混凝土缺损快速修补技术

吴启民，谭建平，陈乔，刘德明

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

混凝土缺损快速修补技术

吴启民，谭建平，陈乔，刘德明

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

混凝土受超限外力冲击时，易产生脆裂破损，同时微观混凝土具有多晶须、多毛细孔结构，易吸湿、易发生冻融破损。就水工建筑物而言，较为常见的破损有船闸边墙刮蹭破损、溢洪道空蚀破损、面板挤压破损、结构缝啃边破损、冻融破损等，由于工程量少，且维修步骤繁琐，这些破损部位往往不会及时修补。针对以上问题，开发了一种免立模快速修补技术，它具有快速维修、抗裂、抗冲击、强粘结和低模量的特点，极大地简化了维修工艺，施工方便，修补效果好。

啃边破损；崩角破损；挤压破损；冲坑修补；船闸修补

0 前言

随着技术创新，混凝土材料已经发展出很多种类，如轻骨料混凝土、重混凝土和普通混凝土等［1］，主要利用混凝土优良的抗压性能、抗剪性能及（钢筋增强后）抗折性能达到使用目的。而混凝土材料也存在一些不足，如抗拉性能较弱，只要是结构基础不稳或局部拉应力较为集中，就很容易产生裂缝及其他侧向挤压破损，而修补维护往往较繁琐。为了克服这些弱点，新发展出高抗拉强度的树脂混凝土、弹性混凝土等，其中弹性混凝土［2］是我国近年来从国外引入的一种新型混凝土，是用特殊的微纤维替代传统使用的粗糙砂石来用于水泥的加固，具有重量轻、抗裂、可弯曲的特点。现阶段问题通常集中在混凝土局部缺陷，反复修，反复坏，越修破损面积越大等，例如在混凝土结构缝附近，由于缝口局部受压发生崩角破损，还有混凝土结构缝产生不均匀沉降时，缝口发生挤压，形成较长的啃边性破坏；过流面空蚀破损也是工程顽疾，往往因为体型特征、水流流态等原因，会在某些特殊位置反复发生破损；在寒冷地区，水位变化区混凝土面经常会形成一条冻融破坏条带，且随着时间的推移，破损深度越来越大，即便采取了凿除受损混凝土、回填新的混凝土进行维修，但仍易再次脱落。针对上述问题，研发出了基于经化学增韧改性弹性环氧树脂的系列修补新材料，不仅施工简单，且能够较好地解决目前存在的修补后易开裂、耐久性差的问题。

1 修补材料技术

1.1 修补材料

根据缺陷维修需要，修补材料分为封闭底漆、找平腻子、薄层修补砂浆、厚层修补砂浆和面层弹性涂料，由这些材料可以组合出适合溢流面抗冲磨、上游面抗冰冻和防碳化保护的结构。封闭底漆主要以极低黏度的环氧材料为主，其对混凝土的渗透性强，同时通过化学改性措施，表面富集多种活性官能团，能够与后续材料形成良好的粘结性。找平腻子具有高触变性，100%固含量，能够找平孔洞在1 cm以内的立面及顶面缺陷，特别是蜂窝麻面状的缺陷，能够轻易抹平。修补砂浆主要以系列弹性环氧砂浆为主，通过调节粉剂的级配，可实现一次性立面厚度在1～8 cm的回填施工作业，不用立模。

1.2 技术特点

1.2.1 不开裂、强粘结

绝大多数材料具有热胀冷缩的变形特性，在变形受到限制时，就会产生弹性束缚应力，应力大小取决于材料的应变和弹性模量。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大。当变形产生的应力超过抵抗断裂的能力时，就会引起开裂，出现宏观可见裂缝，特别是在薄层砂浆修补时，易表现出裂缝及空鼓缺陷。裂缝是由于材料热变形不同步，应力首先在接触面上集中，容易在修补的中部产生断裂。空鼓是热线胀系数大于基材，而自身刚度（弹性模量）过大，通过拱起释放应力，使粘结面失效。为了减缓裂缝及空鼓现象的发生，通常可选择每隔一定长度预留一条施工缝的措施，使干缩或热胀产生的应力得以释放，这样做法能够收到一定效果，但影响外观，且在特殊部位留缝也影响构筑物的使用安全。

基于以上分析，可以降低修补材料的弹性模量，使材料无论是受压还是受拉状态下，都能通过自身的形变去适应，减缓裂缝的产生。试验测试表明，尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的弹性环氧砂浆压缩变形在4%以内时，能够在外力撤销后恢复形状，反复多次压缩不产生破损，这个特性决定了弹性环氧砂浆能有效缓解温度引起的基面应力集中问题。

由表1的线胀系数及弹性模量测试数据可知，环氧树脂制得的砂浆或混凝土的热线胀系数是普通硅酸盐混凝土的3倍左右，假设工程使用环境温差为50℃，那么一块10 m宽的混凝土构筑物受温度影响的变形量见表2。

表1 三种材料性能对比Table 1 Properties of the three materials

表2 三种材料在温差50℃环境下的变形量Table 2 Deformation of the three materials as the temperature difference of 50°C

10 m宽的混凝土在受到50℃温差变化时，将产生由接触面传导的束缚性弹性压缩变形，束缚变形率与材料弹性模量成反比，弹模越大，基面应力集中问题越严重。弹性环氧砂浆弹模较低，且能适应4%以内的压缩应变，远远超过了束缚变形率，可释放大部分基面应力集中问题，因此不会产生起鼓问题。而通过封闭底漆高效渗透作用，可增强基面混凝土的抗拉强度及抗剪强度，使修补层比原混凝土更牢固。

1.2.2 免立模、快固化

采用特殊的工艺配方，成品砂浆具有微孔气穴结构，降低比重的同时，提高了砂浆可塑性，无须借助模板，立面单次修补最大厚度可达8 cm（见图1），顶面（倒悬面）单次修补厚度可达3 cm，砂浆可操作时间30 min左右，修补后3 d即可投入使用。

1.2.3 耐冲磨、抗冰冻

采用水下钢球法对经冲磨破损过的试件进行弹性环氧砂浆找平恢复及随形保护处理，并通过高强度的水下钢球法冲磨测试，持续测试时间长达36 h，结果表明砂浆表面无明显磨损。同时开展了流速40 m/s的水下圆环法抗冲磨测试，试验根据SL 352-2006《水工混凝土试验规程》中的圆环法抗冲磨试验方法进行，累计冲磨时间1 h，结果表明抗冲磨强度在80 h/（g/cm2）以上，较普通砂浆高20倍左右。此外还开展了600次冻融试验测试，动弹仪谐振频率统计结果表明，弹性环氧砂浆无显著下降，而普通砂浆一般在30次左右表面出现明显冻蚀破损，50次后严重破损，其谐振频率下降50%。

图1 输水隧洞立面缺损修补Fig.1 Defects repair of the tunnel

2 应用案例

2.1 天生桥一级L3/L4面板垂直缝挤压破坏部位修补

20世纪90年代后期建成的超高面板坝［3］，如墨西哥的阿瓜密尔帕坝（坝高187 m，1995年），面板出现了结构性裂缝，发生较大漏水量。天生桥一级坝（坝高178 m，1999年），巴西巴拉格兰德坝（坝高185 m）和肯柏诺沃坝（坝高202 m）也都出现面板沿垂直缝挤压破损。

天生桥一级大坝是我国第一座200 m级的高面板堆石坝，为我国高面板坝的建设和管理提供了许多宝贵的经验。天生桥一级面板堆石坝目前已运行十多年，大坝运行整体情况良好，大坝渗漏量、变形、应力等观测结果表明，大坝整体是安全可靠的。但在2003～2005年、2008年、2009年、2011年、2012年、2013年和2014年发生了混凝土面板的局部挤压破损，主要集中在河床中部偏左岸侧的L3/ L4及L8/L9面板分缝处。发生面板挤压破损后，对面板进行过多次修复处理，但由于多种原因导致处理效果不佳。从检查情况看，混凝土面板依然在发生新的挤压破损，且渗漏量略有加大的趋势。

对于L3/L4面板接缝挤压破损的原因，国内很多专家学者从不同方法、理论和角度等进行了大量研究，仅从论文检索来看，已达数十篇［9-16］，其中包括对三板溪电站面板破损的系统研究。

图2 天生桥一级L3/L4面板接缝挤压破损情况Fig.2 Edge extrusion of structural joint between the face slab L3 and L4 at Tianshengqiao I project

研究结果表明大坝坝体沉降大，面板发生法向位移，大坝压性缝受压超过20 MPa，钢筋网受压失稳起鼓，伴随劈裂破损，是挤压破损发生的主要原因之一。设置在缝中的沥青松木板具有吸收和均化部分挤压受力面的作用，能够缓解破损的产生。但松木板在受压状态下，轻易就能发生变形，使面板过早发生水平位移，累积一定变形量后，在缝口薄弱位置发生破损。如何使压性缝不易发生破碎并能均匀传递受压压力，是防止面板挤压破损的有效方法，而弹性环氧砂浆在受压状态下能够迅速起到传力作用，弹模远远大于松木板，能够在面板发生挤压的第一时间即约束了面板进一步水平向位移，同时把缝口线形区域受压扩散为整体缝面受压，使缝口附近更加稳定（见图3和图4）。

图3 修补结构示意图Fig.3 Repair structure

图4 天生桥一级L3/L4面板挤压破损部位修补效果Fig.4 Repaired structural joint between the face slab L3 and L4 at Tianshengqiao I project

2.2 三峡船闸输水廊道空蚀坑及崩角破损修补

三峡双线五级船闸是目前世界上最大的船闸。船闸的水位落差之大，堪称世界之最。三峡大坝坝前正常蓄水位为175 m高程，而坝下通航最低水位为62 m高程，等同于船舶要翻越40层楼房的高度。

据长江三峡通航管理局2016年1月6日消息，2015年三峡船闸客货通过量达到1.196亿t，较2014年增加约30万t，再创新高，其中货物通过量1.106亿t，过闸客船折合900万t。而承担起这个重大任务的主要建筑物为埋在船闸底部的巨大输水系统，每年累计充放水达到5 000多次。凭借国际一流的项目设计、施工及管理水平，船闸已经安全运行十多年，为我国长江黄金水道的顺畅运行做出了巨大贡献。历年检查中，也发现了一些缺陷，主要是受当时材料技术的约束，在输水廊道分流舌附近及结构缝附近发生了局部小范围的挤压性破损及空蚀性破损。最初选择采用高强预缩砂浆及特种混凝土等进行修补，经过几年运行后发现，再次发生破损，且面积有扩大趋势。

大体积混凝土挤压破损的发生主要是因为缝口局部单点反复受压，使混凝土发生疲劳性破损。除了需要对缝口进行切缝并填充弹性密封灌缝料外，还需要对已经发生破损的混凝土进行快速置换，而最佳的选择是既能不立模修补，又能在强度上与混凝土匹配，因此开发了弹性环氧砂浆产品。其弹性模量相对较低，能够把缝口局部应力均匀传递至更大的混凝土基础上。经4年的运行检验，前后经历2万多次反复（充放水）挤压，2017年春季检修进行了现场检查，结果表明效果良好，粘结力依然可靠，修补部位没有发生再次破损。分流舌板附近空蚀易发部位只有浅表的空蚀斑点，经简单打磨后，再次涂刷一道弹性环氧涂料，即恢复如初。

图5 倒悬面空蚀修补（2013年）及效果（2017年）Fig.5 Repair of the cavitation on overhanging surface and its effect

图6 立面结构缝崩角修补（2013年）及效果（2017年）Fig.6 Repair of the cracked corner and its effect

3 结语

（1）基于弹性改性环氧树脂制备的修补砂浆，克服了普通环氧砂浆刚度过大、随着时间延长性能不稳定的缺点，使修补更为可靠。

（2）修补砂浆弹性模量较低，抗拉性能优良，赋予了材料良好的抗挤压破损特性，在压力有效传递的同时，通过自身形变适应变形。

（3）修补砂浆综合性能优良，具有不开裂、强粘结及快固化等特性，使修补带砂浆性能优于原始混凝土性能。

（4）修补材料及技术具有快速、简便及可靠的特点，值得在水库大坝局部混凝土缺损修补中推广应用。■

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《中国电力发展报告2016》：未来3年常规水电预计新增装机2 029万kW

据北极星水力发电网电规总院近日发布的首份年度电力发展报告——《中国电力发展报告2016》对我国常规水电和抽水蓄能未来3年的发展趋势做了展望：我国常规水电预计新增装机容量2 029万kW，其中，四川、云南两省新增水电装机容量分别为643万kW、678万kW，约占2/3。重点水电项目有猴子岩、长河坝、苗尾、黄登、大华桥水电站等。而且，未来3年，我国抽水蓄能电站新增装机容量870万kW，重点项目有江苏溧阳、广东深圳、海南琼中、丰宁一期、安徽绩溪、山东文登抽水蓄能电站等。

该报告分析称，我国常规水电装机容量近年来增速持续放缓。截至2016年底，常规水电装机容量为30 542万kW，约占全国电源总装机容量的18.6%，占非化石电源装机容量的51.6%。“‘十二五’期间我国常规水电装机容量年均增速为8.3%，2013年以来常规水电装机容量增速逐年下降，2016年常规水电装机容量同比增长3%，为2000年以来最低水平。”

此外，常规水电开发持续向西南地区集中。据统计，截至2016年底，我国四川、云南、湖北、贵州、广西、湖南、青海、福建8省（区）常规水电装机容量均超过1 000万kW，占全国水电总装机容量的80%。其中，四川、云南两省水电装机容量占全国比重为43.7%，比2015年提高了0.8个百分点。

就水电开发程度，《报告》指出，截至2016年底，四川、云南、西藏水力资源开发程度分别为60.4%、59.8%、1.3%，其他地区平均水力资源开发程度为81.4%。

而且，常规水电发电量仍占非化石电量主体。《报告》显示，2016年我国常规水电发电量11 501亿kW·h，约占全国电源总发电量的19.2%，占非化石电源发电量的67.6%。其中，四川、云南两省常规水电发电量占全国常规水电发电量的46.1%。2016年，我国水电利用小时为3 621 h，同比增加31 h。2014年以来，我国水电利用小时基本维持在3 600 h左右。

弃水问题是近年来水电开发绕不过的一道坎，尤以云南、四川最为突出。数据显示，2016年我国弃水电量501亿kW·h，四川、云南两省弃水电量占全国总弃水电量的95.6%。其中，云南省弃水电量达315亿kW·h，同比增长105.9%；四川省弃水电量达164亿kW·h，同比增长60.8%。

《报告》分析认为，造成四川、云南两省弃水问题主要成因是：水电发电能力超出市场需求导致产生大量负荷高峰弃水；部分水电外送通道建设滞后进一步加剧了弃水现象；水电开发外送政策机制不完善影响了水电消纳。

就抽水蓄能来看，“‘十二五’期间，我国抽水蓄能装机年均增速为6.3%，2016年抽水蓄能装机容量同比增速为15.9%。”《报告》称。截至2016年底，我国抽水蓄能装机容量为2 669万kW，约占全国电源总装机容量的1.6%，占非化石电源装机容量的4.5%。分地区来看，抽水蓄能电站主要集中在中东部及南方地区。截至2016年底，我国中东部及南方地区抽水蓄能装机容量占全国抽水蓄能总装机容量的73.6%。广东、浙江两省抽水蓄能电站装机容量合计1 066万kW，占全国抽水蓄能电站总装机容量的40%。

Rapid repair technology of concrete defects WU Qi-min,TAN Jian-ping,CHEN Qiao and

LIU De-ming//PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited

As impact of external force on concrete,local crushing damage are easily caused.At the same time,the microstructure of concrete is of multi whisker,and the pore structure is prone to absorb moisture and susceptible to freeze-thaw damage.For hydraulic structures,the common phenomenon contains scrape of lock side wall,spillway cavitation,panel extrusion failure,edge extrusion of structural joint, freeze-thaw and etc.The repair of some damaged parts,due to small amount of work and cumbersome maintenance steps,is usually postponed temporarily.Once the steel exposed and corrosion happened, maintenance is very urgent.Aiming at the problems above,a template free repair system is developed, which is of quick maintenance,crack resistance,impact resistance,strong adhesion and low modulus. This system has greatly simplified the maintenance process and enhanced the repair effect.

edge extrusion of structural joint;corner damage;extrusion damage;pit repair;lock repair

TV698.2

A

1671-1092（2017）03-0053-05

2017-04-11

作者介绍：吴启民（1978-），男，浙江苍南人，高级工程师，主要从事防水、堵漏及加固材料开发工作。

作者邮箱：sendwu@163.com