水工混凝土破壞與修復技術研究

張 宇

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，沈陽 110166)

1 水工混凝土破壞類型

水工混凝土的質量缺陷主要表現為滲漏、裂縫、孔洞、露筋、麻面、蜂窩等，以上質量問題在施工過程中極為常見。考慮到混凝土材料、配合比設計、澆筑施工等因素的作用，在使用、凝結、澆筑過程中混凝土很容易產生各種缺陷，從而降低結構強度等級[1]。

剝蝕是指水工混凝土受堿骨料反應、凍融侵蝕、化學侵蝕、鋼筋銹蝕、沖蝕磨損、碳化、氣蝕等因素影響，而出現的以坑槽、掉塊、磨損為主的混凝土破壞的現象。

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筑物中比較常見且非常普遍，混凝土凝結后存在諸多微裂縫、氣穴、微孔隙，這種多相復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力時微裂縫就會不斷發展，從而形成宏觀的連通裂縫。裂縫的存在將進一步產生其他的混凝土破壞與質量缺陷[2-4]。

2.2 孔洞、露筋、蜂窩、麻面的要因

應嚴格控制混凝土澆筑過程中的施工質量，否則極易出現孔洞、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；澆筑振搗時出現漏振、過振、欠振的情況，由于不合理的澆筑方式而產生骨料分離；未嚴格控制施工工藝、養護不當等產生各種類型的缺陷。

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部的鋼筋、外加劑、骨料、水化產物與環境條件(水、氣、溫度、介質)相互之間發生的一系列復雜的化學、物理作用，并導致破壞應力超過混凝土強度而產生的破壞。一般地，可以按照不同的機理，將剝蝕破壞劃分為水質侵蝕、鋼筋銹蝕、空蝕與沖磨、凍融破壞四種類型。

3.1 水質侵蝕

水質侵蝕是指水中的可溶性介質經混凝土孔隙擴散到內部與水泥水化產物或其它組分聯合作用，發生一系列的物理與化學反應并生成難溶于水或可溶性較好的產物，從而使得其內部出現脹裂或溶出性侵蝕。一般地，可以將水質作用產生的侵蝕破壞劃分成結晶性膨脹型、分解性溶解型、結晶與分解復合型三種類型[5-7]。其中，結晶性侵蝕主要是硫酸鹽離子與混凝土發生反應，生成體積膨脹且難溶于水的鈣礬石和硫酸鈣，當持續增加的膨脹應力超過混凝土抗拉強度時就會產生開裂、剝落；分解性侵蝕是指在酸性介質作用下混凝土中的水化硅酸鈣、氫氧化鈣等加速溶出，從而產生水化產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，混凝土最終產生破壞。對于選用石灰巖碎石的混凝土，其骨料還會與酸性介質發生反應生成可溶性物質，骨料更加容易受到侵蝕。實踐工程中，泄水構筑物的破壞大多以酸性介質的侵蝕破壞為主。

3.2 鋼筋銹蝕破壞

水泥水化將產生大量的Ca(OH)2，這種堿性環境使得鋼筋表面產生一層致密的鈍化膜。然而，環境中的氯離子(Cl-)、水、O2、CO2不斷向混凝土內部遷移和滲透，發生電化學反應并引起鈍化膜的局部腐蝕，經一系列復雜的反應鐵轉變成鐵銹。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。這些惡性循環的化學反應使得鋼筋截面面積不斷減小、構筑物外部混凝土大量剝落，鋼筋結構的耐久性和力學性能明顯降低，并對構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突然變化時產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生的破壞。固體介質沖擊力超過混凝土強度，混凝土表面在連續不規則的沖擊與沖刷作用下產生磨蝕坑，在惡性循環作用下混凝土內部產生落骨、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、懸疑質磨損破壞兩類，其破壞形式與泄水流態、流速、介質數量、運移方式、粒徑和形狀等因素有關[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部，在低溫條件下孔內的自由水會冷凍結冰，并產生很大的凍脹壓力以及混凝土材料的疲勞應力，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剝落破壞。實質上，混凝土的抗凍融性易受水的結冰速度、凍融介質、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、骨料類型等內部因素的影響，其中外部因素是引起凍融破壞的關鍵。

4 水工混凝土缺陷的修復技術

4.1 混凝土裂縫修復

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時該方法較為常用，即在倆風表面利用NE環氧土料、改性瀝青、水泥等涂抹；表面覆蓋法主要是將碳纖維、鋼板等黏貼在構筑物表面，從而實現加固與修補，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，向裂縫內直接填充環氧膠泥、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、環氧膠泥等材料。表面有過水要求時應在填充后用環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，要將化學灌漿法與固體顆粒灌漿法有機結合，其中固體顆粒灌漿法比較適用于寬大裂縫的處理。根據不同的用途，一般將化學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、環氧數值、油溶性聚氨酯和甲凝等。

4.2 錯臺、孔洞、蜂窩修復

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實行鑿除磨平處理，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，在修補區四周化成相對規則的梯形、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、蜂窩和待修復區不密室的部位，以保證基面外露骨料新鮮、密室。為維持基礎面平齊將修復區外漏的鋼筋等構件鋸除，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、鑿除等措施處理結晶，出現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氧、環氧玻璃絲布、改性環氧、水泥砂漿、丙乳、BAC、傳統或彈性環氧砂漿等。

4.3 氣孔、麻面、紗線處理

產生氣孔后，對于需要按要求填補表面氣孔的一般選用不易流掛的環氧膠泥處理，由此實現大范圍的涂刮作業；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技術

5.1 沖磨破壞修復

沖磨破壞使得構筑物表面易出現沖蝕坑槽、骨料裸露等現象，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、攜沙石構筑物的抗沖磨蝕比較常用的保護材料為改性NE系列環氧砂漿。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)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系列環氧砂漿修復后，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效果調查表

5.2 氣蝕破壞修復

由于氣蝕產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構1-2個強度等級的混凝土進行補強處理。若不具備摻氣設施改進、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鋼筋網的方式進行修補。

5.3 剝蝕掉塊、沖蝕坑槽修復

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，宜選用高出原結構一個強度等級的混凝土回填澆筑并布設錨筋焊接鋼筋網，為了確保原混凝土與新澆體之間的牢固黏接應在澆筑前涂刷界面黏接劑。

6 結 論

水工混凝土存在的破壞與缺陷對構筑物的安全運行構成潛在威脅，這種普遍存在的現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、缺陷的成因和修復技術，以工程案例為基礎簡要總結了抗沖磨的修復效果，提出在經濟、技術上徹底消除誘發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，持續探索更加有效的預防措施與修復技術，提高構筑物使用壽命與結構耐久性，最大程度的減少對水工構筑物的破壞。