北方寒区河道堤防工程混凝土病害诊断与修补防护研究

王 淳

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

北方寒区河道堤防冬季由于温度较低，使得河道堤防的安全稳定性受到不同程度的影响，而若不及时进行河道堤防工程混凝土灾害诊断，并根据诊断灾害类型进行安全修补防护，则会对汛期河道堤防的安全度汛产生较大的隐患[1]。当前，通过研究，北方寒区河道堤防工程混凝土的病害主要为3种类型，第一种为由于温度过低产生的混凝土裂缝[2]，第二种为由于热胀冷缩温度变化影响产生的渗漏[3]，第三种为冻融剥蚀和碳化[4]。这3种河道堤防工程混凝土病害是主要的病害类型，国内河道工程施工和管理的学者针对这3种类型展开大量的研究[5- 10]，但未能对各类型病害评估等级及分类进行系统分析。在北方寒区河道堤防工程混凝土病害类型评估的基础上，需要对其进行修补防护，从而提高河道堤防工程的安全和稳定程度。近些年来，北方寒区河道堤防混凝土病害修补防护的工艺和方法取得一定的研究成果[11- 15]，但这些成果大都未针对不同病害类型给出相对应的修补防护方式和施工工艺，为此本文结合北方寒区河道堤防工程混凝土病害诊断工程实际，对诊断内容以及病害评估标准、分类进行系统探讨，并对不同病害的修补防护方式和工艺进行了阐述。研究成果对于北方寒区河道工程混凝土安全防护具有重要的推广价值。

1 不同类型病害诊断标准及分类

1.1 裂缝病害

1.1.1诊断内容

河道堤防混凝土裂缝检测的主要参数为裂缝长度、宽度和深度。宜沿长度和深度方向等距测量裂缝宽度，了解裂缝宽度变化规律，标识宽度最大值和所在位置，并测试深度。 通过裂缝分布及走向，判断是否具有对称性，是否贯穿等。 其次判定是否渗水，表面有无析出物，裂缝分布区有无钢筋，若有则描述其锈蚀情况等。 在贯穿和渗水诊断的基础上对混凝土抗压强度、抗拉强度、内部缺陷、碳化深度、埋设钢筋(保护层厚度、间距、直径、锈蚀概率)、结构位移和变形、基础不均匀沉降、混凝土碱骨料反应及其他项目进行必要的试验检测。

1.1.2诊断方法

可采用卷尺、米尺、红外测距仪等测量裂缝长度。 可采用裂缝测宽仪、裂缝刻度尺、刻度放大镜、塞尺、游标卡尺和千分表等测量裂缝宽度。采用超声法、面波法，必要时可采用凿槽法和钻芯法对裂缝深度进行测定。为验证裂缝是否贯通，也可采用压水或试气试验，压水试验压力不宜超过0.3MPa，试气压力不宜超过0.1MPa。可采用回弹法、超声法、超声回弹综合法、钻芯法对凝土强度和碳化深度进行检测。混凝土抗拉强度可采用芯样试件劈裂抗拉或轴心抗拉试验的方法进行检测。采用雷达法、超声法、冲击回波法、弹性波CT法、钻孔进行混凝土内部缺陷的检测。

1.1.3等级评估

裂缝等级以裂缝宽度和深度为依据进行分类，评估分类见表1，当裂缝宽度和深度不能同时符合分类指标时，应按靠近、从严的原则进行归类。并根据其分类和所处环境类别综合确定处理原则，见表2。

表1 河道堤防工程混凝土裂缝分类

表2 混凝土裂缝处理原则

注：*一类：室内或露天环境； 二类：迎水面、水位变动区或有侵蚀地下水环境； 三类：过流面、海水或盐雾作用区。

1.2 渗漏病害

1.2.1诊断内容

河道堤防工程混凝土渗漏检测的主要参数为渗漏量、温度、湿度，分析渗漏量与河道水位、温度、湿度、时间的关系。主要对集中渗漏、裂缝与结构缝渗漏、散渗等进行检测，并对渗漏区域进行定位。渗漏状态通过溶蚀状况、析出物颜色及性状等进行描述。对渗漏源及渗漏途径进行水质分析、扬压力、混凝土内部渗水通道、止水情况、基础情况、排水系统通畅情况及其他必要检测，如混凝土抗压强度、密度、抗渗等级、弹性模量，混凝土内部缺陷、钢筋锈蚀情况、有无埋设管路、线缆等。

1.2.2诊断方法

可采用卷尺、米尺、红外测距仪对渗漏区域进行测量及定位。采用示踪法、压水试验等对渗漏通道及渗漏源进行测量。可采用潜水员、水下机器人、水下电视与示踪法相结合的方式进行水面以下的渗漏检测。采用钻芯法对混凝土抗压强度、密度、抗渗等级、弹性模量进行检测。采用雷达法、超声法、冲击回波法、弹性波CT法、半电池电位法、钻孔法等对混凝土内部缺陷、有无钢筋、管路及线缆、钢筋锈蚀进行检测。

1.2.3等级评估

混凝土渗漏可分为裂缝与结构缝渗漏、集中渗漏、散渗漏等，其分类等级见表3。

表3 河道堤防工程混凝土渗漏分类

在进行混凝土渗漏处理时，对 A类渗漏一般不做处理，但影响运行安全时应进行处理。 而对于B、C类渗漏应进行处理，C类渗漏还应进行结构安全分析。 河道堤防迎水侧混凝土防渗面板发生裂缝和结构缝渗漏时，应逐条进行处理。

1.3 冻融剥蚀病害

1.3.1诊断内容

河道堤防工程混凝土冻融剥蚀损伤检测的主要参数分别为损伤面积、长度、宽度、深度、数量及外形尺寸等，应给出主要参数的损伤速率。对损伤区域形态、位置分布，分析损伤与周边环境、温度、及时间的关系并进行损伤特征描述。对混凝土的抗拉和抗压强度、抗冻和抗渗性能、动弹性模、气泡间距系数、碳化深度、内部缺陷、损伤深度、黏结强度等参数进行检测，必要时对损伤混凝土微观结构进行检测和分析。 钢筋检测的参数包括保护层厚度、间距、数量、锈蚀程度。

1.3.2诊断方法

采用卷尺、米尺、红外测距仪、深度游标卡尺等进行面积、长度、宽度、深度、外形尺寸的测量。外形及尺寸可辅助采用水准、经纬、全站及GPS等方法进行测量。可采用回弹法、超声法、超声回弹综合法、钻芯法对混凝土强度和碳化深度进行检测。采用芯样试件劈裂抗拉或轴心抗拉试验的方法对混凝土抗拉强进行检测。可采用钻芯法对混凝土抗冻性能、动弹性模量、气泡间隔系数、抗渗性能进行检测。采用雷达法、超声法、冲击回波法、弹性波CT法、钻芯法对混凝土内部缺陷、损伤深度、有无埋设管路和线缆进行检测。采用电磁感应法、雷达法、半电池电位法、凿槽法等对钢筋及混凝土黏结强度进行检测。

1.3.3等级评估

混凝土冻融剥蚀、碳化深度按其对河道堤防危害程度进行分类，其分类等级见表4。按其类别判定处理原则，见表5。

表4 河道堤防工程混凝土冻融剥蚀、碳化评估等级

表5 河道堤防工程混凝土冻融剥蚀、碳化处理原则

2 不同类型病害修补防护方法

2.1 裂缝病害修补方法及工艺

深层与贯穿裂缝修补可选用内部灌浆法、表层开槽嵌填法、表面封闭法，必要时多种方法综合运用。主要的施工工艺如下。

(1)灌浆材料可选用化学浆材或水泥浆材。水溶性高强聚氨酯浆、环氧浆材、水泥浆材可作为静止裂缝的选用材料，弹性聚氨酯浆作为活动裂缝可选用的主要材料。

(2)当裂缝宽度不大于0.5mm时，宜选用化学浆材。化学灌浆施工应符合下列规定：① 按设计要求布置灌浆孔。设计无要求时，宜按不大于20cm等间距设置灌浆孔，当大于20cm间距布置时，应通过现场试验论证。② 钻孔、洗孔、埋设灌浆管。③ 检查压水情况。设计灌浆压力的50%～80%为孔口压力，孔口压力一般设定为0.2～0.4MPa之间较为适宜。④应从深到浅、自下而上进行倾斜裂缝和竖向裂缝灌浆；可从低端或吸浆量大的孔开始进行水平或近水平向裂缝灌浆；压力裂缝灌浆一般设定为0.2～0.5MPa之间较为适宜，当灌浆压力降低时可以顺利进浆。⑤ 吸浆值应低于0.02L/5min，当灌浆结束时封孔。⑥ 达到设计浆材固化强度后，压水试验通过检查孔进行检查，吸水量应小于0.01L/min，对检查孔单孔进行检查，对吸水量不合格的单孔进行补灌。

(3) 当裂缝宽度大于0.5mm时，宜选用水泥浆材，水泥灌浆施工应符合下列规定：①立面上竖向裂缝或斜缝灌浆应自下而上、由深孔到浅孔依次进行，水平或近似水平向裂缝灌浆应自一端向另一端、由深孔到浅孔依次进行。平面上裂缝宜选择通畅性最好的孔开始灌浆，并向两侧依次进行。② 当裂缝规模较大时，可采取分区灌浆。分区方法可采取钻孔封堵、间隔灌浆分割等形式。 ③灌浆孔宜采用回转取芯钻机钻进，孔参数应按设计规定执行。

2.2 渗漏病害修补方法及工艺

混凝土严重渗漏、抗渗性能差的防渗面板法主要适用于处理散渗的迎水面。水泥混凝土或沥青混凝土宜作为面板材料。主要施工工艺如下。

(1)沥青混凝土防渗面板应满足材料质量要求。沥青混凝土配合比应通过试验确定，并满足防渗性能、流变稳定性能及施工工艺要求。

(2) 沥青混凝土防渗面板施工宜采用预制钢筋混凝土模板，并兼做永久防护面板。

(3) 防护面板安装前，应清除迎水面污物、松散的浮皮，凿平和清理凸起部分，回填蜂窝麻面，潮湿迎水面宜用红外线加热器或喷灯烘干，再喷洒或涂刷阳离子乳化沥青或稀释沥青，涂量宜为0.15～0.20kg/m2，阳离子乳化沥青涂层常温下应干燥12h以上，稀释沥青涂层应干燥6h以上。

(4) 沥青混凝土防渗面板临空底面和侧面可用L形钢筋混凝土防护面板封闭，防护面板底面和侧面一般用固定在坝体上的角钢支撑，也可用螺栓直接将L形钢筋混凝土防护面板锚固在坝体上。

(5)对迎水面的永久横缝应进行特殊处理，宜凿成V形缝槽，其深度和宽度视横缝处混凝土的浇筑质量而定，在缝槽内填充沥青基类嵌填材料，在表面铺盖土工膜或油毡类材料等。

2.3 冻融剥蚀修补方法及工艺

在河道堤防工程混凝土被诊断为冻融剥蚀及碳化时，具体的施工工艺如下。

(1)基面处理后修补厚度小于0.5cm时宜直接涂刷防护涂料；修补厚度为0.5～2.0cm时宜选用聚合物水泥混凝土、树脂砂浆以及聚合物砂浆、水泥砂浆等；修补厚度为2.0～5.0cm之间时宜选用水泥基砂浆进行修补；修补厚度在5.0～15cm之间时宜选用一级配混凝土进行修补；修补厚度大于15cm时宜选用二级配混凝土进行修补。

(2)当采用聚合物水泥砂浆修补时，涂抹一次的厚度不应超过2cm，当厚度超过2cm时应分层涂抹；聚合物水泥混凝土修补的厚度一般低于15cm，厚度高过15cm时应进行分层浇筑，并及时振捣。

(3)宜选用聚合物砂浆对强度超过C20的基层混凝土进行修补，修补厚度应低于3cm，基层混凝土在施工时应保持干燥，应选用亲水性界面剂对无法形成干燥基面的混凝土进行施工处理。

(4)界面剂可选择与修补材料同类的水泥净浆或砂浆、聚合物水泥净浆或砂浆以及水溶性环氧类黏结剂等。涂刷界面剂应薄而均匀，界面剂涂刷对基面的要求及涂刷后至修补材料覆盖的时间间隔应通过试验确定。

(5)混凝土所用水泥或砂浆配置应选用强度等级高于42.5MPa的水化热较低且颗粒细的水泥材料，应选用粒径为5～40mm碎石粗骨料或卵石作为主要的材料，砂浆或者混凝土水胶比以不低于0.40为宜。

3 结论

(1)河道堤防工程混凝土防护结构设计使用年限不应少于 10a，且同时满足设计要求；涂层与混凝土表面的黏结力不得小于 1.5MPa，且同时满足设计要求；防护涂层厚度应满足设计要求。

(2)河道堤防工程混凝土在北方寒区防护对象主要为混凝土构件冬季水位变化区(浪溅区)、结冰区、冬季集水(雪)区等易受冻害侵蚀的部位，并应在迎水面或集水区混凝土表面涂刷抗冻、抗渗、耐冲击、耐低温、抗老化防护涂层。

(3)修护环境温度对北方寒区河道堤防工程混凝土病害修复影响较大，在以后的研究中还需要分析修补防护施工环境适宜温度。