混凝土襯砌板剝蝕原因及處理方案

宗利杰

(南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 北京分局，北京100038)

1 混凝土襯砌板剝蝕產(chǎn)生的原因

混凝土襯砌板剝蝕在北方輸水渠道中是種比較常見的現(xiàn)象，造成其產(chǎn)生剝蝕裂縫的原因多種多樣，如①凍融剝蝕。北方渠道襯砌板凍融剝蝕部位主要在運行水位線附近上下30 cm的范圍內(nèi)，尤其是冬季，會受溫度的影響產(chǎn)生凍融循環(huán)。當(dāng)溫度達(dá)到冰點時，混凝土中的飽和水結(jié)冰，產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力，造成了破壞性膨脹，會引起混凝土性能劣化，從而導(dǎo)致水泥微型碎裂，失去強度。這些很小的碎裂顆粒在運行期由于受到水流作用而脫落，使得襯砌板表面出現(xiàn)了凍融剝蝕，這也是襯砌板剝蝕出現(xiàn)的最主要原因。②混凝土碳化。受環(huán)境影響，水中二氧化碳具有弱酸性，會與硅酸鹽水泥中的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣。而碳酸鈣的溶解度低，會沉積在混凝土的毛細(xì)孔內(nèi)。毛細(xì)孔周圍的羥鈣石會補充溶解為Ca2+和OH-，反向擴(kuò)散到混凝土孔隙中，繼續(xù)與擴(kuò)散進(jìn)來的CO2反應(yīng)，一直到孔隙液的pH值降低到8.5～9，這時混凝土的毛細(xì)孔中才不再發(fā)生這種中和反應(yīng)，這也就是俗稱的混凝土碳化，即碳酸鹽化。酸性氣體如SO2、SO3等均能和Ca(OH)2進(jìn)行中和反應(yīng)，使混凝土碳化。碳化后的混凝土強度會降低，會隨著水流的沖刷而發(fā)生脫落，進(jìn)而形成剝蝕。③水流磨蝕。渠道水中必然還有泥沙、氣泡以及冬季的浮冰。受水流沖力影響，它們會和襯砌板發(fā)生磨蝕碰撞，日積月累，混凝土就會產(chǎn)生剝蝕破壞，形成機理類似于葉輪的氣蝕。④建設(shè)期施工工藝不合理。建設(shè)期由于趕工等原因，個別混凝土襯砌板面在澆筑過程中沒有及時收面搟光。為了達(dá)到規(guī)范要求，部分施工單位在混凝土達(dá)到終凝后，采用了水泥加水的方法對襯砌板進(jìn)行罩面。該方案雖然在短期內(nèi)能夠達(dá)到美化效果，但時間稍長就會出現(xiàn)“兩張皮”現(xiàn)象。澆筑期混凝土已達(dá)到終凝，散去了水化熱，補刷水泥罩面又過薄，不能達(dá)到建設(shè)目的。⑤擠壓破壞。冰期輸水時，由于北方溫度較低，在水流流速不高的情況下，水面上部會結(jié)冰，需要進(jìn)行冰下輸水。當(dāng)冰蓋穩(wěn)定時，有利于輸水安全，但同時也會對渠道襯砌板造成一定的壓力。白天溫度高，冰面上部分冰層會融化成水，滲入冰面和襯砌板的結(jié)合部位。而夜間溫度偏低，融化的水又會凍結(jié)成冰。水凍結(jié)成冰時，體積會變大，會給襯砌板帶來壓力。周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)，該部位的混凝土?xí)谧冃?，從而產(chǎn)生剝蝕。

2 混凝土襯砌剝蝕的預(yù)防措施

其一，嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計要求控制混凝土質(zhì)量，尤其是針對有抗凍、抗?jié)B要求的混凝土，在澆筑前必須要做好各項試驗。澆筑時，嚴(yán)格控制施工工藝。澆筑過程中，實行監(jiān)理制的項目必須要有監(jiān)理進(jìn)行。其二，澆筑完成后，要及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并按照規(guī)范及時進(jìn)行保溫和灑水，避免因養(yǎng)護(hù)不當(dāng)而出現(xiàn)強度不足、裂縫等缺陷。其三，盡量避免在冰期輸水。因為北方的溫度無法改變，渠道距離一般都很長，要想給渠道加個蓋子是不現(xiàn)實的。在具備條件的情況下，要盡量避免在冰期輸水，這樣既可以避免冰蓋對襯砌板產(chǎn)生壓力，又能避免襯砌板出現(xiàn)凍融剝蝕破壞。若必須進(jìn)行冰期輸水，建議適當(dāng)為渠道襯砌板泄壓?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)水位或流速來實現(xiàn)，避免形成太厚的冰蓋，或者對太厚且影響安全的冰蓋進(jìn)行切割泄壓。其四，及時對剝蝕的混凝土進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，防止范圍擴(kuò)大。

3 混凝土襯砌板剝蝕的處理方法

混凝土襯砌板厚度一般為10～15 cm，剝蝕的處理方法主要有拆除新建和表面貼補法。拆除新建是將剝蝕嚴(yán)重的襯砌板進(jìn)行破碎拆除，重新澆筑混凝土襯砌板。該方案實施影響較大，費用較高，一般僅針對剝蝕特別嚴(yán)重已失去保留價值的襯砌板。

3.1 表面貼補法施工工藝

(1)鑿除。鑿除缺陷部位松散的混凝土。需先對擬處理部位周邊劃定處理邊界，處理邊界宜成矩形，橫平豎直。可采用切割機沿邊界線切割，界面稍向外傾，形成倒楔形，有利于修補砂漿與母體混凝土的結(jié)合緊密。應(yīng)采用電鎬、釬子等工具鑿除修補面凍融破壞的混凝土，直至密實混凝土部位。還要清除松動顆粒，清洗干凈。要對混凝土基面進(jìn)行灑水潤濕，保證涂刷界面劑之前能夠使基面達(dá)到吸水飽和的潮濕狀態(tài)且基面無明水、無積水。(2)刷界面劑。界面劑的涂刷要盡可能薄而均勻、不流淌、不漏刷。(3)砂漿抹面。按要求對砂漿進(jìn)行配比，攤鋪完畢要立即壓抹，注意向一個方向抹平，操作速度要快，如遇氣泡要挑破壓緊，保證表面密實，邊角接縫處要反復(fù)壓實，避免出現(xiàn)孔洞或縫隙。聚合物砂漿的涂抹厚度一般每層不超過15 mm。對于厚層修補需分層施工，層與層之間施工時間間隔以底層砂漿終凝以前為宜，間隔時間過長則需涂刷界面劑。

3.2 抹面材料

抹面材料作為渠道剝蝕修復(fù)用的主要材料，應(yīng)具有以下特點：無毒無害、性能穩(wěn)定、使用方便、操作簡單、粘結(jié)強度高、低自收縮、防水、抗?jié)B、抗凍。目前，市場上常見的抹面材料為普通砂漿和聚合物砂漿。普通砂漿和聚合物砂漿相比，具有造價低、強度高、保水性差等特點。強度高、保水性差會造成抹面容易開裂，而且普通砂漿粘結(jié)力較聚合物砂漿差。由于渠道襯砌板要經(jīng)受住水流的沖擊，所以常用聚合物砂漿進(jìn)行抹面。聚合物砂漿造價較普通水泥砂漿要高，但它的粘結(jié)力要強于普通水泥砂漿，而且強度較水泥砂漿低，粘結(jié)牢固，不容易開裂。本研究主要推薦NE型水泥基聚合物干粉砂漿和YEC環(huán)氧涂層。

表1 NE型水泥基聚合物干粉砂漿主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of cement-based ploymer dry-mixed mortar of NE type

表2 YEC-Ⅲ型高韌性環(huán)氧防護(hù)涂層材料主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical index of YEC-Ⅲ epoxy coating materials of high tenacity