西南地區灌區背景下混凝土水工建筑物問題分析及加固修補方法設計

肖 翠

(貴州省興仁市水務局,貴州 興仁 562300)

1 概 述

水工建筑物在水資源調控、洪水調節、灌溉農田、能源利用、水運交通和水生態環境保護等方面發揮著重要的作用[1]。在長期使用過程中,水工建筑物的混凝土結構容易受到各種因素的損壞和老化,如溫度變化、水蝕、化學侵蝕等,對于混凝土結構的修補防護與補強加固研究具有重要意義[2-3]。

傳統的修補方法往往無法達到理想的修補效果,無法完全修復混凝土的力學性能和耐久性。常用的修補材料在抗拉強度、耐老化性能和抗凍性能方面存在一定的局限性,難以滿足水工建筑物在惡劣環境下的長期使用要求[4]。常規的人工抹壓丙乳砂漿處理方式在施工中容易產生空鼓、裂縫等質量問題,影響修補效果。現有的性能試驗方法也存在一定的局限性,無法全面評估修補材料的性能和可靠性。

SK手刮聚脲材料具有良好的附著力、耐久性和施工性能,可以有效修補混凝土表面的損壞,并提高其整體強度和耐久性。人工抹壓丙乳砂漿處理方式可以確保修補材料與原混凝土的緊密結合,提高修補效果的質量和可靠性[5]。拉伸性能試驗、耐老化性能試驗和抗凍性能試驗能較為全面地評估混凝土修補工程的可靠性。因此,本文提出融合SK手刮聚脲的水工建筑物混凝土修補防護與補強加固方法,以期為水工建筑物的維護工程提供可行的技術參考。

2 融合SK手刮聚脲的水工建筑物混凝土修補防護與補強加固方法設計

2.1 水工建筑物工程概況及問題分析

水工建筑物在水資源管理、防災減災、能源生產等方面發揮著重要作用,能夠為經濟發展和農作物生產提供保障。但大多數水工建筑所使用的混凝土在經過長期使用后會存在結構質量和耐久性的問題,需要對混凝土進行修補和加固[6-7]。水工建筑物的混凝土主要容易出現5類問題,見圖1。

圖1 水工建筑混凝土問題

由圖1可知,水工建筑混凝土的主要問題有混凝土剝蝕、混凝土碳化、混凝土滲漏、混凝土裂縫和混凝土凍脹。混凝土剝蝕一般發生在水工建筑中的溢洪道、消力池等部位,導致混凝土的有效斷面減少,結構的整體承載能力下降。混凝土暴露于外部環境中,會與二氧化碳發生反應出現碳化,使混凝土變得疏松,導致混凝土抗拉能力下降,材料變脆,斷裂風險上升。混凝土滲漏分為點滲漏、線滲漏、面滲漏3類,會導致結構體遭到侵蝕,對內部結構造成破壞。混凝土裂縫導致結構的整體性喪失,造成水資源浪費[8-9]。混凝土凍脹是指水分在浸入混凝土內部后,在低溫環境結冰導致體積膨脹,破壞混凝土結構。上述混凝土問題中,最為常見且帶來可能后果最為嚴重的是混凝土裂縫,裂縫是混凝土結構建筑的劣化病變的宏觀體現,裂縫導致水體利用率降低和內部金屬腐蝕,可能造成工程無法正常運行。

進行混凝土修補防護與補強加固時有多種施工方法,研究從修補工法上進行設計。SK手刮聚脲由多異氰酸酯-NCO的聚合物預聚物、封端多胺和功能性添加劑混合而成,屬于一種單組份聚脲,在不同溫度環境中有良好的適應能力,可以抵抗混凝土開裂導致的變形,且不含有害揮發性成分,具有良好環保性能[10-11]。研究圍繞SK手刮聚脲,設計水工建筑物混凝土修補防護與補強加固方法。

研究以位于貴州省黔西南州貞龍灌區節水項目中的排澇渠為示范進行設計。工程覆蓋區域水源主要來自山塘、地下泉眼及溪溝,水源位置距離工業區、城鎮較遠,不存在污染源,水源由大氣降水經過地表徑流匯聚形成。工程區域內主要地層為中統關嶺組第二段、三疊系上統賴石科組第一段、三疊系上統賴石科組第二段、三疊系上統把南組及三疊系上統火把沖組地層。地層中主要含有灰巖、白云巖、粉砂巖、黏土巖、夾石英砂巖以及含碎礫石砂土成分。區域內碎屑巖分布面積所占比例較小,由于巖石的非可溶性使得地下水僅能賦存于巖石裂隙中,此類巖石富水性弱,徑流緩慢,泉水流量小,多沿溪溝兩側巖石裂隙或坡積物中排泄出地表。

2.2 混凝土加固及材料試驗方法設計

研究采用人工抹壓丙乳砂漿處理配合SK手刮聚脲涂層防護的混凝土修補防護與補強加固方法。研究設計的混凝土裂縫處理工藝見圖2。

圖2 混凝土裂縫處理工藝

由圖2可知,研究設計的混凝土裂縫處理工藝包含對裂縫的阻斷和表面覆蓋。施工時,首先進行裂縫表面劃線和打磨清理,對涂層壓邊槽進行切鑿,對表面坑洞進行缺陷修補;然后在裂縫表面貼上隔離布,噴涂彈性涂料界面劑,再刮涂彈性涂料,過程中分層多次刮涂增厚,再進行涂層壓邊,最后進行拉拔黏結。

在開始施工前,需要先將施工區域中的無用鋼筋進行切除,對已老化至不滿足要求的混凝土進行表面鑿毛,露出新鮮混凝土面。進行打磨和開收邊槽時,打磨范圍需向外擴大100mm,打磨后的混凝土表面需要保持平整。進行混凝土清洗時,使用高壓水槍對混凝土面進行沖刷,除去松動的混凝土顆粒,直至露出緊固的混凝土表面。噴涂界面劑時,盡量在干燥環境中進行,界面劑均勻噴涂。在刮涂材料中布置胎基布時,在防護材料第一遍刮涂略固化黏稠后,使用抹子將胎基布按壓在材料之上,之后進行防護材料的重復刮涂。完成刮涂后,需要對涂層區域進行收邊處理。所使用的丙乳砂漿使用人工拌和法進行拌和,首先將砂與水泥進行無水混合,再加入丙乳和水進行拌和。在施工時,先涂上由丙乳和水泥配合成的丙乳凈漿作為打底,再對丙乳砂漿進行鋪筑[12]。完成鋪筑后,將砂漿進行壓實,然后使用倒退法進行抹面。完成抹平后,使用噴霧器進行為期一周的潮濕養護。完成養護后進行SK手刮聚脲刮涂,在界面劑表面干燥凝結后開始刮涂。進行多遍厚度約2mm的大面積刮涂,期間保持各層之間的潔凈。為了確保SK手刮聚脲層與混凝土的搭接處牢固,將收邊處的混凝土打磨至三角形形狀,保證聚脲層與混凝土邊緣平滑過渡。完成SK手刮聚脲層施工后進行常溫養護,保持24h干燥環境,保證材料正常凝固。

SK手刮聚脲材料的性能指標需要依照工程的實際情況進行試驗調整,研究設計拉伸性能試驗、耐老化性能試驗和抗凍性能試驗,對SK手刮聚脲材料的性能指標進行調整。拉伸性能試驗使用自制塑鋼矩形框模作為試驗模具,模具由厚3mm的矩形塑鋼框架粘接在玻璃底板上構成。將涂料分3次涂抹在由蠟油覆蓋的框架內,完成涂抹后進行14天的養護,裁切得到試樣,在室溫下進行7天養護。將試樣加載拉力試驗機上,使用伸長測量裝置記錄伸長量變化。耐老化性能試驗使用與拉伸性能試驗一樣的試樣制備方法,然后進行裁切得到啞鈴狀和長條狀試樣,拉伸至20%伸長率狀態。在臭氧試驗箱中和熱空氣試驗箱中進行暴露放置,在設定時間點進行厚度和拉伸強度變化測量。抗凍性能試驗按照《水工混凝土試驗規程》(SL/T 352-2020)對標準試件進行制備,將標準試件在養護室中進行28天養護,對表面進行清潔,再進行SK手刮聚脲材料涂抹,設置單面涂覆和整體涂覆的不同組別。在試驗前進行為期21天的室溫養護,然后將單面涂覆和整體涂覆的試件放入抗凍試驗臺進行凍融試驗,設置凍融次數為300次,使用拉拔試驗儀對材料的表面粘接強度進行檢測。

3 融合SK手刮聚脲的水工建筑物混凝土修補防護與補強加固效果測試

為了對研究方法提出的修補與加固方法在水工建筑物中的應用效果進行確定,研究進行相關數值和觀測試驗。首先對拉伸性能進行測試,見圖3。

圖3 拉伸性能測試

由圖3可知,在相同長度和厚度的不同寬度長條試樣中,材料的拉伸強度和扯斷伸長率都均隨長條試驗寬度上升而增加。使用無胎基布方法制成的試樣在長條試樣寬度為10mm時,拉伸強度為9.1MPa,扯斷伸長率為125%;在長條試樣寬度增至30mm時,拉伸強度上升至18.4MPa,扯斷伸長率上升至137%;在長條試樣寬度增至70mm時,拉伸強度上升至19.9MPa,扯斷伸長率上升至149%。而使用研究方法制成的試樣在長條試樣寬度為10mm時,拉伸強度為17.4MPa,扯斷伸長率為159%;在長條試樣寬度增至30mm時,拉伸強度上升至82.3MPa,扯斷伸長率上升至198%;在長條試樣寬度增至70mm時,拉伸強度上升至109.6MPa,扯斷伸長率上升至236%,表明研究方法提出的防護與補強加固方法具有更好的拉伸性能。

老化試驗見圖4。由圖4可知,在熱空氣環境中,材料在350h時的拉伸強度性能變化率為10%,扯斷伸長率性能變化率為-11%;在720h時的拉伸強度性能變化率為9%,扯斷伸長率性能變化率為-1%;在1 080h時的拉伸強度性能變化率為-1%,扯斷伸長率性能變化率為-8%。在氙氣燈環境中,材料在350h時的拉伸強度性能變化率為17%,扯斷伸長率性能變化率為6%;在720h時的拉伸強度性能變化率為17%,扯斷伸長率性能變化率為8%;在1 080h時的拉伸強度性能變化率為18%,扯斷伸長率性能變化率為7%。在臭氧環境中,材料在350h時的拉伸強度性能變化率為1%,扯斷伸長率性能變化率為0%;在720h時的拉伸強度性能變化率為0%,扯斷伸長率性能變化率為0%;在1 080h時的拉伸強度性能變化率為0%,扯斷伸長率性能變化率為0%。上述結果顯示,試驗中得到的不同環境老化情況基本都保持了材料性能,出現性能下降也處于可接受區間內,表明研究方法提出的防護與補強加固方法具有良好的抗老化性能。

圖4 老化試驗

對材料進行抗凍性能試驗,見表1。

表1 抗凍性能試驗

由表1可知,在未開始進行凍融時,單面涂覆方式的黏結強度為2.27MPa,整體涂覆方式的黏結強度為2.84MPa。經過300次凍融后,單面涂覆方式的黏結強度下降至0.64MPa,混凝土面遭到破壞,占整體破壞面的7%;整體涂覆方式的黏結強度下降至2.05MPa,界面劑與SK手刮聚脲材料接觸面的破壞占整體破壞面的99%,混凝土基本沒有遭到破壞。研究結果顯示,實際施工方式構造出的結構與整體涂覆方法相似,表明研究方法提出的防護與補強加固方法能夠有效避免混凝土在低溫環境中遭到破壞。

對研究方法進行混凝土修補防護與補強加固應用測試,見表2。

表2 混凝土修補防護與補強加固應用測試

由表2可知,研究所提出的方法在涂覆后表層形成具有厚度的涂層,在低溫凍融后與混凝土黏結強度大于2.0MPa,涂層和混凝土均未出現損傷;在水流沖刷下保持穩定形態;涂層形成致密涂層封閉效果,具有良好的防水性。表明研究方法提出的防護與補強加固方法具有多方面優良性能,能夠有效進行水工建筑混凝土的修補和加固。

4 結 論

本文提出了一種融合SK手刮聚脲的方法,對水工建筑物的混凝土裂縫進行了修補。試驗過程中,對水工建筑物的工程情況進行了分析,設計了人工抹壓丙乳砂漿處理和SK手刮聚脲涂層的裂縫處理施工工藝,對相應的材料性能指標進行了試驗確定,并對研究方法進行了應用測試。結果表明,研究方法在長條試樣寬度為10mm時,拉伸強度為17.4MPa,扯斷伸長率為159%;在熱空氣老化試驗中,性能最大下降11%;加固結果具有良好的材料穩定性和防水性,表明研究方法能夠有效進行水工建筑物混凝土的修補與加固。