水工混凝土破坏与修复技术研究

张 宇

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，沈阳 110166)

1 水工混凝土破坏类型

水工混凝土的质量缺陷主要表现为渗漏、裂缝、孔洞、露筋、麻面、蜂窝等，以上质量问题在施工过程中极为常见。考虑到混凝土材料、配合比设计、浇筑施工等因素的作用，在使用、凝结、浇筑过程中混凝土很容易产生各种缺陷，从而降低结构强度等级[1]。

剥蚀是指水工混凝土受碱骨料反应、冻融侵蚀、化学侵蚀、钢筋锈蚀、冲蚀磨损、碳化、气蚀等因素影响，而出现的以坑槽、掉块、磨损为主的混凝土破坏的现象。

2 水工混凝土缺陷成因

2.1 混凝土裂缝形成的要因

混凝土裂缝在水工构筑物中比较常见且非常普遍，混凝土凝结后存在诸多微裂缝、气穴、微孔隙，这种多相复合脆性材料受到水泥水化热温升、地基变形、干缩、温差、荷载等作用，当混凝土抗拉强度小于其拉应力时微裂缝就会不断发展，从而形成宏观的连通裂缝。裂缝的存在将进一步产生其他的混凝土破坏与质量缺陷[2-4]。

2.2 孔洞、露筋、蜂窝、麻面的要因

应严格控制混凝土浇筑过程中的施工质量，否则极易出现孔洞、露筋、麻面、蜂窝等混凝土缺陷。例如，模板表面不光滑、不牢固、不结晶或安装不密室；骨料级配不合理、原材料不合格或混凝土拌和计量有误；浇筑振捣时出现漏振、过振、欠振的情况，由于不合理的浇筑方式而产生骨料分离；未严格控制施工工艺、养护不当等产生各种类型的缺陷。

3 水工混凝土破坏成因

水工混凝土剥蚀破坏是由混凝土表面及其内部的钢筋、外加剂、骨料、水化产物与环境条件(水、气、温度、介质)相互之间发生的一系列复杂的化学、物理作用，并导致破坏应力超过混凝土强度而产生的破坏。一般地，可以按照不同的机理，将剥蚀破坏划分为水质侵蚀、钢筋锈蚀、空蚀与冲磨、冻融破坏四种类型。

3.1 水质侵蚀

水质侵蚀是指水中的可溶性介质经混凝土孔隙扩散到内部与水泥水化产物或其它组分联合作用，发生一系列的物理与化学反应并生成难溶于水或可溶性较好的产物，从而使得其内部出现胀裂或溶出性侵蚀。一般地，可以将水质作用产生的侵蚀破坏划分成结晶性膨胀型、分解性溶解型、结晶与分解复合型三种类型[5-7]。其中，结晶性侵蚀主要是硫酸盐离子与混凝土发生反应，生成体积膨胀且难溶于水的钙矾石和硫酸钙，当持续增加的膨胀应力超过混凝土抗拉强度时就会产生开裂、剥落；分解性侵蚀是指在酸性介质作用下混凝土中的水化硅酸钙、氢氧化钙等加速溶出，从而产生水化产物的分解以及水泥石的软化，并降低水泥石的黏接性与强度，混凝土最终产生破坏。对于选用石灰岩碎石的混凝土，其骨料还会与酸性介质发生反应生成可溶性物质，骨料更加容易受到侵蚀。实践工程中，泄水构筑物的破坏大多以酸性介质的侵蚀破坏为主。

3.2 钢筋锈蚀破坏

水泥水化将产生大量的Ca(OH)2，这种碱性环境使得钢筋表面产生一层致密的钝化膜。然而，环境中的氯离子(Cl-)、水、O2、CO2不断向混凝土内部迁移和渗透，发生电化学反应并引起钝化膜的局部腐蚀，经一系列复杂的反应铁转变成铁锈。相对于原来铁的体积铁锈的体积增加2-4倍，钢筋体积的增大致使原来致密的混凝土表面脱落或开裂，而混凝土脱落将进一步加速钢筋的锈蚀。这些恶性循环的化学反应使得钢筋截面面积不断减小、构筑物外部混凝土大量剥落，钢筋结构的耐久性和力学性能明显降低，并对构筑物的安全运行造成不利的影响[8-10]。

3.3 空蚀与冲磨破坏

空蚀破坏是指高速水流形态突然变化时产生的局部真空负压使得水汽化形成的气泡迅速破灭，在高强压力下混凝土表面因受到微射流的冲击力而产生的破坏，冲磨蚀破坏在很大程度上决定了空蚀的破坏程度。

冲磨破坏是指水工混凝土过流面在含砂石水流的相互摩擦与冲击碰撞作用下而产生的破坏。固体介质冲击力超过混凝土强度，混凝土表面在连续不规则的冲击与冲刷作用下产生磨蚀坑，在恶性循环作用下混凝土内部产生落骨、剥离。一般地，可以将冲破破坏划分成单纯的高速水流冲磨破坏和携带水流推移质、悬疑质磨损破坏两类，其破坏形式与泄水流态、流速、介质数量、运移方式、粒径和形状等因素有关[11]。

3.4 冻融破坏

受多种因素影响，许多毛细孔不均匀的分布于混凝土内部，在低温条件下孔内的自由水会冷冻结冰，并产生很大的冻胀压力以及混凝土材料的疲劳应力，强度等级降低，不断连通扩展的微裂缝使得混凝土表面出现剥落破坏。实质上，混凝土的抗冻融性易受水的结冰速度、冻融介质、温度高低等外部因素，施工因素和混凝土含气量、水灰比、气泡类型、水泥品种、骨料类型等内部因素的影响，其中外部因素是引起冻融破坏的关键。

4 水工混凝土缺陷的修复技术

4.1 混凝土裂缝修复

1)表面处理法：主要有表面覆盖法和涂抹法两类。表面涂抹法一般适用于不伸缩、不漏水裂缝的处理，在表层细微裂缝修复时该方法较为常用，即在俩风表面利用NE环氧土料、改性沥青、水泥等涂抹；表面覆盖法主要是将碳纤维、钢板等黏贴在构筑物表面，从而实现加固与修补，通过贴补防水片或土工膜可以对大范围漏水浅裂缝进行堵漏防渗。

2)填充法：裂缝宽度超过0.3mm的情况下，向裂缝内直接填充环氧胶泥、水泥等修补材料；裂缝宽度不超过0.3mm、深度较浅且对构筑物无危害的情况下，沿缝隙开凿V型槽并填充聚合物砂浆、环氧胶泥等材料。表面有过水要求时应在填充后用环氧基液或者用高强致密水泥砂浆涂面，从而保证防渗抗裂性达到要求[12]。

3)压力灌浆法：针对深层宽大的裂缝，要将化学灌浆法与固体颗粒灌浆法有机结合，其中固体颗粒灌浆法比较适用于宽大裂缝的处理。根据不同的用途，一般将化学灌浆法划分成防渗堵漏类和加固补强类两种，比较常用的有水玻璃、弹性或水性聚氨酯、丙烯酸盐类、环氧数值、油溶性聚氨酯和甲凝等。

4.2 错台、孔洞、蜂窝修复

针对低于或高出混凝土平面的错台部位可以利用适宜的修补材料回填或实行凿除磨平处理，从而保证整体的平齐。

划定混凝土孔洞、蜂窝等缺陷表面修补区，在修补区四周化成相对规则的梯形、长方形或正方形等图形，沿线切割并控制切割深度0.5-1.0cm。在完成切割的条件下，沿同一平面将超出基础部位的混凝土凿除，合理控制凿除深度0.5-2.0cm之间。然后清除孔洞处松动的颗粒、蜂窝和待修复区不密室的部位，以保证基面外露骨料新鲜、密室。为维持基础面平齐将修复区外漏的钢筋等构件锯除，可利用丙酮、乙醇等有机溶剂擦拭表层存在的油渍或采取明火喷烤、凿除等措施处理结晶，出现渗漏水时要采取止水堵漏措施。为了处理以上缺陷，工程中比较常用的修补材料有水下环氧、环氧玻璃丝布、改性环氧、水泥砂浆、丙乳、BAC、传统或弹性环氧砂浆等。

4.3 气孔、麻面、纱线处理

产生气孔后，对于需要按要求填补表面气孔的一般选用不易流挂的环氧胶泥处理，由此实现大范围的涂刮作业；对于无孔气要求的可以按标准涂刮至2mm以下或全部刮走，可对气孔点补或向孔气内充填材料。

一般的麻面修补厚度不超过2mm，将松动的颗粒打磨凿除至密实后可用高压风除沉浮，然后对表面用薄层材料修补并保证修补厚度达到要求。工程中，对混凝土浇筑过程中产生的纱线多利用电动角磨机进行磨平处理。

5 水工混凝体破坏的修复技术

5.1 冲磨破坏修复

冲磨破坏使得构筑物表面易出现冲蚀坑槽、骨料裸露等现象，冲磨深度大多超过3mm，对此必须实施保护层。目前，对高流速过水、携沙石构筑物的抗冲磨蚀比较常用的保护材料为改性NE系列环氧砂浆。例如，四川紫坪铺水利枢纽排砂放空洞、泄洪洞、溢洪道以高流速冲蚀破坏为主，四川二滩电站泄洪洞以高流速冲磨破坏、气蚀为主，小浪底水泥枢纽的孔板洞、排沙洞、明流洞以携沙水流(悬移质)冲磨破坏为，以高水头冲击磨损破坏为主的黄河拉西瓦水电站水垫塘等。目前，比较常见的各种过流面冲磨蚀破坏现象在以上所列的工程中基本上都有所涉及，对大面积抗冲磨蚀破坏利用NE系列环氧砂浆修复后，取得了良好的效果，如表1。

表1 水电站过流表面抗冲磨修复效果调查表

5.2 气蚀破坏修复

由于气蚀产生的水工混凝土破坏，若破坏范围大且强度高需要对掺气设施改进、改造，及时准确的识别出引起气蚀的原因，并采取有效的解决措施，然后利用高强修补材料或高出原结构1-2个强度等级的混凝土进行补强处理。若不具备掺气设施改进、改造的条件，建议用不低于80MPa以上的高强抗冲蚀材料和植钢筋挂设钢筋网的方式进行修补。

5.3 剥蚀掉块、冲蚀坑槽修复

针对剥蚀掉块的问题，需要对锈蚀钢筋附近的混凝土进行剔除并对钢筋除锈。除锈后，采用防锈剂(漆)涂刷钢筋表面，也可选用回填修补材料的方式或者不产生铁离子置换的材料实行保护，选用材料置换的方法可以省去防锈剂涂刷的工序。

为解决一般局部剥蚀掉块、冲蚀坑槽问题，通常选用常规处理的方法对水工混凝土缺陷实行回填修补，对深度>30cm或冲蚀掉块范围超过2m2的冲蚀坑槽，宜选用高出原结构一个强度等级的混凝土回填浇筑并布设锚筋焊接钢筋网，为了确保原混凝土与新浇体之间的牢固黏接应在浇筑前涂刷界面黏接剂。

6 结 论

水工混凝土存在的破坏与缺陷对构筑物的安全运行构成潜在威胁，这种普遍存在的现象越来越成为运行管理单位亟待解决的问题。文章深入剖析了引起水工混凝土破坏、缺陷的成因和修复技术，以工程案例为基础简要总结了抗冲磨的修复效果，提出在经济、技术上彻底消除诱发水工混凝土破坏与缺陷的因素具有较大的难度，因影响因素复杂且多仍有一些病险水库还没有合适的处理方法。对此，仍需深入研究高性能抗冲耐磨材料、评估方法以及缺陷检测技术，持续探索更加有效的预防措施与修复技术，提高构筑物使用寿命与结构耐久性，最大程度的减少对水工构筑物的破坏。