過水隧洞常見病害檢測與分析

丁 浩

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

我國各類水閘數量眾多，且閘壩工程面廣量大，對社會經濟發展和進步有較大的促進作用。然而由于當時經濟技術限制，當時多數工程存在設計標準低、施工質量差的問題，尤其是后續管理工作不到位，使得水閘在空氣、負荷、凍融和風浪長期作用下，各種老化病害現象頻現，嚴重影響水閘安全持久運行。目前水閘混凝土結構正處于病害老化高峰期，如攔水閘、涵洞等有可能同步老化。一個建筑物結構老化癱瘓，同期同類建筑物老化癱瘓可能性極大，其后果不堪設想。因此對結構老化原因診斷、評價病害老化、剩余壽命測算和對癥維修措施研究，已成為工程界普遍關注的熱門課題。

本文以黃河某引水閘為例，分析了工程正常運行過程中隧洞老化最常見出現的病害，主要有裂縫、滲漏、剝蝕等，并分析出現病害出現的機理；同時采取回彈法測得混凝土強度，通過取芯和測碳化值修正得到相關系數，通過與設計值比較，對水閘隧洞安全情況進行評定；最后根據分析從原材料和施工工藝方面提出應對措施，為今后同類工程提供可資借鑒的理論和實踐經驗。

1 隧洞老化病害

水閘長期運行后，混凝土結構尤其是過水隧洞會產生老化病害，如裂縫、滲漏侵蝕、空蝕和混凝土保護層剝落；相比初始混凝土，此時結構會出現一定程度碳化，這會引起結構強度降低。

1.1 外表病害

1.1.1 混凝土裂縫

過水隧洞運行多年后會產生裂縫，尤以橫向和環向裂縫最多。研究發現，荷載擴展通常因為裂縫存在，或是荷載和變形共同作用引起的。之所以產生裂縫，其中變形原因約占80%，荷載原因約占20%[1]。不同性質裂縫對隧洞影響也不盡相同：環向裂縫會引起隧洞漏水和射水；橫向裂縫會導致結構局部破損，甚至整體性破壞。

1.1.2 混凝土滲漏侵蝕

滲漏水對隧洞結構會產生溶出性侵蝕，即滲漏侵蝕，這是過水隧洞主要老化病害之一。眾所周知，水化鋁酸鈣、氫氧化鈣和水化硅酸鈣等水泥水化產物在混凝土凝固過程中會形成膠結作用，而足量氫氧化鈣又是其他水化產物聚集、結晶和穩定存在的基礎[2]。然而，氫氧化鈣在水中有較高溶解度，一般情況下氫氧化鈣溶液在混凝土毛細孔中以飽和狀態存在。滲漏水不斷溶解帶走飽和氫氧化鈣，部分與CO2反應，形成白色CaCO3結晶附著在混凝土外壁，其余則會隨著滲漏水損失掉。因混凝土中固態氫氧化鈣不斷溶解溶出，水泥及其他水化物穩定存在的平衡被破壞，水化產物將會分解，導致混凝土穩定性和力學性能減弱。研究發現，當氫氧化鈣含量溶出25%時，混凝土抗壓強度降低達到50%；當溶出量超過35%時，混凝土將變得松散且容易破壞，幾乎失去強度[3]。

1.1.3 工程空蝕

水體中存在許多空化核，流經隧洞不平順邊界時，根據流體壓力關系，局部壓力遠遠低于大氣壓，形成負壓區。當壓力降至飽和蒸氣壓強時，空化核迅速發育成空泡[4]。當空泡流經高壓區時，由于存在較大內外壓力差而迅速潰滅、消失。周圍水流質點會在極短時間內去填充空泡消失留下的空間，質點動量在瞬間變為0，根據動量守恒，這會產生極大機械沖擊力，達到幾個甚至幾十個大氣壓，使得混凝土邊界區域因不斷受到沖擊而剝蝕。

1.1.4 老化脫落

碳化是混凝土結構存在的主要問題之一，也是其發生老化病害的重要誘因。碳化過程中，混凝土化學性質逐漸由堿性轉化為中性[5]。因為水泥水化時析出部分和鈉的氫氧化物呈強堿性，其pH值在11以上。鋼筋表面強堿環境下有碳化膜生成，能夠有效阻止鋼筋和空氣中O2和Cl-接觸，從而避免鋼筋發生銹蝕。碳化后混凝土pH值大幅度降低，鋼筋鈍化膜處于活化狀態，在氧和水存在環境下有電化學腐蝕情況發生。由于鐵銹體積比金屬鐵大，混凝土保護層會被脹裂、剝落，增加鋼筋與空氣的接觸機會，從而加速鋼筋銹蝕，形成惡性循環[6- 7]。

1.2 強度變化

隨著水閘運行，過水隧洞在潮濕、陰暗和凍融交替環境中，混凝土強度會發生較大變化，本文主要采取回彈儀測混凝土強度，通過酚酞溶液測碳化深度和取芯修正得到混凝土實際強度和相關參數，通過與設計值對比，確定混凝土抗壓強度是否滿足安全運行要求[8]。

根據回彈法測混凝土強度規范，酚酞溶液測混凝土碳化深度，由于隧洞運行時間較長，碳化深度全部大于6mm。同時經過取芯修正，得到混凝土強度推定值如表1所示。

根據回彈、鉆芯綜合法，混凝土強度推定值均大于15.7MPa，因為混凝土設計值150#，相當于C14混凝土，能夠滿足結構安全運行。

2 防治技術措施

混凝土結構表面出現一些老化現象，結構強度也會有所降低，如不及時處理會形成惡性循環，造成結構進一步破壞。為了結構能夠長期安全運行，必須對老化現象采取相應措施，以滿足結構安全運行。

2.1 裂縫處理措施

關于表面裂縫和深進裂縫，如果對結構穩定和極限承載力影響較小，可以選擇表面修補法進行處理。通常是在裂縫表面涂抹水泥砂漿、環氧膠泥、油漆和瀝青等材料；為避免應力集中避免裂縫進一步發展，通常采取在裂縫表面粘貼玻璃纖維布的方法，能夠有效達到增強混凝土抗裂能力的目的；如果對結構整體性和防滲有要求的裂縫，灌漿封堵法是一個簡單易行的方法：通過壓力設備將膠結材料壓入裂縫，膠結材料硬化后即與混凝土形成整體，對結構裂縫及滲透均有較好的彌補作用。

2.2 控制空蝕措施

空蝕對結構損傷較大，對于空蝕損傷必須予以重視。通常需要在設計和施工過程中采取措施：考慮流線型隧洞輪廓。邊界輪廓應盡量設計成流線型，能夠減緩水流與邊界脫離從而避免產生低壓區。施工中對于水流邊壁表面不平整度要加以控制：一方面嚴格控制洞壁施工質量；另一方面，對施工中出現局部不平整進行磨削處理，將突起部分磨成平緩坡面，能夠有效減少空蝕發生的概率。

2.3 延緩混凝土老化措施

根據工程經驗，提高混凝土密實度，能夠顯著改善混凝土力學性能和耐久性。侵蝕介質主要通過滲透侵入混凝土，提高抗滲性以減少侵蝕介質侵入就可以減輕其危害。通常采用外加劑以降低水灰比或磨細礦渣、粉煉灰代替部分水泥的方法，上述方法能夠在很大程度上減少混凝土結構內部孔隙率，從而延緩老化進程。多數水閘項目對混凝土強度要求不高，但對耐久性、工作性、均勻性和體積穩定性等有較高要求，因此提高抗滲性延緩混凝土老化是一個比較好的選擇。

表1 評定結構混凝土強度推定值對比表

2.4 補強措施

混凝土碳化及鋼筋銹蝕引起結構強度大大降低，甚至會造成結構整體癱瘓，因此需要采取一定補強措施。對于混凝土結構，視碳化深度和部位不同，處理方法也不盡相同。首先需要將碳化部分除去，表面清理干凈且需要濕潤處理，再用高于原混凝土設計標號的混凝土或其他修補材料(如環氧聚酯、丙乳砂漿和丙乳混凝土等)進行修補加固；如果外露鋼筋發生銹蝕，需要除銹后再考慮下一步處理，若銹蝕比較嚴重，需要通過荷載計算是否滿足安全運行要求。必須注意的是，無論采取何種形式碳化處理，都應該采取一定防碳化措施。

3 混凝土結構安全問題引發的思考

水閘安全運行對于混凝土結構要求較高，一旦老化病害現象發生，相關并發病害頻現且極易形成惡性循環，嚴重影響水閘安全使用壽命，因此對混凝土碳化問題必須在設計、施工和使用養護過程中予以重視。

3.1 保證足夠鋼筋保護層厚度

鋼筋保護層厚度對結構安全運行有較大影響，較大保護層厚度可以顯著提高水閘混凝土結構耐久性。由于混凝土堿性減弱碳化是鋼筋銹蝕的開始，而鋼筋銹蝕又會引起混凝土保護層剝落，這會引起鋼筋進一步銹蝕，惡性循環會引起整體結構的老化及破壞。因此，控制混凝土保護層厚度，減緩鋼筋開始銹蝕開始時間是一個需要考慮的事情，而增加混凝土保護層厚度是一個行之有效的方法。因此，從細處著手，確保混凝土工程施工質量，是提高結構耐久性的重要措施之一。

3.2 混凝土施工工藝

混凝土結構是水閘的重要組成基礎，良好的施工工藝能夠保證水閘混凝土結構安全運行。施工過程中需嚴格控制原材料質量、水灰比和施工流程。隨著科技發展，新材料新工藝不斷應用于混凝土中，如高性能混凝土。通過摻入硅粉、粉煤灰、高爐礦渣中的一種或多種，能夠增大混凝土密實度、改善混凝土孔結構[9]，提高結構抗碳化能力。

3.3 混凝土表面涂層保護

防護材料涂覆在混凝土結構表面，能有效阻止空氣中CO2、水、鹽、酸性介質和Cl-向混凝土中滲透和擴散，延緩混凝土碳化和防止鋼筋銹蝕。表面涂層可用無機材料或有機材料，無機材料涂層有水泥砂漿、石膏等；有機防腐涂料有環氧樹脂、聚氨酯、丙烯酸樹脂和氯化橡膠等。

4 結語

長期運行后，水閘混凝土構安全問題逐步顯現，實踐經驗表明，若在水閘設計和施工階段采取相關應對措施，則可以有效提高混凝土抗碳化能力。

(1)從隧洞現狀看，混凝土老化問題相當突出，應當引起足夠重視。首先應該從建設方面采取措施加以防治，如提高混凝土材料、施工質量方面，是提高混凝土抗老化性能的根本性措施。同時改變單純重視混凝土強度，實現基于耐久性的結構設計，是提高結構耐久性的根本途徑之一。

(2)鑒于混凝土老化現象的普遍性，從結構加固材料、加固技術方面尋找對策，也是今后值得探討的方向之一。