大型灌區渡槽病害處理及降糙防護技術研究

南江江

(山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024)

國內目前有大中型灌區5600多處，大型引調水工程數十處，隨著早期工程運行年限的增加，大型灌區及調水工程中的各種不同類型的建筑物(如渡槽、隧洞、箱涵、水閘、管道、泵站等)均將出現不同程度的老化病害問題，且不斷加劇，對工程安全和效益的發揮影響越來越大。如何在基本不影響工程正常供水的前提下，采用何種性能優越的防滲材料對老化混凝土進行修復及表面耐久性防護顯得尤為重要，所以材料的選擇和嚴格的處理技術就成為混凝土結構修補防護成敗的關鍵。經過對禹門口灌區渡槽病害檢測評估和機理研究，提出了一套系統性水工混凝土修補加固及防護技術方案。

1 渡槽的病害問題

禹門口灌區工程14座輸水渡槽均為U形薄殼結構，槽殼直徑3.6m，槽深2.7m，跨長10～15m，壁厚14cm。槽身采用R300號鋼筋混凝土結構簡支于兩端排架上，槽身頂部設拉梁，中間設寬人行走道，槽身由鋼筋混凝土排架支撐。

禹門口灌區渡槽已運行20余年，建筑物的老化病害現象日趨嚴重，主要表現為混凝土剝落、凍融剝蝕、鋼筋外漏銹蝕、混凝土嚴重碳化、伸縮縫止水老化滲水漏水等現象，嚴重影響工程輸水安全，需對其進行修復加固。并且本渡槽又增加了為山西省大水網禹門口東擴工程的輸水任務，輸水流量需達到18m3/s。而原輸水能力僅有14m3/s，需要找到一種低成本、高效率的改造方式，來修復加固渡槽并能提高其過流能力。

2 混凝土剝蝕修補處理技術

2.1 混凝土剝蝕機理

薄壁結構混凝土極易受到凍融破壞，主要破壞機理為：混凝土中的孔隙水在溫度降低至零攝氏度以下結冰時，體積膨脹產生的膨脹力會降低混凝土強度，在反復凍融造成的疲勞破壞及鋼筋銹脹的同時作用下，最終會導致表層的混凝土大面積剝蝕，因此修復已剝蝕的混凝土，同時必須加強混凝土表層的防護。

2.2 改性水泥砂漿的特點

改性水泥砂漿是乳膠和水泥砂漿的一種聚合物。其中的乳膠脫水后形成的膠粒，充填了水泥砂漿間的孔隙，提高了聚合物的密實性，加強了粘結性和延展性。與普通水泥砂漿相比，改性水泥砂漿的強度高、滲透性低、粘接力大，因此改性水泥砂漿適合對受剝蝕的混凝土表面進行修補。

由于聚合物水泥砂漿良好的抗滲性，較高的抗折強度及其良好的適應變形能力，因此作為高等級水泥混凝土建筑修補材料，不但減少了水泥混凝土面層的開裂，延長了使用壽命。相對普通混凝土或砂漿，聚合物則對水泥砂漿改性后改善了其脆性大、干縮變形大、抗腐蝕性不佳等特點，并使聚合物水泥材料向柔性材料方向發展。

聚合物改性纖維水泥砂漿的材料配比：改性丙烯酸酯類乳液∶水泥∶砂∶水∶減水劑∶纖維∶消泡劑=20%∶1∶2∶2.8%∶0.7%∶0.25%∶0.2%，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥。其主要物理力學指標見表1。

表1 聚合物纖維水泥砂漿主要物理力學指標表

2.3 工藝技術

(1)采用電錘將剝蝕混凝土及劣質混凝土等鑿除，邊沿盡可能垂直且呈凸多邊形，深度以至堅固基面并不少于1cm控制。

(2)對銹蝕的鋼筋先除銹，再刷防銹劑。

(3)對處理面用高壓水沖洗干凈。

(4)沖洗后的基面保持潮濕狀態，但不得有積水，先涂刷一層聚合物水泥凈漿(乳液∶水泥=1∶2)，涂刷均勻后即可進行聚合物纖維水泥砂漿施工。

(5)待表面不粘手時，刷一層聚合物水泥凈漿封閉表面空隙，采用塑料薄膜覆蓋保濕，1d后進行噴霧保濕養護。

3 伸縮縫的修復處理技術

3.1 伸縮縫老化失效機理

現狀渡槽伸縮縫預留槽底部粘貼三層玻璃絲布，縫內上部采用聚氯乙烯膠泥填平，具體做法如圖1所示。改造前現場測量伸縮縫最大縫寬5cm，最大變形位移2cm，伸縮縫表層膠泥被扯斷裂，縫內外側瀝青麻絲脫落致使玻璃絲布風化老化，造成渡槽伸縮縫處不同程度滲水、漏水、冬季輸水掛冰現象，危及渡槽安全。

圖1 渡槽伸縮縫改造前大樣圖

3.2 伸縮縫的修復方案

結合禹門口灌區渡槽工程的特點及要求，為了保證渡槽伸縮縫能夠適應微小轉動或不均勻沉降的變形功能及止水效果，采用預留槽內嵌入能夠適應較大變形的U形FZ型復合橡膠止水帶。為保障上部聚合物纖維水泥砂漿與止水帶的良好結合，止水帶上部表層掛一層鋼絲網，在鋼絲網表面槽內填充聚合物纖維水泥砂漿。為了防止縫內填充的瀝青麻絮風化老化，在伸縮縫底部采用柔性的厚3cm的雙組份聚硫密封膏對伸縮縫外側進行密封保護。伸縮縫改造方案如圖2所示。橡止水帶采用FZ型復合型止水帶，技術指標見表2。

圖2 渡槽伸縮縫改造后大樣圖

表2 橡膠止水帶技術指標表

該止水結構的特點：①采用預留槽內嵌入能夠適應較大變形的U形FZ型復合橡膠止水帶，止水帶中部的U形槽尺寸根據接縫變形設計，可以適應槽身微小轉動或不均勻沉降的變形；②橡膠止水帶嵌埋在聚合物水泥砂漿和瀝青麻絮中間，可以增加其耐久性；③止水帶上部表層粘掛一層鋼絲密目網，可以增加聚合物纖維水泥砂漿與止水帶的良好結合；④伸縮縫底部采用柔性的厚3cm的雙組份聚硫密封膏對伸縮縫外側進行密封保護，防止瀝青麻絮風化脫落；⑤采用U形FZ型復合橡膠止水帶結合柔性良好的雙組份聚硫密封膏和性能優越的SK手刮聚脲三重柔性防護止水結構形式，提高防滲止水保障。

3.3 工藝技術

(1)將縫內雜物清理干凈，沖洗干凈并保持混凝土面干燥，采用聚合物水泥砂漿對基層混凝土表面修補整平。

(2)伸縮縫槽內底部粘貼U型橡膠止水帶，在止水帶外側用聚合物砂漿坐漿掛鋼絲網，再在預留槽內填充聚合物纖維水泥砂漿至密實并表面平整。

(3)在填充的聚合物纖維水泥砂漿表面及兩側手刮SK單組份聚脲，涂層寬度40cm、厚度不小于4mm(中間厚、兩側薄)，手刮聚脲應在界面劑允許的時段內進行施工，應均勻、平整、光滑。

(4)伸縮縫內嵌入的U型橡膠止水帶外側采用瀝青麻絮填塞密實，最外側采用厚3cm的雙組份聚硫密封膏填壓密實。

4 槽身內壁降糙處理技術

選擇一種具有可靠的防滲性、柔韌性、抗沖磨、優良耐久性和環境友好的低糙率表面防護涂料，通過降低渡槽過流斷面的糙率來提高渡槽的過流能力，是一種低成本、高效率的改造方式。

4.1 單組份聚脲材料的特點

通過室內材料性能試驗研究和現場工藝性試驗，單組份聚脲材料的特點：①施工不需要人工配比，固化過程中，無CO2產生，修補表面不會有氣泡，可以任意厚度成膜，材料質量易保證不需要專門的設備，分層施工能保證涂層厚度的均勻性，可以多個工作面同時施工，提高工作效率；②單組份聚脲材料為脂肪族，耐老化性能好，不變色；③在室溫或-45℃低溫環境下，與基層混凝土粘接強度相差不大；④凍融循環300次前后粘結強度均大于3MPa；⑤在低溫環境下仍具有良好的柔性，在-45℃拉斷伸長率為144%；⑥圓環高速水流沖刷實驗結果表明聚脲涂層抗沖磨性能非常優異，是C50混凝土材料的100倍以上；⑦無毒，對水質無污染。

單組份聚脲主要物理力學指標見表3。

表3 單組份聚脲主要物理力學指標表

4.2 降糙防護機理

渡槽內壁混凝土保護層厚度欠缺，在碳化及水中腐蝕性離子的影響下，內部鋼筋產生銹蝕、膨脹，進而引發表層混凝土的剝落，因此對于渡槽這種薄壁混凝土結構，加強表層防護是非常關鍵的，能夠阻滯鋼筋銹蝕的發展，保證結構強度。渡槽槽身為鋼筋混凝土結構，糙率為0.014，而試驗結果表明單組份手刮聚脲材料的糙率僅為0.0089～0.0097。槽身內壁涂刮聚脲涂層后，一是表面比較光滑，二是聚脲材料是憎水性材料，在降低過流表面糙率的同時，對混凝土表面能夠起到很好的防護作用。改造后的渡槽糙率為0.01，經過流能力復核，現渡槽斷面尺寸即可滿足流量18m3/s的要求。

4.3 工藝技術

(1)底層處理。對修補完成后的槽身內壁用角磨機對表面進行全面打磨沖洗并風干。

(2)刷界面劑。在混凝土表面均勻涂刷界面劑。

(3)手刮SK單組份聚脲涂層。手刮聚脲時間要在界面劑初始固化(沾手而不拉絲時)時涂刮第一遍手刮聚脲，后序涂刮應在前一道涂刮表干后進行，大面積聚脲刮涂遍數3～4遍，直至達到設計厚度2mm，聚脲應單向均勻涂刮，兩次涂刷手刮聚脲作業面之間的搭接寬度應不小于50mm。手刮聚脲之間停歇時間大于一天以上或有水，需要底層聚脲表面刷一遍活化劑。

(4)養護。聚脲涂刮完成后，12h內不要有水浸泡，大于5℃氣溫常溫養護72h。

5 混凝土防碳化處理技術

5.1 混凝土碳化機理

混凝土碳化是混凝土中Ca(OH)2與空氣中的CO2反應生成CaCO3，混凝土pH值逐漸降低，只有在強堿性環境中才能穩定存在的鋼筋表面的鈍化膜，當混凝土pH值降低到一定值時，鈍化膜分解破壞，失去了對鋼筋的保護作用，導致鋼筋生銹膨脹，致使表層混凝土開開裂剝落。運行20余年的禹門口灌區渡槽混凝土多處碳化深度已達鋼筋層，造成混凝土大面積剝落，已失去對鋼筋的保護作用。經檢測，對渡槽混凝土結構表面進行防碳化處理，可大大延長建筑物的使用壽命。

5.2 混凝土防碳化方案

目前，國內水利工程防碳化處理多采用涂層封閉法，渡槽內壁采用單組份聚脲涂層進行了全面防滲降糙的同時，已具備了防碳化功能；對于渡槽外壁和排架，由于不長期接觸水，選用柔性聚合物水泥防水涂料。防碳化涂料有多種，如改性VAE、PCS、SK-優龍等，均具有較好的防碳化效果。根據現場試驗及工程應用情況，柔性的VAE防碳化涂料防滲性能優異、耐候性好，施工簡便，價格便宜等優點。

由于槽身及排架的混凝土碳化速度較快，為了延緩發展，提高混凝土耐久性，考慮在結構表面涂刷柔性的改性VAE防碳化涂層，可提高混凝土防碳化能力10倍。各層改性VAE防碳化防碳化材料的配比見表4，主要物理力學性能見表5。

表4 改性VAE防碳化涂料配比

表5 改性VAE防碳化涂層主要物理力學指標表

5.3 工藝技術

(1)基底混凝土處理。將損壞的混凝土清除干凈，采用聚合物纖維水泥砂漿對混凝土構件殘缺部分進行修補復原，全面打磨清洗干凈并充分風干。

(2)噴涂或輥涂防碳化涂料。在混凝土表面涂刷4遍改性VAE防碳化涂層，每一遍涂層表面風干后，才可噴下一遍，涂層總厚度不小于1mm，噴涂要均勻光滑。

6 結語

禹門口灌區渡槽加固后通過現場監測試驗，混凝土彈性模量相對加固前提高29%，說明修補加固對渡槽性能改善效果明顯。修補加固后，渡槽設計水位運行一天可多輸水近28萬m3，過流能力顯著提高，具有重大的經濟社會效益。通過維修改造、降糙防護處理，渡槽工程煥然一新，相關病害問題已消除，經過6a的運行檢驗，無滲漏水現象，處理效果依然良好。

選用有效的修補材料、合適的材料配合比及嚴格的工藝技術是混凝土結構修復工作成敗的關鍵。禹門口渡槽系統性的修補加固防護處理技術方案為水工混凝土工程尤其是薄壁混凝土工程的修補加固、防護及提高過流能力積累了寶貴經驗，值得類似工程借鑒和推廣。