運用。主要的施工工藝如下。

(1)灌漿材料可選用化學漿材或水泥漿材。水溶性高強聚氨酯漿、環氧漿材、水泥漿材可作為靜止裂縫的選用材料，彈性聚氨酯漿作為活動裂縫可選用的主要材料。

(2)當裂縫寬度不大于0.5mm時，宜選用化學漿材。化學灌漿施工應符合下列規定：① 按設計要求布置灌漿孔。設計無要求時，宜按不大于20cm等間距設置灌漿孔，當大于20cm間距布置時，應通過現場試驗論證。② 鉆孔、洗孔、埋設灌漿管。③ 檢查壓水情況。設計灌漿壓力的50%～80%為孔口壓力，孔口壓力一般設定為0.2～0.4MPa之間較為適宜。④應從深到淺、自下而上進行傾斜裂縫和豎向裂縫灌漿；可從低端或吸漿量大的孔開始進行水平或近水平向裂縫灌漿；壓力裂縫灌漿一般設定為0.2～0.5MPa之間較為適宜，當灌漿壓力降低時可以順利進漿。⑤ 吸漿值應低于0.02L/5min，當灌漿結束時封孔。⑥ 達到設計漿材固化強度后，壓水試驗通過檢查孔進行檢查，吸水量應小于0.01L/min，對檢查孔單孔進行檢查，對吸水量不合格的單孔進行補灌。

(3) 當裂縫寬度大于0.5mm時，宜選用水泥漿材，水泥灌漿施工應符合下列規定：①立面上豎向裂縫或斜縫灌漿應自下而上、由深孔到淺孔依次進行，水平或近似水平向裂縫灌漿應自一端向另一端、由深孔到淺孔依次進行。平面上裂縫宜選擇通暢性最好的孔開始灌漿，并向兩側依次進行。② 當裂縫規模較大時，可采取分區灌漿。分區方法可采取鉆孔封堵、間隔灌漿分割等形式。 ③灌漿孔宜采用回轉取芯鉆機鉆進，孔參數應按設計規定執行。

2.2 滲漏病害修補方法及工藝

混凝土嚴重滲漏、抗滲性能差的防滲面板法主要適用于處理散滲的迎水面。水泥混凝土或瀝青混凝土宜作為面板材料。主要施工工藝如下。

(1)瀝青混凝土防滲面板應滿足材料質量要求。瀝青混凝土配合比應通過試驗確定，并滿足防滲性能、流變穩定性能及施工工藝要求。

(2) 瀝青混凝土防滲面板施工宜采用預制鋼筋混凝土模板，并兼做永久防護面板。

(3) 防護面板安裝前，應清除迎水面污物、松散的浮皮，鑿平和清理凸起部分，回填蜂窩麻面，潮濕迎水面宜用紅外線加熱器或噴燈烘干，再噴灑或涂刷陽離子乳化瀝青或稀釋瀝青，涂量宜為0.15～0.20kg/m2，陽離子乳化瀝青涂層常溫下應干燥12h以上，稀釋瀝青涂層應干燥6h以上。

(4) 瀝青混凝土防滲面板臨空底面和側面可用L形鋼筋混凝土防護面板封閉，防護面板底面和側面一般用固定在壩體上的角鋼支撐，也可用螺栓直接將L形鋼筋混凝土防護面板錨固在壩體上。

(5)對迎水面的永久橫縫應進行特殊處理，宜鑿成V形縫槽，其深度和寬度視橫縫處混凝土的澆筑質量而定，在縫槽內填充瀝青基類嵌填材料，在表面鋪蓋土工膜或油氈類材料等。

2.3 凍融剝蝕修補方法及工藝

在河道堤防工程混凝土被診斷為凍融剝蝕及碳化時，具體的施工工藝如下。

(1)基面處理后修補厚度小于0.5cm時宜直接涂刷防護涂料；修補厚度為0.5～2.0cm時宜選用聚合物水泥混凝土、樹脂砂漿以及聚合物砂漿、水泥砂漿等；修補厚度為2.0～5.0cm之間時宜選用水泥基砂漿進行修補；修補厚度在5.0～15cm之間時宜選用一級配混凝土進行修補；修補厚度大于15cm時宜選用二級配混凝土進行修補。

(2)當采用聚合物水泥砂漿修補時，涂抹一次的厚度不應超過2cm，當厚度超過2cm時應分層涂抹；聚合物水泥混凝土修補的厚度一般低于15cm，厚度高過15cm時應進行分層澆筑，并及時振搗。

(3)宜選用聚合物砂漿對強度超過C20的基層混凝土進行修補，修補厚度應低于3cm，基層混凝土在施工時應保持干燥，應選用親水性界面劑對無法形成干燥基面的混凝土進行施工處理。

(4)界面劑可選擇與修補材料同類的水泥凈漿或砂漿、聚合物水泥凈漿或砂漿以及水溶性環氧類黏結劑等。涂刷界面劑應薄而均勻，界面劑涂刷對基面的要求及涂刷后至修補材料覆蓋的時間間隔應通過試驗確定。

(5)混凝土所用水泥或砂漿配置應選用強度等級高于42.5MPa的水化熱較低且顆粒細的水泥材料，應選用粒徑為5～40mm碎石粗骨料或卵石作為主要的材料，砂漿或者混凝土水膠比以不低于0.40為宜。

3 結論

(1)河道堤防工程混凝土防護結構設計使用年限不應少于 10a，且同時滿足設計要求；涂層與混凝土表面的黏結力不得小于 1.5MPa，且同時滿足設計要求；防護涂層厚度應滿足設計要求。

(2)河道堤防工程混凝土在北方寒區防護對象主要為混凝土構件冬季水位變化區(浪濺區)、結冰區、冬季集水(雪)區等易受凍害侵蝕的部位，并應在迎水面或集水區混凝土表面涂刷抗凍、抗滲、耐沖擊、耐低溫、抗老化防護涂層。

(3)修護環境溫度對北方寒區河道堤防工程混凝土病害修復影響較大，在以后的研究中還需要分析修補防護施工環境適宜溫度。