混凝土結(jié)構(gòu)水渠病害機(jī)理分析及新材料噴涂技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TQ178 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）07-0083-04

Abstract：The concrete cover plate of the channel isoperated ina fully enclosed stateallthe year round，and the concrete cover plateof thechannel is affctedby the freeze-thaw cycle in winter，and the concrete atthe bottom of theslab is seriously damaged.Inorderto improvethe lifeof the concrete coverplate and deeplyanalyzethe disease mechanism of the damage effctof the cover plate，according to theoperating environment of the closed water conveyance channel，the comparative method was used to systematically study the development processof the hydration slurry microstructure andthe concrete interface microstructure of the cementitious material in the concrete before and after the test，the deterioration and evolution mechanism of the concrete disease of theclosed channel were revealed，and the research on the treatment of concrete cover plate disease by spraying cement-based permeable crystalline waterproof materials was cariedout，soas to provide technical support forimproving orreinforcing the closed water conveyance channel.

Key words：closed water transmision channel;concrete cover plate;freeze-thaw cycle；disease mechanism；penetrating crystalline materials

利用原開(kāi)敞式灌溉渠道，進(jìn)行覆蓋、防滲處理，改造為封閉式生活供水渠道，有利于保障輸送水的質(zhì)量和效能，但在封閉式的特殊運(yùn)行環(huán)境下，混凝土建筑物受凍融循環(huán)1作用破壞嚴(yán)重。我國(guó)北方利用灌溉渠道經(jīng)上部增加混凝土蓋板覆蓋，改造成常年生活供水渠道的情況較多，為提高混凝土蓋板壽命，保障城鄉(xiāng)供水正常運(yùn)行，應(yīng)深人探究能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響的病害機(jī)理。針對(duì)太河水庫(kù)封閉輸水渠道運(yùn)行環(huán)境，采用對(duì)比法，系統(tǒng)研究治理前后混凝土內(nèi)膠凝材料水化漿體微結(jié)構(gòu)[2]、混凝土界面微結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，揭示封閉式渠道混凝土病害劣化演變機(jī)理[3-5]，提出相應(yīng)的解決措施，為改善或加固封閉式輸水渠道提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

太河水庫(kù)輸水渠道是在原開(kāi)敞式灌溉渠道基礎(chǔ)上，進(jìn)行了覆蓋、防滲處理改造而成，覆蓋總長(zhǎng)度15.04km ，覆蓋采用 120mm 厚預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，設(shè)計(jì)荷載 8.36kN/m² 。輸水渠道地處北溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干燥多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季晴朗干旱，冬季寒冷少雪，四季交替分明。太河水庫(kù)輸水渠道通水運(yùn)行14年多來(lái)，渠道覆蓋段預(yù)應(yīng)力空心板底部混凝土保護(hù)層脫落嚴(yán)重，脫落面積占總面積的 20% ＼～30% ，脫落形式以順?shù)摻罨炷帘Ｗo(hù)層脫落為主，部分渠段同時(shí)存在鋼筋銹蝕和凍融循環(huán)雙重劣化破壞現(xiàn)象。從多年觀測(cè)統(tǒng)計(jì)情況看，渠道蓋板底部混凝土保護(hù)層剝蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重影響到工程設(shè)施安全和城鄉(xiāng)供水安全。

2凍融循環(huán)下混凝土結(jié)構(gòu)病害機(jī)理研究

2.1宏觀力學(xué)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析[6-7]

當(dāng)已經(jīng)發(fā)生凍融循環(huán)作用之后，混凝土也會(huì)或多或少有剝蝕損傷，并且引發(fā)其結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)性能的降低。研究封閉式輸水渠道混凝土蓋板的破壞機(jī)理，需要首先研究對(duì)比混凝土分別在自然狀態(tài)（0.7% ）、飽水狀態(tài)（ 6% ）下，不同凍融損傷程度時(shí)，試樣在準(zhǔn)靜態(tài)情況時(shí)所達(dá)到的單軸抗壓強(qiáng)度，本文基于GB/T50081—2002標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)開(kāi)展相應(yīng)的單軸壓縮試驗(yàn)。

在凍融循環(huán)已滿足預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)：即40、60、80、100和120次的情況下，需要第一時(shí)間進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試樣破壞過(guò)程中會(huì)發(fā)生脆響，而且在凍融次數(shù)逐步增多后，脆響分貝更高，這代表了材料的脆性逐步增長(zhǎng)；從破壞面來(lái)看，已凸起的骨料等均出現(xiàn)了壓壞的情況。

從抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以看出兩種狀態(tài)下隨著凍融循環(huán)次數(shù)提高，抗壓強(qiáng)度、彈性模量都會(huì)有所下降。在自然狀態(tài)下，混凝土對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度 48.1MPa 彈性模量3.841GPa;但飽水情況下，混凝土的這兩項(xiàng)參數(shù)值分別為 46.2MPa 與 3.058GPa 。在受到一定的水作用之后，混凝土的抗壓強(qiáng)度大約會(huì)下浮

4% ，同時(shí)，彈性模量也會(huì)下浮 20% 。本研究表明，當(dāng)處在含水量相對(duì)較高時(shí)，混凝土內(nèi)含有數(shù)量較多的自由水，這會(huì)削弱各凝膠體顆粒彼此間存在的范德華力，由此減少混凝土能夠達(dá)到的宏觀力學(xué)強(qiáng)度。

結(jié)合抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)存在的關(guān)系?？梢灾庇^地看出，在兩種不同的狀態(tài)下凍融循環(huán)對(duì)混凝土單軸抗壓強(qiáng)度的影響較大。隨凍融循環(huán)次數(shù)提高，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量都處于逐步下降的趨勢(shì)，其抗壓強(qiáng)度損失率也在逐步提高。

2.2凍融循環(huán)下混凝土宏觀損傷分析

混凝土材料中本來(lái)就有一定的細(xì)觀缺陷，當(dāng)其經(jīng)過(guò)了凍融循環(huán)后，因?yàn)槭艿絹?lái)源于凍脹力等作用，會(huì)產(chǎn)生并且逐步擴(kuò)大微裂紋[8]。故而，唯有從損傷力學(xué)方向著手，才可以更好描述材料的劣化機(jī)制。

從混凝土損傷理論來(lái)看，彈性模量能夠直觀體現(xiàn)混凝土的損傷程度；而凍融損傷變量對(duì)應(yīng)的求解公式： D_n=1-E_n/E₀ ，其中 E₀，E_n 分別代表開(kāi)展凍融試驗(yàn)之前與試驗(yàn)后試樣對(duì)應(yīng)的彈性模量[8]

基于上式求解能夠得知，凍融損傷變量及其循環(huán)次數(shù)二者之間存在正比關(guān)系，當(dāng)混凝土所經(jīng)過(guò)的凍融次數(shù)逐步增多時(shí)，其對(duì)應(yīng)的凍融損傷變量也會(huì)有一定的增長(zhǎng)；損傷變量在凍融循環(huán)40次之前小于0.092，而后迅速提升；在凍融循環(huán)為80、100次時(shí)，損傷變量0.27增長(zhǎng)至0.42；在第120次凍融循環(huán)后，該數(shù)值提升至0.54。這說(shuō)明混凝土凍融損傷正在逐步劣化，從一開(kāi)始的損傷擴(kuò)展緩慢，到后續(xù)的逐步擴(kuò)大，直至破損。

2.3噴涂滲透結(jié)晶材料治理混凝土蓋板病害研究

2.3.1試件表面噴涂滲透結(jié)晶材料的凍融試驗(yàn)

成型C30混凝土試件，依次于其表層分別噴涂1.0、3.54和 4.04kg/m² 的滲透結(jié)晶材料，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，開(kāi)展科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目箖鲆约拔试囼?yàn)。結(jié)果表明，沒(méi)有噴涂上述材料的試件質(zhì)量損失率更低，吸水率大體相同于噴涂 4.04kg/m² 滲透結(jié)晶材料后的情況。在噴涂 1.06，3.54kg/m² 滲透結(jié)晶材料時(shí)，雖然吸水率較低，卻也超過(guò)了現(xiàn)有的基準(zhǔn)混凝土[9]

從相對(duì)動(dòng)彈模量試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，噴涂3.54kg/m² 的滲透結(jié)晶材料，其相對(duì)動(dòng)彈模量超過(guò)了噴涂 1.06kg/m² 滲透結(jié)晶材料的。從凍融前與凍融后混凝土所呈現(xiàn)的結(jié)果可知，噴涂一定量滲透結(jié)晶材料之后的試件表面更為良好；當(dāng)試件凍融25次后，表面會(huì)出現(xiàn)明顯的剝蝕現(xiàn)象。

2.3.2表面噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土微觀結(jié)構(gòu)

選用電子顯微鏡觀測(cè)已噴涂一定量滲透結(jié)晶材料的試件，在進(jìn)行凍融循環(huán)后所呈現(xiàn)出的表面，隨著基準(zhǔn)混凝土凍融次數(shù)增加，混凝土表面剝蝕程度大，具有明顯的空隙出現(xiàn)，且空隙較大[10]。與基準(zhǔn)混凝土比較，噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土表面凍融前較密實(shí)，僅有小空隙存在。隨著噴涂量增加，混凝土凍融后的密實(shí)度稍好，但效果不十分明顯。噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土隨凍融次數(shù)增加，表面空隙數(shù)量增加，孔徑變大[11]

2.3.3表面噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)

采用SEM對(duì)混凝土凍融循環(huán)前后內(nèi)部水泥石樣品，放大2000倍，進(jìn)行微觀形貌觀察。基準(zhǔn)混凝土內(nèi)水泥水化槳體有 Ca（OH）₂ 晶體存在，可觀測(cè)到裂紋存在；而噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土內(nèi)未發(fā)現(xiàn)Ca（OH）晶體中存在明顯的裂紋[12]

基準(zhǔn)混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，水泥水化漿內(nèi)出現(xiàn)裂紋，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，裂紋寬度和數(shù)量增加明顯。噴涂 1kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土，在凍融19次后出現(xiàn)裂紋；在22次后，裂紋寬度增加。噴涂 2kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土，在凍融19次后出現(xiàn)細(xì)微裂紋，在22次后裂紋寬度增加。

2.3.4混凝土界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)與凍融循環(huán)

采用SEM對(duì)混凝土界面過(guò)渡區(qū)凍融循環(huán)前后，放大1000倍，進(jìn)行微觀形貌觀察。隨著基準(zhǔn)混凝土隨凍融次數(shù)增加，界面過(guò)渡區(qū)裂縫寬度增加；凍融13次，裂縫寬度為 2～5μm ；凍融至22次，增加為30μm 左右。與基準(zhǔn)混凝土比較，噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土界面過(guò)渡區(qū)在凍融前，結(jié)構(gòu)密實(shí)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加.噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土界面裂紋寬度和數(shù)量增加。噴涂 1kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土在凍融22次后，裂紋寬度為 5～7μm ：噴涂 2kg/m² 滲透結(jié)晶材料的混凝土，凍融22次后的裂紋寬度在 2μm 左右。

3混凝土孔結(jié)構(gòu)與凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用了壓汞法來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量水泥石對(duì)應(yīng)的孔結(jié)構(gòu)。結(jié)合預(yù)先設(shè)定的測(cè)孔要求，可對(duì)應(yīng)制備試樣，在綜合比較后，決定選用由美國(guó)研發(fā)的全自動(dòng)壓汞儀[13]。試驗(yàn)結(jié)果如表1～表3所示，并對(duì)各孔徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

混凝土的具體性能關(guān)系到其基本結(jié)構(gòu)與孔徑，而其分布狀態(tài)則關(guān)聯(lián)于孔隙率[14]。由表1～表3可知，與基準(zhǔn)混凝土比較，噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土孔隙率少;噴涂量增加，孔隙率減少。凍融次數(shù)增加，混凝土的孔隙率增加;凍融循環(huán)次數(shù)相同，噴涂 1kg/m² 混凝的孔隙率比基準(zhǔn)混凝土降低約 2% 左右；噴涂2kg/m² 混凝的孔隙率減少 3% 左右。同時(shí)也可以看出，凍融次數(shù)增加，基準(zhǔn)混凝土的中值孔徑和平均孔徑明顯增大，而噴涂滲透結(jié)晶材料的混凝土變化不大。

由表 1～ 表3還可知，凍融循環(huán)前，噴涂滲透結(jié)晶材料 1kg/m² 混上的最可幾孔徑與基準(zhǔn)混凝土基本相等，各孔徑分布基本相同，噴涂 2kg/m² 混凝的最可幾孔徑減小，孔徑小于 20nm 明顯增多，幾乎是前兩者的兩倍；孔徑大于 200nm 明顯減少，幾乎是前兩者的50% 。凍融循環(huán)次數(shù)增加，基準(zhǔn)混凝土的最可幾孔徑增大;凍融19～22次，最可幾孔徑約是凍融前的3.5倍；孔徑 20～100nm 的含量減少，孔徑大于 200nm 的含量增加。噴涂滲透結(jié)晶材料 1kg/m² ，混凝凍融19次前，最可幾孔徑?jīng)]有明顯變化；凍融22次，最可幾孔徑增大；各孔徑分布沒(méi)有明顯變化。噴涂滲透結(jié)晶材料 2kg/m² ，混凝土凍融22次后，最可幾孔徑幾乎是凍融前的2倍，孔徑大于 200nm 含量具有增加的趨勢(shì)。噴涂滲透結(jié)晶材料 2kg/m² ，孔徑大于 200nm 減少，孔徑小于 20nm 增多，最終抗凍性比基準(zhǔn)混凝土和噴涂1kg/m² 的混凝土性能好。

4蓋板噴涂滲透結(jié)晶材料治理混凝土結(jié)構(gòu)病害初步應(yīng)用

選取輸水干渠混凝土預(yù)制蓋板病害較嚴(yán)重

4900m² ，結(jié)合噴涂材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用噴涂 1.5kg/m² 水泥基滲透結(jié)晶材料進(jìn)行病害處理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。主要施工工序：基面清理、找補(bǔ)填平、噴涂滲透結(jié)晶材料、養(yǎng)護(hù)及成品保護(hù)。在噴涂完成后，采取隨機(jī)取樣和固定斷面取樣的方法，同步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)，選取25個(gè)斷面，共計(jì)取樣75組。檢測(cè)數(shù)據(jù)（平均值）為抗?jié)B壓力（56d）0.6MP;對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕;抗凍融循環(huán)250次；抗壓強(qiáng)度 38.22N/mm² ；涂層未見(jiàn)脫落現(xiàn)象，水泥基滲透結(jié)晶材料活性良好，經(jīng)試驗(yàn)后多年的觀察量測(cè)，預(yù)制板底噴涂水泥基滲透結(jié)晶材料后效果良好。

5結(jié)語(yǔ)

（1）混凝土構(gòu)件在飽水狀態(tài)下（含水量約 6% ）較自然狀態(tài)下，抗壓強(qiáng)度大約會(huì)下浮 4% ，同時(shí)，彈性模量會(huì)下浮 20% 。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土單軸抗壓強(qiáng)度一直處于逐步下降的趨勢(shì)、抗壓強(qiáng)度損失率也在穩(wěn)步提高、其對(duì)應(yīng)凍融損傷也在穩(wěn)步上升；（2）混凝土構(gòu)件噴涂滲透結(jié)晶材料后，孔隙率減小，并隨噴涂量增加，孔隙率逐漸減小;在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，噴涂 2kg/m² 較噴涂 1kg/m² 的構(gòu)件，孔隙率降低約 1% 左右。

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