混凝土衬砌板剥蚀原因及处理方案

宗利杰

(南水北调中线干线工程建设管理局 北京分局，北京100038)

1 混凝土衬砌板剥蚀产生的原因

混凝土衬砌板剥蚀在北方输水渠道中是种比较常见的现象，造成其产生剥蚀裂缝的原因多种多样，如①冻融剥蚀。北方渠道衬砌板冻融剥蚀部位主要在运行水位线附近上下30 cm的范围内，尤其是冬季，会受温度的影响产生冻融循环。当温度达到冰点时，混凝土中的饱和水结冰，产生了内应力，造成了破坏性膨胀，会引起混凝土性能劣化，从而导致水泥微型碎裂，失去强度。这些很小的碎裂颗粒在运行期由于受到水流作用而脱落，使得衬砌板表面出现了冻融剥蚀，这也是衬砌板剥蚀出现的最主要原因。②混凝土碳化。受环境影响，水中二氧化碳具有弱酸性，会与硅酸盐水泥中的氢氧化钙发生化学反应生成碳酸钙。而碳酸钙的溶解度低，会沉积在混凝土的毛细孔内。毛细孔周围的羟钙石会补充溶解为Ca2+和OH-，反向扩散到混凝土孔隙中，继续与扩散进来的CO2反应，一直到孔隙液的pH值降低到8.5～9，这时混凝土的毛细孔中才不再发生这种中和反应，这也就是俗称的混凝土碳化，即碳酸盐化。酸性气体如SO2、SO3等均能和Ca(OH)2进行中和反应，使混凝土碳化。碳化后的混凝土强度会降低，会随着水流的冲刷而发生脱落，进而形成剥蚀。③水流磨蚀。渠道水中必然还有泥沙、气泡以及冬季的浮冰。受水流冲力影响，它们会和衬砌板发生磨蚀碰撞，日积月累，混凝土就会产生剥蚀破坏，形成机理类似于叶轮的气蚀。④建设期施工工艺不合理。建设期由于赶工等原因，个别混凝土衬砌板面在浇筑过程中没有及时收面擀光。为了达到规范要求，部分施工单位在混凝土达到终凝后，采用了水泥加水的方法对衬砌板进行罩面。该方案虽然在短期内能够达到美化效果，但时间稍长就会出现“两张皮”现象。浇筑期混凝土已达到终凝，散去了水化热，补刷水泥罩面又过薄，不能达到建设目的。⑤挤压破坏。冰期输水时，由于北方温度较低，在水流流速不高的情况下，水面上部会结冰，需要进行冰下输水。当冰盖稳定时，有利于输水安全，但同时也会对渠道衬砌板造成一定的压力。白天温度高，冰面上部分冰层会融化成水，渗入冰面和衬砌板的结合部位。而夜间温度偏低，融化的水又会冻结成冰。水冻结成冰时，体积会变大，会给衬砌板带来压力。周而复始，循环往复，该部位的混凝土会疲劳变形，从而产生剥蚀。

2 混凝土衬砌剥蚀的预防措施

其一，严格按照规范和设计要求控制混凝土质量，尤其是针对有抗冻、抗渗要求的混凝土，在浇筑前必须要做好各项试验。浇筑时，严格控制施工工艺。浇筑过程中，实行监理制的项目必须要有监理进行。其二，浇筑完成后，要及时进行养护，并按照规范及时进行保温和洒水，避免因养护不当而出现强度不足、裂缝等缺陷。其三，尽量避免在冰期输水。因为北方的温度无法改变，渠道距离一般都很长，要想给渠道加个盖子是不现实的。在具备条件的情况下，要尽量避免在冰期输水，这样既可以避免冰盖对衬砌板产生压力，又能避免衬砌板出现冻融剥蚀破坏。若必须进行冰期输水，建议适当为渠道衬砌板泄压。可以通过调节水位或流速来实现，避免形成太厚的冰盖，或者对太厚且影响安全的冰盖进行切割泄压。其四，及时对剥蚀的混凝土进行维修养护，防止范围扩大。

3 混凝土衬砌板剥蚀的处理方法

混凝土衬砌板厚度一般为10～15 cm，剥蚀的处理方法主要有拆除新建和表面贴补法。拆除新建是将剥蚀严重的衬砌板进行破碎拆除，重新浇筑混凝土衬砌板。该方案实施影响较大，费用较高，一般仅针对剥蚀特别严重已失去保留价值的衬砌板。

3.1 表面贴补法施工工艺

(1)凿除。凿除缺陷部位松散的混凝土。需先对拟处理部位周边划定处理边界，处理边界宜成矩形，横平竖直。可采用切割机沿边界线切割，界面稍向外倾，形成倒楔形，有利于修补砂浆与母体混凝土的结合紧密。应采用电镐、钎子等工具凿除修补面冻融破坏的混凝土，直至密实混凝土部位。还要清除松动颗粒，清洗干净。要对混凝土基面进行洒水润湿，保证涂刷界面剂之前能够使基面达到吸水饱和的潮湿状态且基面无明水、无积水。(2)刷界面剂。界面剂的涂刷要尽可能薄而均匀、不流淌、不漏刷。(3)砂浆抹面。按要求对砂浆进行配比，摊铺完毕要立即压抹，注意向一个方向抹平，操作速度要快，如遇气泡要挑破压紧，保证表面密实，边角接缝处要反复压实，避免出现孔洞或缝隙。聚合物砂浆的涂抹厚度一般每层不超过15 mm。对于厚层修补需分层施工，层与层之间施工时间间隔以底层砂浆终凝以前为宜，间隔时间过长则需涂刷界面剂。

3.2 抹面材料

抹面材料作为渠道剥蚀修复用的主要材料，应具有以下特点：无毒无害、性能稳定、使用方便、操作简单、粘结强度高、低自收缩、防水、抗渗、抗冻。目前，市场上常见的抹面材料为普通砂浆和聚合物砂浆。普通砂浆和聚合物砂浆相比，具有造价低、强度高、保水性差等特点。强度高、保水性差会造成抹面容易开裂，而且普通砂浆粘结力较聚合物砂浆差。由于渠道衬砌板要经受住水流的冲击，所以常用聚合物砂浆进行抹面。聚合物砂浆造价较普通水泥砂浆要高，但它的粘结力要强于普通水泥砂浆，而且强度较水泥砂浆低，粘结牢固，不容易开裂。本研究主要推荐NE型水泥基聚合物干粉砂浆和YEC环氧涂层。

表1 NE型水泥基聚合物干粉砂浆主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of cement-based ploymer dry-mixed mortar of NE type

表2 YEC-Ⅲ型高韧性环氧防护涂层材料主要技术指标Tab.2 Main technical index of YEC-Ⅲ epoxy coating materials of high tenacity