西南地區(qū)灌區(qū)背景下混凝土水工建筑物問題分析及加固修補(bǔ)方法設(shè)計

肖 翠

(貴州省興仁市水務(wù)局,貴州 興仁 562300)

1 概 述

水工建筑物在水資源調(diào)控、洪水調(diào)節(jié)、灌溉農(nóng)田、能源利用、水運交通和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著重要的作用[1]。在長期使用過程中,水工建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)容易受到各種因素的損壞和老化,如溫度變化、水蝕、化學(xué)侵蝕等,對于混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固研究具有重要意義[2-3]。

傳統(tǒng)的修補(bǔ)方法往往無法達(dá)到理想的修補(bǔ)效果,無法完全修復(fù)混凝土的力學(xué)性能和耐久性。常用的修補(bǔ)材料在抗拉強(qiáng)度、耐老化性能和抗凍性能方面存在一定的局限性,難以滿足水工建筑物在惡劣環(huán)境下的長期使用要求[4]。常規(guī)的人工抹壓丙乳砂漿處理方式在施工中容易產(chǎn)生空鼓、裂縫等質(zhì)量問題,影響修補(bǔ)效果?，F(xiàn)有的性能試驗方法也存在一定的局限性,無法全面評估修補(bǔ)材料的性能和可靠性。

SK手刮聚脲材料具有良好的附著力、耐久性和施工性能,可以有效修補(bǔ)混凝土表面的損壞,并提高其整體強(qiáng)度和耐久性。人工抹壓丙乳砂漿處理方式可以確保修補(bǔ)材料與原混凝土的緊密結(jié)合,提高修補(bǔ)效果的質(zhì)量和可靠性[5]。拉伸性能試驗、耐老化性能試驗和抗凍性能試驗?zāi)茌^為全面地評估混凝土修補(bǔ)工程的可靠性。因此,本文提出融合SK手刮聚脲的水工建筑物混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法,以期為水工建筑物的維護(hù)工程提供可行的技術(shù)參考。

2 融合SK手刮聚脲的水工建筑物混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法設(shè)計

2.1 水工建筑物工程概況及問題分析

水工建筑物在水資源管理、防災(zāi)減災(zāi)、能源生產(chǎn)等方面發(fā)揮著重要作用,能夠為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)作物生產(chǎn)提供保障。但大多數(shù)水工建筑所使用的混凝土在經(jīng)過長期使用后會存在結(jié)構(gòu)質(zhì)量和耐久性的問題,需要對混凝土進(jìn)行修補(bǔ)和加固[6-7]。水工建筑物的混凝土主要容易出現(xiàn)5類問題,見圖1。

圖1 水工建筑混凝土問題

由圖1可知,水工建筑混凝土的主要問題有混凝土剝蝕、混凝土碳化、混凝土滲漏、混凝土裂縫和混凝土凍脹?；炷羷兾g一般發(fā)生在水工建筑中的溢洪道、消力池等部位,導(dǎo)致混凝土的有效斷面減少,結(jié)構(gòu)的整體承載能力下降?；炷帘┞队谕獠凯h(huán)境中,會與二氧化碳發(fā)生反應(yīng)出現(xiàn)碳化,使混凝土變得疏松,導(dǎo)致混凝土抗拉能力下降,材料變脆,斷裂風(fēng)險上升。混凝土滲漏分為點滲漏、線滲漏、面滲漏3類,會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體遭到侵蝕,對內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞?；炷亮芽p導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體性喪失,造成水資源浪費[8-9]?；炷羶雒浭侵杆衷诮牖炷羶?nèi)部后,在低溫環(huán)境結(jié)冰導(dǎo)致體積膨脹,破壞混凝土結(jié)構(gòu)。上述混凝土問題中,最為常見且?guī)砜赡芎蠊顬閲?yán)重的是混凝土裂縫,裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)建筑的劣化病變的宏觀體現(xiàn),裂縫導(dǎo)致水體利用率降低和內(nèi)部金屬腐蝕,可能造成工程無法正常運行。

進(jìn)行混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固時有多種施工方法,研究從修補(bǔ)工法上進(jìn)行設(shè)計。SK手刮聚脲由多異氰酸酯-NCO的聚合物預(yù)聚物、封端多胺和功能性添加劑混合而成,屬于一種單組份聚脲,在不同溫度環(huán)境中有良好的適應(yīng)能力,可以抵抗混凝土開裂導(dǎo)致的變形,且不含有害揮發(fā)性成分,具有良好環(huán)保性能[10-11]。研究圍繞SK手刮聚脲,設(shè)計水工建筑物混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法。

研究以位于貴州省黔西南州貞龍灌區(qū)節(jié)水項目中的排澇渠為示范進(jìn)行設(shè)計。工程覆蓋區(qū)域水源主要來自山塘、地下泉眼及溪溝,水源位置距離工業(yè)區(qū)、城鎮(zhèn)較遠(yuǎn),不存在污染源,水源由大氣降水經(jīng)過地表徑流匯聚形成。工程區(qū)域內(nèi)主要地層為中統(tǒng)關(guān)嶺組第二段、三疊系上統(tǒng)賴石科組第一段、三疊系上統(tǒng)賴石科組第二段、三疊系上統(tǒng)把南組及三疊系上統(tǒng)火把沖組地層。地層中主要含有灰?guī)r、白云巖、粉砂巖、黏土巖、夾石英砂巖以及含碎礫石砂土成分。區(qū)域內(nèi)碎屑巖分布面積所占比例較小,由于巖石的非可溶性使得地下水僅能賦存于巖石裂隙中,此類巖石富水性弱,徑流緩慢,泉水流量小,多沿溪溝兩側(cè)巖石裂隙或坡積物中排泄出地表。

2.2 混凝土加固及材料試驗方法設(shè)計

研究采用人工抹壓丙乳砂漿處理配合SK手刮聚脲涂層防護(hù)的混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法。研究設(shè)計的混凝土裂縫處理工藝見圖2。

圖2 混凝土裂縫處理工藝

由圖2可知,研究設(shè)計的混凝土裂縫處理工藝包含對裂縫的阻斷和表面覆蓋。施工時,首先進(jìn)行裂縫表面劃線和打磨清理,對涂層壓邊槽進(jìn)行切鑿,對表面坑洞進(jìn)行缺陷修補(bǔ);然后在裂縫表面貼上隔離布,噴涂彈性涂料界面劑,再刮涂彈性涂料,過程中分層多次刮涂增厚,再進(jìn)行涂層壓邊,最后進(jìn)行拉拔黏結(jié)。

在開始施工前,需要先將施工區(qū)域中的無用鋼筋進(jìn)行切除,對已老化至不滿足要求的混凝土進(jìn)行表面鑿毛,露出新鮮混凝土面。進(jìn)行打磨和開收邊槽時,打磨范圍需向外擴(kuò)大100mm,打磨后的混凝土表面需要保持平整。進(jìn)行混凝土清洗時,使用高壓水槍對混凝土面進(jìn)行沖刷,除去松動的混凝土顆粒,直至露出緊固的混凝土表面。噴涂界面劑時,盡量在干燥環(huán)境中進(jìn)行,界面劑均勻噴涂。在刮涂材料中布置胎基布時,在防護(hù)材料第一遍刮涂略固化黏稠后,使用抹子將胎基布按壓在材料之上,之后進(jìn)行防護(hù)材料的重復(fù)刮涂。完成刮涂后,需要對涂層區(qū)域進(jìn)行收邊處理。所使用的丙乳砂漿使用人工拌和法進(jìn)行拌和,首先將砂與水泥進(jìn)行無水混合,再加入丙乳和水進(jìn)行拌和。在施工時,先涂上由丙乳和水泥配合成的丙乳凈漿作為打底,再對丙乳砂漿進(jìn)行鋪筑[12]。完成鋪筑后,將砂漿進(jìn)行壓實,然后使用倒退法進(jìn)行抹面。完成抹平后,使用噴霧器進(jìn)行為期一周的潮濕養(yǎng)護(hù)。完成養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行SK手刮聚脲刮涂,在界面劑表面干燥凝結(jié)后開始刮涂。進(jìn)行多遍厚度約2mm的大面積刮涂,期間保持各層之間的潔凈。為了確保SK手刮聚脲層與混凝土的搭接處牢固,將收邊處的混凝土打磨至三角形形狀,保證聚脲層與混凝土邊緣平滑過渡。完成SK手刮聚脲層施工后進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù),保持24h干燥環(huán)境,保證材料正常凝固。

SK手刮聚脲材料的性能指標(biāo)需要依照工程的實際情況進(jìn)行試驗調(diào)整,研究設(shè)計拉伸性能試驗、耐老化性能試驗和抗凍性能試驗,對SK手刮聚脲材料的性能指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。拉伸性能試驗使用自制塑鋼矩形框模作為試驗?zāi)＞?模具由厚3mm的矩形塑鋼框架粘接在玻璃底板上構(gòu)成。將涂料分3次涂抹在由蠟油覆蓋的框架內(nèi),完成涂抹后進(jìn)行14天的養(yǎng)護(hù),裁切得到試樣,在室溫下進(jìn)行7天養(yǎng)護(hù)。將試樣加載拉力試驗機(jī)上,使用伸長測量裝置記錄伸長量變化。耐老化性能試驗使用與拉伸性能試驗一樣的試樣制備方法,然后進(jìn)行裁切得到啞鈴狀和長條狀試樣,拉伸至20%伸長率狀態(tài)。在臭氧試驗箱中和熱空氣試驗箱中進(jìn)行暴露放置,在設(shè)定時間點進(jìn)行厚度和拉伸強(qiáng)度變化測量?？箖鲂阅茉囼灠凑铡端せ炷猎囼炓?guī)程》(SL/T 352-2020)對標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行制備,將標(biāo)準(zhǔn)試件在養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行28天養(yǎng)護(hù),對表面進(jìn)行清潔,再進(jìn)行SK手刮聚脲材料涂抹,設(shè)置單面涂覆和整體涂覆的不同組別。在試驗前進(jìn)行為期21天的室溫養(yǎng)護(hù),然后將單面涂覆和整體涂覆的試件放入抗凍試驗臺進(jìn)行凍融試驗,設(shè)置凍融次數(shù)為300次,使用拉拔試驗儀對材料的表面粘接強(qiáng)度進(jìn)行檢測。

3 融合SK手刮聚脲的水工建筑物混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固效果測試

為了對研究方法提出的修補(bǔ)與加固方法在水工建筑物中的應(yīng)用效果進(jìn)行確定,研究進(jìn)行相關(guān)數(shù)值和觀測試驗。首先對拉伸性能進(jìn)行測試,見圖3。

圖3 拉伸性能測試

由圖3可知,在相同長度和厚度的不同寬度長條試樣中,材料的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率都均隨長條試驗寬度上升而增加。使用無胎基布方法制成的試樣在長條試樣寬度為10mm時,拉伸強(qiáng)度為9.1MPa,扯斷伸長率為125%;在長條試樣寬度增至30mm時,拉伸強(qiáng)度上升至18.4MPa,扯斷伸長率上升至137%;在長條試樣寬度增至70mm時,拉伸強(qiáng)度上升至19.9MPa,扯斷伸長率上升至149%。而使用研究方法制成的試樣在長條試樣寬度為10mm時,拉伸強(qiáng)度為17.4MPa,扯斷伸長率為159%;在長條試樣寬度增至30mm時,拉伸強(qiáng)度上升至82.3MPa,扯斷伸長率上升至198%;在長條試樣寬度增至70mm時,拉伸強(qiáng)度上升至109.6MPa,扯斷伸長率上升至236%,表明研究方法提出的防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法具有更好的拉伸性能。

老化試驗見圖4。由圖4可知,在熱空氣環(huán)境中,材料在350h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為10%,扯斷伸長率性能變化率為-11%;在720h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為9%,扯斷伸長率性能變化率為-1%;在1 080h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為-1%,扯斷伸長率性能變化率為-8%。在氙氣燈環(huán)境中,材料在350h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為17%,扯斷伸長率性能變化率為6%;在720h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為17%,扯斷伸長率性能變化率為8%;在1 080h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為18%,扯斷伸長率性能變化率為7%。在臭氧環(huán)境中,材料在350h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為1%,扯斷伸長率性能變化率為0%;在720h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為0%,扯斷伸長率性能變化率為0%;在1 080h時的拉伸強(qiáng)度性能變化率為0%,扯斷伸長率性能變化率為0%。上述結(jié)果顯示,試驗中得到的不同環(huán)境老化情況基本都保持了材料性能,出現(xiàn)性能下降也處于可接受區(qū)間內(nèi),表明研究方法提出的防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法具有良好的抗老化性能。

圖4 老化試驗

對材料進(jìn)行抗凍性能試驗,見表1。

表1 抗凍性能試驗

由表1可知,在未開始進(jìn)行凍融時,單面涂覆方式的黏結(jié)強(qiáng)度為2.27MPa,整體涂覆方式的黏結(jié)強(qiáng)度為2.84MPa。經(jīng)過300次凍融后,單面涂覆方式的黏結(jié)強(qiáng)度下降至0.64MPa,混凝土面遭到破壞,占整體破壞面的7%;整體涂覆方式的黏結(jié)強(qiáng)度下降至2.05MPa,界面劑與SK手刮聚脲材料接觸面的破壞占整體破壞面的99%,混凝土基本沒有遭到破壞。研究結(jié)果顯示,實際施工方式構(gòu)造出的結(jié)構(gòu)與整體涂覆方法相似,表明研究方法提出的防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法能夠有效避免混凝土在低溫環(huán)境中遭到破壞。

對研究方法進(jìn)行混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固應(yīng)用測試,見表2。

表2 混凝土修補(bǔ)防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固應(yīng)用測試

由表2可知,研究所提出的方法在涂覆后表層形成具有厚度的涂層,在低溫凍融后與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度大于2.0MPa,涂層和混凝土均未出現(xiàn)損傷;在水流沖刷下保持穩(wěn)定形態(tài);涂層形成致密涂層封閉效果,具有良好的防水性。表明研究方法提出的防護(hù)與補(bǔ)強(qiáng)加固方法具有多方面優(yōu)良性能,能夠有效進(jìn)行水工建筑混凝土的修補(bǔ)和加固。

4 結(jié) 論

本文提出了一種融合SK手刮聚脲的方法,對水工建筑物的混凝土裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)。試驗過程中,對水工建筑物的工程情況進(jìn)行了分析,設(shè)計了人工抹壓丙乳砂漿處理和SK手刮聚脲涂層的裂縫處理施工工藝,對相應(yīng)的材料性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗確定,并對研究方法進(jìn)行了應(yīng)用測試。結(jié)果表明,研究方法在長條試樣寬度為10mm時,拉伸強(qiáng)度為17.4MPa,扯斷伸長率為159%;在熱空氣老化試驗中,性能最大下降11%;加固結(jié)果具有良好的材料穩(wěn)定性和防水性,表明研究方法能夠有效進(jìn)行水工建筑物混凝土的修補(bǔ)與加固。